Sistemas Telemáticos Departamento de Informática Universidade do Minho

Sistemas Telemáticos Departamento de Informática Universidade do Minho
VOIP Voz sobre IP Sistemas Telemáticos Departamento de Informática Universidade do Minho

Materiais usados Apresentação do Will Dennis com permissão do autor
Cap 7 de Multimedia Systems and Signals, Mandal Ver livro VOIP na página do TERENA Terena VOIP Cookbook Cap.2, Cap.3 e Cap.7 (donde foram extraídas figuras)

Sumário Motivação para o VOIP Qualidade da voz no VOIP
Digitalização de voz : CODECs Componentes VOIP Protocolos VOIP Cenários para VOIP

O que é a VoIP? A VOIP e o Telefone na Internet são métodos que convertem os sinais de voz em dados digitais e enviam-na através da Rede IP.

Vantagens do VOIP Redução de custos Mais largura de banda
Integração da voz e dados Eficiência da rede Mais e melhores serviços Cost Reduction: offers cheaper long distance and international telephone calls by utilizing the existing capacity of private and public data network. More Bandwidth: Dramatically improves efficiency of bandwidth use for real-time voice transmission, in many cases by a factor of 8 or more due to packet switching and different compression techniques used. Integration of voice and data network: An integrated infrastructure allows integration of voice and data traffic, supports dynamic bandwidth optimization and results in a fault tolerant design. Allows greater standardization and lesser equipment management. Network Efficiency: The integration of voice and data effectively fills up the data communication channels efficiently utilizing bandwidth and thus increases network efficiency.

Cenários de Utilização VOIP
Cenário 1: Encaminhamento de mínimo custo para chamadas de longa distância Cenário 2: Alternativa às centrais PBX Cenário 3: Integração de VOIP e Video-Conferência

Cenário 1 A separação tradicional

Cenário 1 Integração entre a Rede Telefónica e de dados
Empresas com grandes custos em comunicações Integração entre a Rede Telefónica e de dados

Cenário 1 Implementação da arquitectura

Cenário 1 Facilidades Encaminhamento das chamadas de acordo com hora e o dia da semana Encaminhamento por destino Modificação de números Gestão de classe de serviço

Cenário 1 Utilização: Uma empresa com vários escritórios em cidades diferentes da Europa que tem que contactar telefonicamente clientes em todo mundo

Cenário 2 Situação tradicional

Cenário 2a Telefones IP sem PBX
Fazem-se chamadas com facilidade usando o SIP ou o H323. Este primeiro cenário é fazível mas de utilização muito limitada uma vez que não há qualquer gateway VOIP-RTC. Facilidades comuns como um livro de telefones, serviços de reencaminhamento de chamadas não são disponíveis uma vez que é dificil de integrar com o terminal telefónico. Cenário apenas recomendável para ambientes de teste Telefones IP sem PBX

Cenário 2b Integração do VOIP com o PBX
Permite a coexistência entre o VOIP entre a Rede Local VOIP e a RTC Adequado quando se contrói a rede VOIP da instituição gradualmente A escolha enre a interface particular entre a PBX e a Gatetway VOIP depende das funcionalidades pretendidas e das possibilidades de interligação disponíveis.

Cenário 2C Substituição completa do PBX

Cenário 2c Terminais simples vs inteligentes Sinalização: SIP/H.323
Funcionalidades tradicionais Números de emergência Plano de encaminhamento de chamadas Integração com a rede pública de móveis Beeps/telefones sem fios privados/elevadores VOIP sem fios Outros aspectos: servidor de autenticação RADIUS etc…

Cenário 3c O foco tradicional é na voz
O VOIP tem capacidade de transportar vídeo Problemas com a videoconferência Acessibilidade Serviços de valor acrescentado Inter-operabilidade entre diferentes tecnologias

Cenário 3c Aplicações Teletrabalho Telemedicina Ensino à distância
Serviços ao cliente Justiça Laboratórios virtuais/remotos

Cenário 3c

Mercado VOIP na Europa Source: IDC, European IP Telephone Tracker Q2 2004

Mercado VOIP na Europa 2004-2008 ($M)
Source: IDC, European IP Telephone Forecast,

Mercado Europeu IP PBX , 2004-2008 ($M)
Source: IDC, European IP PBX Forecast,

Mercado IP PBX vs PBX tradicional ($M)
Source: IDC, 2004

Minutos VOIP (chamadas de saída empresas ), 2002-2007
(Minutes in Millions) Source: IDC, European IP Telephony Services Forecast ,

Aspectos técnicos do VOIP
Aspectos chave Qualidade de Serviço (QoS) Interoperabilidade Escalabilidade Segurança Integração com a RTC Arquitectura Protocolos Quality of Service (QoS): For voice communications over IP to become acceptable to the users, the delay needs to be within tolerable limit. Interoperability: In a public network environment, products from different vendors need to operate with each other and conform to a common standard. Scalability: Need to be flexible enough to grow to large user market.

Algumas definições Rede Telefónica Comutada (RFN)
Rede de Comutação de Circuitos Rede Internet (Rede IP)

Algumas definições Rede Telefónica Comutada é a rede telefónica disponível ao público incluindo as linhas telefónicas, micro-ondas e outros modos de transmissão. Quer a rede IP como a rede de comutação de circuitos podem ser suportadas pela RTC. Rede de Comutação de Circuitos é a rede telefónica tradicional que envia informação através dum circuito fixo a ligar o chamador e o recipiente. É estabelecido um circuito temporário entre o chamador e o chamado durante a comunicação. Essa linha não pode ser usada por mais ninguém nesse período. A Rede IP transmite dados usando pacotes. As comunicações são divididas em pequenos pacotes e enviados de forma independente para a rede. Os pacotes por vezes são enviados através de linhas de transmissão diferentes e reagrupados no destinatário. Converte o sinal de voz do seu telefone num sinal digital que viaja através da Internet

Linhas de transmissão em Redes Comutação de Pacotes e de Circuitos
Com. de Circuitos Com. de Pacotes ( Rede Telefónica) (Rede IP)

Qualidade da Voz A largura de banda é facilmente quantificada
Qualidade da voz é subjectiva MOS, Mean Opinion Score Recomedação P.800 ITU-T Excelente – 5 Boa – 4 Razoável– 3 Pobre – 2 Má – 1 Um mínimo de 30 pessoas Ouvir amostras da voz ou conversações

Problemas de QoS no VOIP

Qualidade da voz Mean Opinion Score (MOS)
Numa escala de 1-5 (5 é melhor) 4 é a chamada toll quality Os telemóveis têm baixa qualidade VoIP é comparável aos telemóveis Causas da baixa qualidade da voz Atraso Jitter Perdas Eco

Eco Chamada telefónica normal Chamada telefónica normal com eco

Eco e Qualidade da Voz Cancelador de Eco é necessário para atraso (num sentido) >30ms Atraso 1-s (ms) Qualidade Efeito na qualidade da voz 0-25 Excelente Gama esperada para chamadas nacionais 25-150 Boa Gama esperada para chamadas internacionais por cabo Razoável Gama esperada para chamadas internacionais por satélite >400 Pobre A evitar

Compensação de Eco As reflexões do sinal geradas pelo circuto híbrido que converte um circuito de 2 pares (1 para TX outro para RX) num circuito de 1 par (1 único par para TX e RX) O atraso de ida e volta da rede é quase sempre superior a 50ms A norma G.165 do ITU define o desempenho requerido para os canceladores de eco.

Atraso Processamento Rede
Tempo necessário para colectar as amostras codificadas e colocá-las em pacotes da rede O tempo de codificação depende do algoritmo do CODEC usado e da velocidade do processador Rede Meio fisico de transmissão Capacidade das ligações e dos nós intermédios e pelos buffers do destinatário para remover o jitter

Jitter Intervalo de tempo variável entre pacote provocado por percursos de rede diferentes Remoção do jitter: colocar os pacotes num buffer e aguentá-los o tempo suficiente para permitir a chegada dos pacotes mais atrasados Causa atraso adicional

Compensação da Perda de Pacotes
A perda de pacotes pode transformar-se num problema sério, dependendo do tipo de pacote de rede que estiver a ser usado Interpolar os pacotes perdidos voltando a reproduzir o último pacote recebido durante o intervalo Enviar informação redundante Usar um codificador de voz híbrido que use menor largura de banda Evitar e controlar a congestão na rede

Especificação de QoS Parâmetros Toll Quality Abaixo da Toll Quality
MOS R-Value ≥ 4 ≥ 80 >3.5 and < 4 >70 and < 80 Atraso fim a fim (1 sentido) ≤150ms (sem ligação satélite) ≤ 400 (com satélite) ≤ 400ms Grau de Serviço < 2% Perda de Pacotes < 0.1% Jitter dos pacotes < 5 ms < 10 ms toll quality: The voice quality resulting from the use of a nominal 4-kHz telephone channel. Note: Toll quality may be quantized in terms of a specified bit error ratio. R-value is a number, or score, that is used to quantitatively express the subjective quality of speech in communications systems, especially digital networks that carry voice over IP (VoIP) traffic, or for which VoIP service is under consideration. The R-value score, which is used in conjunction with voice testing processes, can range from 1 (worst) to 100 (best), and is based on the percentage of users who are satisfied with the quality of a test voice signal after it has passed through a network from a source (transmitter) to a destination (receiver). The R-value score for voice quality is related to the mean opinion score (MOS) used in Perceptual Evaluation of Speech Quality (PESQ), also known as P.862. In theory, the lowest possible MOS, representing total lack of user satisfaction, is 1.0, and the highest possible MOS, representing perfect speech reproduction, is 5.0. (In practice, MOS scores rarely exceed 4.5.) One MOS point is equivalent to approximately 20 R-value points, although the relation is not perfectly linear. An older method of voice testing, known as Perceptual Speech Quality Measurement (PSQM) or P.861, uses a different scoring system that ranges from 0 (best) to infinity (worst). The R-value scoring method is preferred over other scoring methods by the Telecommunications Industry Association, because it is considered to accurately portray, and thus can be used to predict, the effects of packet loss and delays in digital networks carrying voice signals.

CODECs Codificam e descodificam dados analógicos para transporte sobre redes digitais (independe/ do tipo de rede) Série g para audio;Série h para video Comum - pulse code modulation (PCM) amostragem -> quantização -> codificação G.711: 8000 Hz x 256 Níveis Q= 64 kbit/s Norma bem conhecida para RDIS codecs podem oferecer compressão e detecção de silêncios

Taxonomia de CODECs de Voz
Codificadores de Voz Codificador de Forma de onda Codificador de Fonte Domínio do tempo: PCM, ADPCM Domínio da frequência: Codificador de sub-banda, Codificador de Transformada adaptativa Codificador Predictivo Linear Vocoder Codec de forma de onda: tenta preservar a forma de onda; não específico da voz. PCM 64 kbps, ADPCM 32 kpbs, CVSDM 32 kbps Vocoders: Analise a voz extrai e transmite os parãmetros Usa parâmetros do modelo para sintetizar voz LPC-10: 2.4 kbps Híbridos: Combinam o melhor dos dois… Eg: CELP

2. Codificação de Voz codecs comums usados na VoIP: Codec Data Rate
(Kbps) Representative Voice Quality (MOS) Delay (ms) Complexity (MIPS) G.711 PCM 64.0 4.3 0.125 G.721 ADPCM 32.0 4.1 6.5 G.726 Multirate ADPCM 16 - 40 2.0 G.723 MP -MLQ ACELP 5.3, 6.3 70 25 G.728 LD-CELP 16. 4.1 2 37.5 G.729 CS-ACELP 8.0 4.1 20 34 G.729a CS-ACELP 8.0 3.4 20 17

Classes de Codecs 3 classes diferentes Codecs de forma de onda
Codecs de fonte (Vocoder) Codecs Híbridos

Codecs de Forma de Onda PCM, ADPCM
A entrada é amostrada, quantizada e reconstruída no receptor Não é necessário conhecimento da fonte

Princípios de Compressão Áudio
Redundância Estatística Menos bits para valores de amostra mais comuns Redundância Temporal Correlação entre valores de amostras vizinhas Redundância inter-amostra Redundância do Conhecimento Explorar conhecimento partilhado entre codificador e descodificador Ficheiros MIDI /Vocoder Propriedades do Sistema Humano de Audição Aumentar a qualidade subjectiva do sinal áudio O exemplo acima demonstra que um débito baixo de bits áudio pode ser conseguido reduzindo a resolução em bits de cada amostra áudio ou reduzindo a frequência de amostragem. Embora esses métodos possam reduzir o débito de bits necessário, a qualidade pode ser degradada de forma significativa. Nesta aula vão ser apresentadas técnicas que conseguem um desempenho melhor de compressão (boa qualidade com baixo débito de bits) removendo as redundâncias do sinal áudio. As três redundâncias mais importantes estão apresentadas no slide. Redundância estatística – As amostras áudio não têm igual probabilidade de ocorrência o que resulta numa redundância estatística. Se se atribuir maior número de bits a valores menos frequentes compacta-se a informação. Redundância temporal – O sinal áudio varia no tempo. Contudo há muitas vezes uma correlação forte entre valores de amostras vizinhos que é removida tipicamente com técnicas como codificação preditiva ou codificação de transformada. Redundância de conhecimento: Quando o sinal a ser codificado é de âmbito limitado, pode ser associado conhecimento tanto ao codificador como ao descodificador. Nesse caso, o codificador precisa apenas de enviar a informação necessária para a descodificação. Um exemplo é a utilização de MIDI para o som produzido por uma orquestra. Para além dessas técnicas, pode-se explorar as propriedades do sistema de audição humano para aumentar a qualidade subjectiva do sinal de áudio. Neste capítulo, vão ser apresentadas diversas técnicas de compressão áudio que exploram essas redundâncias. Ao contrário de de dados de texto que usa tipicamente compressão sem perdas, o sinal áudio é compactado com perdas. Uma introdução breve da teoria da taxa de distorção para a codificação sem perdas é apresentada a seguir.

Função Taxa de Distorção
Teorema de Shannon para codificação da fonte sem erros Limite na compressão sem erros Fontes áudio naturais Compressão sem perdas máxima 2:1 Compressão com perdas usada na prática Obtenção de maior razão de compressão.

Função Taxa de Distorção
Codificador simples Débito D(dm) Codificador complexo Limite da teoria da informação distorção dm Dado um vector fonte aleatório S, o objectivo da codificação com perdas é conceber um codificador que opera a um dado débito e minimiza a distorção média dada na equação acima. O vecto d(S,^S) representa a distorção entre o sinal original e o reconstruído. R(dm) é o valor mínimo desta informação sobre todas distribuições de transições com uma distorção média dm. A teorema de codificações de fontes de Shannon estabelece que para uma dada distorção dm, existe uma função débito-distorção correspondente a uma fonte de informação, que é o débito mínimo necessário para transmitir sinais provenientes dessa fonte com distorção igual (ou inferior) a dm. A importância do teorema acima é que ele apresenta um limite para o desempenho dum codificador. O teorema estabelece que não há codificadores, independente da sua forma ou complexidade que possa produzir uma distorção inferior a dm a um débito médio de R(dm), mas que é possível conceber um codificador com uma distorção dm com um débito o mais perto possível de R(dm). Pode-se mostrar que R(dm) é uma função convexa, contínua e estritamente decrescente de dm. Uma curva típica é mostrada na figura acima. Este função é um limite teórico a que pode ser aproximado assimtoticamente com o aumento o número de amostras mas não pode ser conseguido na prática. Contudo constitui uma boa referência de avaliação (benchmark) para os sistemas de codificação.

Redundância Estatística
Compressão de Texto Métodos de compressão eficientes baseados na entropia Pode-se usar a mesma abordagem na compressão de áudio

Exemplo 7.2 Considere um sistema de aquisição áudio que tem amostras de áudio mono com resolução de 3 bits com níveis entre 0 e 7. O número de ocorrências para os oito níveis foram [700,900,1500,3000,1700,1100,800,300] Calcule e desenhe a função densidade de probabilidade para cada símbolo Calcule a entropia da fonte O probabilidade de ocorrência de cada nível nas amostras e dada por P[0]= 700/10000= 0.07,P[1]= 0.09, P[2]= 0.15, P[3]=0.30, P[4]=0.17, P[5]=0.11, P[6]=0.08, P[7]=0.03 A entropia é H=-(o.07log log log0.03)=1.88 bits/amostra ( logaritmo na base 2)

Solução p[0] = 700/10000 = 0.07 p[1] = 900/10000 = 0.09 p[2] = 1500/10000 = 0.15 p[3] = 3000/10000 = 0.30 p[4] = 1700/10000 = 0.17 p[5] = 1100/10000 = 0.11 p[6] = 800/10000 = 0.08 p[7] = 300/10000 = 0.03

Sinal chord.wav Fig. 7.3,pag.149 Fig. 4.14(a)
O sinal foi quantificado a 8 bits/amostra, a gama dinâmica dos valores do sinal ficou entre [-128,127]. A função densidade de probabilidade dos valores amostrados está na figura 7.3. A entropia do sinal é 3.95 bits/amostra. Como resultado uma aplicação directa da codificação baseada na entropia sem perdas produzirá uma relação de compressão de 2:1.

Redundância Estatística
O método de codificação baseado na entropia Não consegue altos níveis de compressão para a maioria dos sinais áudio Mas disponibiliza bom desempenho quando aplicado a coeficientes de transformada Norma MPEG-1 utiliza codificação baseada na entropia

Codificação MU-LAW g h h* g* Quantificador Uniforme
Como foi observado na Fig. 7.3, a maioria das amostras áudio têm valores perto de zero. Nesse caso, foi usada a quantificação uniforme para obter as amostras, que não é muito eficiente uma vez que os valores (que ocorrem muito frequentemente) são quantificados com o mesmo passo de degrau que é usado para quantificar amostras de amplitudes maiores. Com uma quantificação não uniforme que quantifique os valores que ocorrem frequentemente de forma mais precisa que os outros. Contudo, conceber um quantificador não uniforme pode ser um processo tedioso. Um desempenho aproximado da quantificação não uniforme pode ser obtido com uma transformação não linear (conhecido como compading). Aqui o sinal passa por um processo duma transformação não linear fixa como mostrado na figura do slide. Uma qunatificação uniforme é então aplicada ao sinal transformado e os valores de amostra digitalizados são armazenados. Durante a reprodução do sinal, o sinal é desquantificado e sofre a transformação não linear inversa, conhecida como expansão. É obtido o áudio original, conjuntamente com algum ruído de quantificação. A concretização deste sistema é mais simples que a de um sistema não linear.

Codificação MU-LAW Caratcterísticas de E/S com
Os sistemas telefónicos na América do Norte usam a compressão e expansão, que conhecido como codificação mu-law. A relação E/S para o compressor é a seguinte: Onde g e h são a entrada e a saída do compressorr, respectivamente. Depois da quantificação , o sinal de saída pode ser usando a relação inversa que é dada por g*

Exemplo 7.3 Considere o sinal áudio chord. Quantifique o sinal uniformemente com 8 bits, utilizando a compressão com mu=255. Expanda o sinal e calcule a relação sinal-ruído (SNR). Compare a SNR com a obtida com o exemplo 4.6 Quando o sinal de áudio é quantificado com compressão, o SNR obtido é 44 dB. No exemplo 4.6 o SNR correspondente a 8 bits/amostra foi 32 dB. Assim, nesta experiência com o compressão o ganho foi de aproximadamente 12 dBs. Estudos relevam que um ganho na gama dos 25 dBs é geralmente conseguido para sinais telefónicos. Por outras palavras, mesmo mesmo quantificando com 8 bits/amostra, a qualidade efectiva com o compressão comparável à utilização de 12 bits com quantificação uniforme. Os sistemas de telefone europeus usam um esquema ligeiramente diferente conhecido como codificador A-law.

Redundância Temporal Na amostragem áudio com PCM (Pulse Code Modulation) as amostras são codificadas de forma independente. A maioria dos sinais áudio exibem uma correlação forte entre sinais vizinhos. Isto é especialmente verdadeiro se o sinal for amostrado acimda da frequência de Nyquist. Isto é mostrado na figura 7.6, que mostra o sinal com base nas amostras do sinal áudio da Fig. 4.14(a). Pode-se observar que as amostras vizinhas estão razoavelmente bem correlacionadas. Portanto o valor dum sinal áudio em qualquer instância de tempo pode ser predito pelos valores do sinal no intsnate k-m em que m é um inteiro pequeno. Esta propriedade pode ser explorada para conseguir uma razão de compressão de 2 a 4 sem degradar significativamente a qualidade do sinal áudio. O DPCM (differential pulse code modulation) é uma técnica simples mas efectiva nesta categoria e é apresentada a seguir.

Exercício (de FT) Suponha que na amostragem dum sinal áudio obteve a seguinte sequência de valores reais 2.3,2.1,3.2,1.2,1.3,2.3,2.5,3.2,3.8,2.52.0,1.4,1.2,1.2,1.0,0.8,0.6,0.0,-0.3,-0.5,-0.8,-1.2,-1.5,-1.7,-1.9,-2.2,-2.5,-2.7,-2.9,-3.1,-3.9 Quantize esta sequência dividindo o intervalo [-4,4] em 32 níveis igualmente distribuídos (coloque o nível 0 a -4.0, o nível 1 a-3.75, etc…). Assuma que os valores na gama [-4,-3.75) correspondem à saída -4(que corresponde ao nível 0 do quantizador) os valores da gama [-3.75,-3.5) correspondem à saída (nível do quantizador), etc… Observe que os intervalos são abertos à direita o que significa que o -4 está incluído mas o não está incluído no nível 0. Escreva a sequência quantizada . Codifique-a usando o PCM. Quantos bits precisa para transmiti-la? Codifique a sequência usando o PCM mas usando apenas as diferenças. Qual o valor máximo e mínimo entre amostras sucessivas? Quantos bits precisa para transmitir a sequência?

DPCM Differential Pulse Code Modulation
No DPCM Uma amostra áudio é prevista com base nas amostras anteriores O valor previsto é aproximado mas diferente do valor da amostra Fórmula usada pela técnica LPC(Linear Preditive Coding) Onde S’n-i é a amostra reconstruída na instância prévia à distância i e alfai i=1,..,M são os coeficientes do previsor de ordem M. O erro da previsão é en.

Codificador DPCM Esquema simplificado
Áudio original Codificador Quantificador Áudio Compactado Previsor

Descodificador DPCM Esquema simplificado
Áudio Reconstruído Descodificador Áudio Compactado Previsor

DPCM No sentido de obter uma boa previsão, os coeficientes do previsor devem ser escolhidos adequadamente para minimizar a variância da energia erro da sequência en. O conjunto de coeficientes LPC óptimos alfa-opt podem ser obtidos resolvendo o conjunto de equações simultâneas apresentada no slide.

Exemplo 7.4 Considere o sinal áudio chord. Determine o conjunto óptimo de coeficientes de previsão de 1ª,2ª e 3ª ordem. A função normalizada da função de auto-correlação do sinal chord é o seguinte: R=[ ] Predictores de 1ª ordem da equação do slide anterior R(0)alfa1=R(1). Assim alfa1=R(1)/R(0)= 0.97. Predictores de segunda ordem Preditores de 3ª ordem O primeiro preditor produz um erro de energia de 2.79, enquanto o segundo um de 0.25.

Erros de previsão Para verificar a validade dos coeficientes óptimos, os erros de energia totais são calculados na vizinhança dos coeficientes óptimos e são mostrados na figura 7.8. Pode-se observar que os preditores de 1ª ordem fornecem o menor erro de energia.No caso dos predictores de 2da ordem, observa-se que o erro da energia é mínima (ou bastante próxima) para um grande número de coeficientes. Esses coeficientes geralmente seguem a relação alfa1+alfa2= Por outras palavras desde que as relações sejam satisfeitas, é de esperar uma boa predição.

DPCM Depois de obtida o erro da sequência en
É codificado para reconstruir o sinal perfeitamente Na codificação com perdas uma qualidade de reconstrução razoável é aceitável A quantificação é a única operação na codificação DPCM que introduz ruído

Exemplo 7.5 As 4 primeiras amostras duma sequência digital áudio são [70,75,80,82,...]. São necessários no mínimo 7 bits para codificar cada uma das amostras. As amostras áudio são codificadas usando o DPCM usando o previsor de primeira ordem. Os coeficientes de erro de predição são quantificados por 2 e arredondados para o próximo inteiro e armazenados sem perdas. Determine o número aproximado de bits necessários para representar cada amostra e o erro reconstruído em cada instância de amostra.

Codificação DPCM vários passos para a sequência [70,75,80,82,...]
Instâncias de amostras 1 2 3 Sinal original 70 75 80 82 Erro do sinal =7.4 =6.4 =4.8 Erro do sinal quantificado 7.1/2=4 6.4/2=3 4.8/2=2 Erro reconstruído 4*2=8 3*2=6 2*2=4 Sinal reconstruído 67.9+8=75.9 73.6+6= 79.6 77.2+4= 81.2 Sinal previsto para próxima amostra 70*0.97=67.9 75.9*0.97=73.6 79.6*0.97=77.2 81.2*0.97=78.8 Erro de reconstrução -0.9 0.4 0.8 Nº de bits necessários 7 Os vários passos nas diferentes instâncias das amostras são mostrados na tabela. Observa-se que a primeira amostra é codificada como amostra de referência. Para a segunda amostra em diante é usada a predição. Com um pequeno passo de quantificação de 2,, o erro de reconstrução é muito pequeno (magnitude inferior a 1) e tolerável. Contudo o número de bits necessário para codificar o erro de quantificação é significativamente reduzido (3,2 e 2 bits para codificar os erros preditos das amostras 2, 3 e 4 respectivamente).

Codecs de Fonte Unificam o sinal de entrada com um modelo matemático
Modelo de Filtro predictivo linear do aparelho vocal Flag Voz/Sem voz para a excitação É enviada informação em vez do sinal Baixos débitos de bits mas sons sintéticos Débitos maiores não melhoram muito

Codecs de Fonte Construir um modelo básico para voz
Implementá-lo no TX e no RX Durante a codificação determinar os parâmetros do modelo para ajustá-lo ao sinal de entrada Determinar a excitação Apenas dois estados de excitação :Ruído branco (sem voz) e Trem de pulsos (voz) Transmitir a excitação & parâmetros

Codecs da Fonte O receptor reproduz a voz com os parametros recebidos e a excitação A taxa de bits é baixa 2.4 kbit/s Qualidade bastante longe do som natural

Codecs Híbridos Tenta combinar as vantagens dos codecs de forma de onda e os codecs fonte  Baixa taxa de bits & Alta qualidade Os mesmos princípios que os codecs de fonte mas Múltiplos estados de excitação Minimiza erros entre voz gerada e voz de entrada Usa quadros (frames) de 20 ms

www-mobile.ecs.soton.ac.uk

Componentes VOIP Terminal
Um sistema final onde terminam comunicações e as suas cadeias de dados (media). Telefone hardware ou software, Videofone Há uns concebidos para uso por pessoas e outros para resposta automática Tem atribuído um endereço IP Podem ser usados vários terminais no mesmo IP mas são independentes Na maior parte das vezes um terminal pode ter mais que um endereço que são usados para o chamar… Se forem usados servidores de Telefone IP os terminais registam-se. A terminal is a communication endpoint that terminates calls and their media streams. Most commonly, this is either a hardware or a software telephone or videophone, possibly enhanced with data capabilities.There are terminals that are intended for user interaction and others that are automated, e.g., answering machines. An IP Telephony terminal is located on at least one IP address.There may well be multiple terminals on the same IP address but they are treated independently. Most of the time, a terminal has been assigned one or more addresses (see Section 2.1.5), which others will use to dial to it. If IP Telephony servers are used, a terminal registers the addresses with its server.

Telefones VoIP Escolhas possíveis: Telefone Hardware Telefone software
Adaptador de telefone analógico

Skype Aplicação VOIP mais popular
Chamadas gratuitas para outros utilizadores Skype Chamadas baratas (~ ?/min) para fixos e móveis Várias funcionalidades adicionais

Componentes VOIP Servidores
Podem também fornecer mecanismos adicionais de encaminhamento de chamadas São também responsáveis pela autenticação de registos, autorização dos participantes nas chamadas e elaboração de contabilização

Componentes VOIP Gateway
São terminais de telefone que facilitam a comunicação entre sistemas terminais que não inter-operam Tradução de protocolos de sinalização SIP e ISDN Tradução entre endereços de rede diferente IPv6/IPv4 Tradução entre Codecs Podem acumular várias destas funcionalidades Gateways VOIP/PBX é fácil Entre diferentes protocolos VOIP já é mais complicado

Componentes VOIP Pontes de Conferência
Fornecem meios para ter conferência multiponto ad hoc ou previamente programadas Têm requisitos muito elevados de recursos Servidores dedicados Hardware especial para media

Componentes VOIP Endereçamento
O utilizador precisa de se identificar a si próprio e destinatário da chamada Idealmente Identificador deve ser independente da localização do utilizador Deve ser a rede a localizar o utilizador Um utilizador deve ser identificado de vários formas

Rede Telefónica normal Números E.164 Ex: Ao discar o + é substituído por 00 seguido o código de país e número do assinante Inicialmente na telefonia IP usava-se o endereço IP Difícil de memorizar Dependente da localização física

Actualmente URIs (RFC 2396) Números (E.164) URIs Usa um espaço de nomes registado para descrever um recurso duma forma independente da localização Endereços Idenficadores SIP e H.323

ENUM ENUM é um protocolo definido pelo RFC 2916, que tem como objectivo traduzir números E.164 em nomes de de domínio Internet O ENUM permite o uso de números de telefone tradicionais num contexto de diferentes meios de comunicação nomeadamente os resultantes do desenvolvimento das Redes IP ( , VOIP) facilitando a penetração das novas aplicações no mercado

O objectivo do ENUM Correspondência entre números de telefone no mundo
Permite a qualquer dispositivo IP estabelecer quando um número de telefone está descrito por um endereço de ponto de serviço IP E … qual é o ponto de serviço Internet preferido actualmente E .. Que endereço IP, protocolo, numero de porta e endereço de aplicação deve ser usado para contactar o ponto de serviço preferido

O que é o ENUM? ENUM é parte da extensão da RTC na Internet
ENUM é definida pelo IETF e traduz qualquer número E164 number em pontos de serviço Internet; [RFC 2916, September 2000] Define o uso de RRs do DNS para estabelecer a correspondência para uma colecção de endereços de serviço incluindo: endereços SIP / H.323 VOIP servidores IP FAX servidores Voice Mail serviços PSTN (redirect)

Porquê o ENUM? Cada central VOIP é uma rede terminal ligada à RTC
Cada gateway duma central VOIP tem que usar a RTC para chegar a outros terminais VOIP = Tem que se pagar à mesma aos operadores de telecomunicações ENUM é uma forma de ligar as ilhas VOIP no mar da RTC ENUM permite que cadal gateway duma central VOIP descobrir outros gateways VOIP se necessário Terminais VOIP podem chamar outros terminais VOIP sem recorrer à RTC = Evita-se pagar às operadoras de telecomunicações As funcionalidades disponibilizadas para chamadas originadas na RTC não são muito claras no ENUM

O mundo do multi-Gateway VOIP
A RTC é usada como rede inter-VOIP Implicações óbvias nos custos a pagar às operadoras de telecomunicações Implicações mais subtis para as redes VOIP privadas extendidas PSTN Internet

VOIP + ENUM = PSTN Bypass
Como pode ser encontrado o gateway VOIP de forma dinâmica? Pode um número de telefone ser atingível através dum dispositivo Internet? Se sim, qual é o endereço de serviço Internet? PSTN Internet

Como funciona o ENUM? Um gateway ENUM VOIP Gateway consulta primeiro o DNS para verificar se o número discado é atingivel através dum serviço A resposta do DNS é uma colecção ordenada de URIs (NAPTR records) Se há uma resposta, o gateway selecciona o serviço preferido para completar a chamada DNS Resolver 3. DNS URI response 1. 2. tel: 3. tel: A minha preferência para chamadas de voz é: Tente estabelecer uma chamada VOIP para o meu servidor sip, depois o telefone móvel e a seguir o fixo. 2. Gateway DNS Query e164.arpa 1. Dial: Gateway 4. SIP call to IP Phone

Qual é o potencial do ENUM?
ENUM pode também fazer uma correspondência dum número de telefone para um endereço de , endereço web, ou qq outra forma de endereço, especificada por um URL ENUM tem como objectivo potenciar a reciclagem dos números de telefone com identificadores de serviço Internet Permite o uso dum número de telefone tradicional num meio de comunicação diferente como por exemplo endereço de , mensagem instantânea, páginas web pessoais e pode facilitar a penetração de novas aplicações no mercado Uma pessoa, um número, múltiplos serviços

E.164 como identificador universal?
fax: tel: ENUM Use this number for any service:

ENUM: mais informação O RFC Cap. 7 do cookbook

Protocolos para VOIP

Ligação da Rede IP à RTC Que problemas se colocam?
Que componentes e protocolos são necessários? Como suportar a voz na rede IP? A rede IP é adequada?

Ligação da Rede IP à RTC Identificação dos utilizadores
Conversão de identificadores Sinalização da chamada Protocolos de sinalização Transferência dos média Conversão de média Transporte : TCP vs UDP Conferências IP Multicast …

Protocolos e Normas Q.931 (also called Q931) is a signaling protocol for Integrated Services Digital Network (ISDN) communications that is used in voice over IP (VoIP). The Q.931 protocol is involved in the setup and termination of connections. Q.931 is used to transmit and receive call signaling messages according to the H.225 protocol for digital telephone services. The messages in Q.931 include setup (a signal indicating the establishment of a connection), call-proceeding (a signal indicating that the call is being processed by the destination terminal), ring-alert (a signal that tells the calling party that the destination set is ringing), connect (a signal sent back to the source indicating that the intended destination phone set has received the call), and release/complete (a signal sent by either the source or the destination indicating that the call is to be terminated).

Protocolos e Normas (contd.)
Realtime Transport Protocol (RTP) Realtime Transport Protocol is a data tranfer protocol defined to deliver live media to one or more clients at the same time. It requires an RTP server to capture, compress, packetize, and transmit the data over a network in real time. The transport protocol used by RTSP streaming. Source: Sorenson User Guide RealTime Streaming Protocol (RTSP) RealTime Streaming Protocol is the standard used to transmit stored media to one or more clients at the same time. Provides client controls for random access to the content stream. Requires an RTSP server. RTSP uses RTP as the transport protocol. These protocols are used when webcasting. They allow for a signal (such as a radio transmission) to be fed and distributed across a network as it is received. Media Gateway Control Protocol (MGCP) is a protocol used within a Voice over IP system. MGCP is defined in an informational (non-standard) IETF document, RFC 3435, which obsoletes an earlier definition in RFC It superseded the Simple Gateway Control Protocol (SGCP). MGCP is an internal protocol used within a distributed system that can appear to the outside world as a single VoIP gateway. This system is composed of a Call Agent, and a set of gateways, including at least one "media gateway" that performs the conversion of media signals between circuits and packets, and at least one "signaling gateway" when connected to an SS7 controlled network.

Pilha de Protocolos H.323 Data Audio Signal Video Signal Presentation
Session Transport T.124 RTCP RAS RTP Supplementary Services T.125/T.122 H.450.3 H.450.2 H.450.1 T Generic Application Template Common structure for T.120 applications. T Multipoint Communication Service Service definition for T.123 networks (implemented in T.125). T Audiovisual Protocol Stacks Protocol stacks for terminals and MCUs. T Generic Conference Control Conference management (establish, terminate, etc.). T Multipoint Communication Service Protocol implementation of T.122. T Still Image & Annotation Protocol Whiteboards, graphic display and image exchange. T Multipoint Binary Transfer Protocol for exchanging binary files. T Audio Visual Control Interactive controls (routing, identification, remote control, source selection, etc.) T Realtime Architecture Interaction between T.120 and H.320. T Network Specific Mappings Transport of realtime data used with T.120 over LANs. T Realtime Link Management Creation and routing of realtime data streams. X.224 – Protocolo de transporte OSI H.235 X.224.0 Control UDP TCP H.245 H.225 Network IP Data Link Physical

Protocolos H.323 H.225 Covers narrow-band visual telephone services
H.225 Annex G H Security and authentication H Negotiates channel usage and capabilities H Series defines Supplementary Services for H.323 H Call Transfer supplementary service for H.323 H Call diversion supplementary service for H.323 H Call Hold supplementary service H Call Park supplementary service H Call Waiting supplementary service H Message Waiting Indication supplementary service H Calling Party Name Presentation supplementary service H Completion of Calls to Busy Subscribers supplementary service H Call Offer supplementary service H Call Intrusion supplementary service H ANF-CMN supplementary service H Video stream for transport using the real-time transport H Bitstream in the RTP Q.931manages call setup and termination RAS Manages registration, admission, status RTCP RTP Control protocol RTP Real-Time Transport T IP-based fax service maps T Multipoint Communication Service Protocol (MCS).

Arquitectura H.323

Desenvolvimento típico H.323

Protocolos A série de recomendações H.323 evolui do trabalho do ITU-T no videotelefone e conferência multimédia para RDIS até 2 Mbit/s na série H.320 O ITU-T trabalhou em comunicações similares sobre redes ATM (H.310, H.321) Na RTC analógica (H.324) Na então recém nascida Ethernet isócrona (H.322) A partir de 1995 começou a trabalhar em LANs com o IP como protocolo de nível de rede Problema da Qualidade de Seviço

Protocolos A versão inicial do H.323 foi aprovado pela ITU-T em Junho de 1996 Os problemas com o QoS atrasaram o processo até o 1998 H.323v2 e H.323v3 3m 1999 Incorporação de muitas novas funcionalidades para servir de base ao telefone sobre IP à escala global Muitos novos melhoramentos no H.323v4 em finais de 2000 Fiabilidade, escalabilidade, flexibilidade

H.323: Abrangência e componentes
Como foi estabelecido anteriormente a abrangência do H.323 cobre a comunicação multimédia em redes baseadas em IP com considerações significativas realativamente aos gateways para redes de comutação de circuitos (em particular para videotelefone RDIS e para RTC/RDIS/GSM para comunicação de voz). O H.323 define um número de componentes lógicos e funcionais como mostrados na figura - Terminal Os terminais são pontos finais com capacidade H.323, que podem ser concretizados em software ou como dispositvos (telefones). São atribuídos a eles um ou mais aliases é7ou números de telefone. - Gateway Os gatways interligam entidades H.323 (tal como terminais, MCUs ou outros gateways) para outros ambientes de rede ou protocolos (como a RTC). A eles é também atribuído um ou mais aliases enºs de telefone. O H.323 disponibiliza especificações detalhadas para interligação emtre o H.323 e o H.320, RDI/RTC e redes ATM. Trabalho recente especifica também o controlo e gateawys de média para redes de trunks telefónicos como o SS7/ISUP. - Gatekeeper É a entidade de gestão nuclear num ambiente H.323. É, entre outras coisas, responsa´vel pelo controlo de acessos, resolução de endereços e gestão de carga de rede H.323 e disponibiliza a possibilidade de concretizar algum tipo de políticas de acesso e utilização. Um ambiente H.323 está subdividido em zonas (que podem não estar congruentes com topologia da rede de uporte); cada zona é controlada por um gatekeeper primário (com gatekeepers de salvaguarda). Podem tam disponibilizar valor acrescentado como mostrado na figura: ponte de conferencia e outros serviços de cahamada complementares. Um Gatekeeper H.323 pode também ser equipado com a funcionalidade de proxy, que habilita o encaminhamento através do gatekeeper de tráfego RTP (áudio e vídeo) e tráfego T.120 (dados), de forma a que não haja tráfego directamente trocados entre pontos terminais. Pode ser considerado como gateway IP-IP que pode ser usado para efeitos de segurança e QoS. - Multipoint Controller (MC) Um controlador multiponto é uma entidade lógica que interliga a sinalização de chamada e os canais de controlo de conferência de duas ou mais entidades H.323 numa topologia em estrela. As MCs coordenam os aspectos de controlo da troca de média de todas entidades envolvidas numa conferência. Também disponibilizam pontos terminais com lista de participantes, exercem controlo de andar, etc. MCs podem ser embebidos em qualquer entidade H.32 (terminais, gateaways, gatekeepers) ou implementados com entidades islodas, Podem ser estruturados em cascata como espalhamento de conferências como MCs. Múltiplos. - Multipoint Processor (MP) Para conferencias multimponto com H.323, pode ser usado um processador multiponto (MP) opcional. O MP recebe cadeias de media de pontos terminais individuais, combina-os usando uma técnica de mistura/comutação e transmite o resultado de volta para os pontos terminais, Multipoint Control Unit (MCU) No mundo H.323, um MCU é simplesmete uma combinação de um MP e um MC num simples dispositivo, O termo foi originado no mundo ISDN onde os MCUs são necessários para criar conferências multiponto a partir de conexões ponto a ponto. -

H.323: Protocolos de sinalização
O H.323 reside no topo dos protocolos Internet básicos (IP, IP Multicast,TCP, and UDP) numa forma similar aos protocolos IETF discutidos na próxima secção, e podem usar serviços integrados e diferenciados para além dos protocolos de reserva de recursos. Para a sinalização básica de chamada e controlo de interacção de conferência com o H.323, os supra citados componentes usando três protocolos de controlo: H Registration, Admission, and Status (RAS) O canal RAS é usado para comunicação entre pontos terminais H.323, o seu gatekeeper e algumas comuicações inter-gatekeeper. Os terminais usam o RAS para se registarem no seu gatekeeper, para pedir permissão para usarem os recursos do sistema, para terem endereços de sistema terminais remotos resolvidos, etc…Os gatekeepers usam o RAS para fazer o trace do estado dos sistemas terminais associados e para colectar informação acerca da utilização actual dos recursos depois da terminação da chamada. O RAS disponibiliza mecanismos para autenticação e autorização de chamadas para utilizadores e pontos terminais, H Call Signalling O canal de sinalização de chamada é usado para sinalizar a intenção de estabelecimento de chamada, sucesso, falha, etc bem como levar a cabo operações para serviços suplementares. As mensagens de sinalização de chamada foram derivadas da Q.931 (sinalização ISDN); No H.323 os procedimentos são mais simples e são usados apenas um subconjunto das mensagens. O canal de sinalização de chamada é usado fim a fim entre o chamador e o chamado e pode opcionalmente passar através de um ou mais gatekeepers. A partir da versão 3 o H.250 suporta os seguintes melhoramentos: Multiplas chamadas – para poder ter múltiplas chamadas numa única conexão TCP Conexão peristente – similar ao anterior, este melhoramento depois de uma chamada terminada permite reduzir a necessidade de abrir novas conexões TCP. Depois da última chamada terminada, o ponto terminal deve a manter a conexão TCP para disponibilizar um melhor tempo de estabelecimento para a chamada seguinte. O uso principal de ambos os melhoramentos é a comunicação entre servidores H.323v3(gatekeeper MCU) ou gateways. Enquanto ambos os mecanismos forem possíveis, começando com o H.323, as mensagens contêm campos para indicar o suporte dos mecanismos. - H.245 Conference Control O canal de controlo de conferência é usado para estabelecer chamada de 2 ou mais participantes. A sua funcionalidade inclui a determinação modos possíveis de transferência de média (seleccionar formatos para as partes compreenderem) e configurar as cadeias de média actuais (incluindo a troca de endereços de tarnsporte para enviar e receber as cadeias de média). O H.245 pode ser usado para transportar a entrada do utilizador (como o DTMF) e possibilita a transferência de média confidencial e define a sintaxe e a semântica para operação de conferências multiponto. Finalmente disponibiliza um conjunto de mensagens de manutençãoThe conference control

Descoberta do Gatekeeper e Registo
Um ponto terminal H.323 normalmente regista-se num gatekeepe que fornece serviços básicos como resolução de endereços para outros pontos terminais. Há duas possibilidades de encontrar um gatekeeper. - Descoberta Multicast O ponto terminal envia um gatekeeper request (GRQ) para um endereço multicast bem conhecido e porta O gatekeeper receptor pode confirmar a responsabilidade pelo ponto terminal (GCF) ou ignorar o pedido. - Configuração O ponto terminal conhece o endereço IP do gatekeeper por configuração manual. Embora não haja necessidade do gatekeeper request (GRQ) ser enviado para um gatekeeper pre-configurado, alguns produtos precisam deste passo do protocolo. Se receber um GRQ via unicast, tem que confirmar (GCF) ou rejeitar (GRJ) o pedido. Enquanto tenta descobrir o gatekeeper via multicast, o ponto terminal pode pedir a qq gatekeeper ou especificar o identificador do gatekeeper. Nesse caso só este último pode responder positivamente. Depois do ponto terminal ter descoberto a localização do gatekeeper, tenta registar-se (RRQ). Esse regitso inclui (entre outra informação): Os endereços do ponto terminal – podem ser usados identificadores ou números de telefone. Um ponto terminal pode ter mais que um endereço. Teoricamente é possível que um mesmo endereço pertença a vários utilizadores que o partilham (1 telefone para vários). Na prática isto depende da implementação dos telefones e do gatekeeper. Prefixos – se o ponto terminar a registar-se for um gateway ele pode registar prefixos em vez de endereços completos. Tempo de vida – um ponto terminal pode especificar quanto tempo vale o registo. O valor pode ser reescrito por políticas do gatekeeper. O gatekeeper verifica a informação dos pedidos e confirma os valores (que podem ser modificados) RCF. Ele pode também rejeitar um registo devido por exemplo a um endereço inválido. Em caso de confirmação, o gatekeeper atribui um identificador único ao ponto terminal que pode ser usado en pedidos subsequentes para indicar o ponto terminal continua registado.

Endereços e Registos H.323 suporta vários tipos de endereços Registos
Endereço numérico (RTC) Não inclui informação adicional (Plano de discagem) O servidor converte-o num endereço de entidade H.323-ids: Endereços tipo , URL-ID Ao contrário do SIP Um endereço registado por zona que resolve num ponto terminal Chamadas 1:n requerem um gatekeeper a expandir o endereço colectivo Registos Expiram após um tempo bem definido Mensagem de KeepAlive Registos aditivos Endereços e Registos O H.323 define e utiliza vários tipos de endereços. O mais comum é o endereço numérico, derivado do mundo RTC , que é definido como o número discado pelo ponto terminal. Não inclui informação adicional (sobre o plano de discagem) e precisa de ser interpretado pelo servidor. Este pode convertê-lo num número de entidade qu inclui informação a respeito do tipo de número e do plano de discagem In traditional telephony systems, a dial plan is a front end system that allows users to call each other by dialing a number on a telephone. In voice and videoconferencing over IP, a dial plan is a system that allows participants in point-to-point or multipoint conferences to call each other or join conferences. The RADVISION ECS Dial Plan provides "configuration tools" which allow network administrators to build am IP dial plan that suits the requirements of their organization and network. Para disponibilizar a discagem alfanumerica e de nomes, o H.323 suporta H.323-IDs que representam tanto nomes de utilizadores ou endereços tipo- , ou a abordagem mais genérica de URL-ID que representam qualquer tipo de URL. Ao contrário dos endereços SIP, um endereço H.323 pode ser apenas registado por um ponto terminal (por zona) de forma que uma chamada a esse endereço apenas resolve num único ponto terminal. Para chamar múltiplos destinos simultaneamente em H.323 requer um gatekeeper que faça a correspondência activa dum único endereço e tenta contactá-los na sequência, Actualização de Registos Um registo expira após um tempo bem definido e deve portanto ser refrescado. Para reduzir s sobrecarga de registos regulares, o H.323 suporta uma mensagem de KeepAlive de registo que inclui apenas o identificador de ponto terminal previamente atribuido, quando não há qualquer mudança de informação. Os pontos terminais que pretendem o registo dum grande número de endereços, que podem ultrapassar o tamanho do pacote UDP, podem usar um registo aditivo disponibilizado pelo H.323v4. Este mecanismo permite ao ponto terminal enviar múltiplos RRQ no qual os endereços não subsituem os existentes mas são submetidos adicionalmente.

Modelos de Sinalização
Sinalização Directa Sinalização de chamada via gatekeeper Controlo H.245,RAS H.225 e H.225 via Gatekeeper As mensagens de sinalização de chamadas e as mensagens de controlo H.245 podem ser trocadas quer directamente entre chamador e chamado ou através dum gatekeeper. Dependendo do papel desempenhado pelo gatekeeper na sinalização de chamada e na sinalização H.245, a especificação H.323 apresentam três tipos de modelo de sinalaização - Sinalização directa Neste modelo de sinalização, apenas as mensagens RAS H.225 são encaminhadas através do gatekeeper enquanto as mensagens de outros canais lógicos são trocadas directamente entre os pontos terminais. Sinalização de chamada via Gatekeeper Como este modelo de sinalização, as mensagens de sinalização de chamada H RAS e H são encaminhadas através do GateKeeper; as mensagens de controlo de conferência H.245 são trocadas directamente entre os dois pontos terminais. Controlo H.245, H.225 RAS e H.225 encaminhadas via Gatekeeper Todas as mensagens de sinalização de chamada e mensagens de controlo de conferência H.245 são enviadas através do gatekeeper, enquanto apenas os streams de media são trocados entre os dois pontos terminais. Nos acetatos seguintes vamos detalhar cada um dos modelos de sinalização. As figuras apresentadas aplicam-se em contextos dum único gatekepeer ou uma rede de gatekeeper. Uma vez que o modelo de sinalização é decidido pela configuração dos pontos terminais e gatekeeper e aplica-se a todas mensagens que o gatekeeper manipula, as extensões a um ambiente com múltiplos gatekeeper são directas (simplesmente aplicando-se o modelo de sinalização adequado) com excepção para as entidades fora da zona (descritos mais tarde numa secção para o efeito). A troca de mensagens não são reportadas em qualquer das figuras seguintes uma vez que são concebidas para ficar confinados ao ambiente onde é descito o gatekeeper H.323. Não há qualquer indicação sobre a terminação de chamada na descrição de cada modelo de sinalização. Isto será apresentado na secção sobre fases de comunicação.

Sinalização Directa A sinalização directa está descrita na figura. Neste modelo, a sinalização de chamada H.225 e as mensagens de controlo de conferência H.245 são trocadas directamente entre terminais. Como é mostrado na figura, a comunicação começa com uma mensagem ARQ (Admission ReQuest) enviada pela entidade chamadora (que pode ser um terminal ou gateway) para o gatekeeper. A mensagem ARQ é usada pelo ponto terminal para requerer acesso à rede de pacotes ao gatekeeper, que pode ser obtido com um ACF (Admission ConFirm) ou rejeitadp com um ARJ (Admission ReJect). Se se receber um ARJ a chamada é terminada. Depois deste primeiro passo a parte de sinalização da chamada começa com uma mensagem de SETUP da entidade chamadora para a entidade chamada. O endereço de transporte da mensagem de SETUP ( e de todas as mensagens de sinalização de chamada ) é obtida pela entidade chamadora do campo destCallSignalAddress transportado no ACF recebido. No caso do modelo de sinalização directa, trata.se do enedereço do terminal destinatário. Após a recepção da mensagem de SETUP, a entidade chamada começa o seu procedimento H.225.0 RAS com o gatekeeper. Em caso de sucesso, uma mensagem CONNECT e enviada como resposta à entidade chamadora para indicar a aceitação da chamada. Antes de enviar a mensagem CONNECT, duas outras mensagens podem ser enviadas à entidade chamadora (essas duas mensagens não descriptas na figura são apenas as mandatórias): Mensagem ALERTING :Esta mensagem pode ser enviada pelo utilizador chamado para indicar que o utilizador chamado que o alerta foi activado (em termos mais simples a campainha está a tocar). Mensagem CALL PROCEEDING : Esta mensagem pode ser enviada pelo utilizador chamado para indicar que começou o procedimento de estabelecimento de chamada e não vai ser aceite mais informação de estabelecimento de chamada. A mensagem CONNCET fecha a parte de sinalização de chamada H.225 e faz os terminais iniciar o controlo de conferência H Neste modo de chamada, as mensagens de controlo de conferência H.245 são trocadas directamente entre os dois pontos terminais. ( o ‘h245Address’ é obitido da mensagem de CONNECT). Os procedimentos iniciados no canal de controlo de conferência são usados para: Permitir a troca de de informação audiovisual e dados, com mensagens TERMINAL CAPABILITY Permitir a transmissão dum modo particular audiovisual e dados, com as mensagens LOGICALCHANNEL SIGNALLING; Gerir canais lógicos usados para transmitir informação audiovisual e dados Estabecer que terminal é o master e qual o slave para propósitos de gestão de canais lógicos com mensagens MASTER SLAVE DETERMINATION Transportar vários sinais de controlo e indicação Controlar o débito de bits dos canais lógicos individuais e o todo multiplexado, com mensagens MULTIPLEX TABLE SIGNALLING; -Medir o atraso round trip, de um terminal para outro e o contrário com as mensagens ROUND TRIP DELAY. Uma vez trocadas as mensagens de controlo de conferência H.245 os dois pontos terminais têm a informação necessária para trocar as streams de media.

Sinalização via gatekeeper
O modelo de sinalização via gatekeeper é descrito na figura. Neste modelo as mesagens de controlo de conferência H.245 são trocadas directamente entre as entidades chamadora e chamada. Para cada chamada, a comunicação começa uma mensagem ARQ (Admission ReQuest) enviada pelo chamador ao gatekeeper. Como é mostrado na figura, a comunicação começa com uma mensagem ARQ (Admission ReQuest) enviada pela entidade chamadora (que pode ser um terminal ou gateway) para o gatekeeper. A mensagem ARQ é usada pelo ponto terminal para requerer acesso à rede de pacotes ao gatekeeper, que pode ser obtido com um ACF (Admission ConFirm) ou rejeitadp com um ARJ (Admission ReJect). Depois deste primeiro passo, a sinalização de chamada começa com uma mensagem de SETUP do chamador para o gatekeeper. O endereço de transporte da mensagem de SETUP (e de todas as mensagens de sinalização de chamada H.225) é obida pela parte chamadaora do campo destCallSignalAddress, transportado dentro da mensagem ACF recebida. No caso do modelo de sinalização via gatekeeper, é o próprio endereço da gatekeeper. A mensagem de SETUP é então enviada pelo gatekeeper (ou pela rede de gatekeepers) para o terminal chamado. Após e mensagem de SETUP, a parte chamada começa o procedimento H RAS com o seu gatekeeper. Se bem sucedido, é enviada uma mensagem de CONNECT para indicar a aceitação da chamada. Por causa do modelo, a mansagem é também enviada ao gatekeeper do chamador que está encarregado de o enviar para o terminal chamador. Ntes do envio da mensagem CONNEC, podem ser opcionalmente enviadas para o gatekeeper Mensagem ALERTING :Esta mensagem pode ser enviada pelo utilizador chamado para indicar que o utilizador chamado que o alerta foi activado (em termos mais simples a campainha está a tocar). Mensagem CALL PROCEEDING : Esta mensagem pode ser enviada pelo utilizador chamado para indicar que começou o procedimento de estabelecimento de chamada e não vai ser aceite mais informação de estabelecimento de chamada. As duas mensagens opcionais listadas acima são então encaminhadas pelo gatekeeper (ou pela rede de gatekeepers) para a entidade chamadora. Depois de receber a mensagem CONNECT, a entidade chamadora começa os procedimentos de controlo de conferência H.245 directamente com a entidade chamada (o endereço h245Address é obtida da mensagem CONNECT). A cobertura do controlo de conferência é a mesma que a já detalhada no modelo anterior.

Sinalização controlada por H.245
Neste modelo, apenas as streams de media são trocadas directamente entre os terminais de chamada. O processo é o mesmo que nos casos anteriores com excepção que todas as mensagens são trocadas via gatekeeper.

Fases de uma comunicação H.323
Estabelecimento de chamada Comunicação inicial e troca de funcionalidades Estabelecimento da comunicação audiovisual Serviços de chamada Terminação de chamada Numa comunicação H.323 a comunicação pode ser identicada em 5 diferentes fases.

Estabelecimento de chamada
Pode ter as seguintes realizações Básica com 2 terminais não registados Comunicação directa 2 terminais registados no mesmo gatekeeper Só o terminal chamador tem gatekeeper Só o terminal chamado tem gatekeeper Ambos os terminais têm gatekeepers diferentes Comportamento do terminal depende da configuração do modelo de sinalização A recomendação H define as mensagens e procedimentos de estabelecimento de chamada. A recomendação recomenda que os pedidos de reserva de largura de banda devem ter lugar o mais cedo possível, Ao contrário de outros protocolos, não há sincronização explícita entre os dois pontos terminais durante o procedimento de estabelecimento de chamada (2 pontos terminais podem enviar um ao outro a mensagem de SETUP ao mesmo tempo). Acções para resolver os problemas de sincronização quando da troca de mensagens de SETP são resolvidos pela aplicação. As aplicações que não suportam chamadas simultâneas devem enviar o sinal de ocupado, enquanto as outras devem fazê-lo apenas para o mesmo ponto terminal donde estão à espera da resposta de SETUP. Para além disso um pomto terminal deve ser capaz de enviar uma mensagem ALERTING , que significam que a entidade chamada foi altertada para a chegada de uma chamada (a campainha tocou). Apenas o ponto terminal último origina uma mensagem de ALERTING depois de avisar o utilizador. Se estiver envolvido um gateway ele envia a mensagem de ALERTING quando a recebe a indicação da Rede de Comutação de Circuitos. O envio da mensagem de alerta não é necessária quando o ponto terminal pode resonder ao SETUP com um CONNECT, CAKK PROCEEDING ou RELEASE COMPLETE em 4 segundos. Depois de pbem sucedido o envio duma mensagem de SETUP o ponto terminal um ponto terminal pode esperar receber um ALERTING, CONNECT,CALL PROCEEDING, ou RELEASE COMPLETE 4 segundos depois duma transmissão bem sucedida. Finalmenye para manter a consistência do significado de CONNECT entre as redes de comunicação de pacotes e de circuitos a mensagem de connect deve ser apenas enviada se for certo que a troca de funcionalidades vai ser bem sucedida e que haverá possibilidade dum nível mínimo de comunicações.

Gatekeeper A Gatekeeper B Terminal A Terminal B

Utilização do FAST CONNECT Acelera o estabelecimento duma chamada ponto-a-ponto Apenas num RTT É usado se a entidade chamadora tiver este elemento activo Connect Permite abrir imediatamente os canais de média Senão for usado o FAST Connect é necessário usar as mensagens H.245 para troca de capacidades e abertura dos canais de média Fast connect permite mais informação para o estabelecimento de gateways H.323/SIP

Call Set-up H.323

Comunicação inicial e troca de funcionalidades
Canal de controlo H.245 Usado para troca de funcionalidades e abrir canais de media Aberto a seguir ao CONNECT, ALERTING, CALL PROCEEDING ou RELEASE COMPLETE Mensagem TERMINALCAPABILITYSET MASTERSLAVEDETERMINATION(ACK) Encapsulado em mensagens H.225

Comunicação Audiovisual
Aberta usando procedimentos H.245 Aberto 1 canal lógico por stream de informação Áudio e Vídeo sobre transporte não fiável Dados sobre transporte fiável

Comunicação Audiovisual

Serviços de Chamada Serviços invocados pelo terminal quando a chamada está activa Bandwidth Change Services Supplementary Services

Terminação de chamada Feita pelo ponto terminal ou gatekeeper
A terminação dos média (áudio, vídeo, dados) só quando os canais estão fechados H.245 ENDSESSIONCOMMAND Se recebida de volta é fechado o canal de controlo H.245 Deve ser enviada uma mensagem RELEASE COMPLETE para fechar o canal de sinalização Terminar a chamada não significa terminar uma conferência É necessária uma mensagem H.245 DROPCONFERENCE enviada pelo MC

Terminação de Chamada Terminador sem gatekeeper
Terminador com gatekeeper Gatekeeper precisa de ser informado da terminação Terminal->Gatekeeper: Disengage Request (DRQ) Gatekeeper->Terminal: Disengange Confirm (DCF) Feita pelo gatekeeper Gatekeeper->Terminal: Disengage Request (DRQ) Terminal ->….: Release Complete Terminal->Gatekeeper: Disengage Confirm (DRQ)

Localização de Terminais fora de Zona
LOCATION REQUEST (LRQ) Unicast ou Multicast Pode envolver uma rede gatekeepers LOCACTION CONFIRM (LCF) TSAP: IP+Nº Porta

Exemplo de Chamada (1)Permissão para Chamar B
(2) Confirmação e Endereço (3) Est.Canal de Sinalização (4)Determinação de Localização e Reencaminhamento de pedido (6,7) Confirmação de permissão de aceitação (8) Indicação de Alerta ou Chamada estabelecida

Serviços de chamada adicionais
Conferência Suporta conferências fechadas Controlo de acesso Gestor de Conferência MC+MP: sincronização da conferência Conferência em difusão Suporte de conferências abertas tipo MBONE Serviços suplementares Transferência de chamada Chamadas em espera (com mensagem) ….

Segurança H.235 Autenticação Integridade Privacidade
Password, Assinaturas digitais Integridade Geração de verificações de mensagem via password Privacidade Para cifragem dos média DES, Triple DES ou RC2

Sinalização: SIP Session Initiation Protocol Entidades
Protocolo Multimédia que tira partido do modelo iInternet para construir redes e aplicações VOIP com base numa arquitectura distribuída Entidades Agente do Utilizador Gateways Servidor Proxy Servidor Redirect Servidor Registrar Protocolos (RFC 2543 v1, RFC 3261 v2) SDP ( Session Definition Protocol ) URLs DNSs TRIP ( Telephony Routing Over IP)

SIP (Session Initiation Protocol)
Protocolo de controlo ao nível de aplicação que pode estabelecer, modificar e terminar sessões e chamadas multimédia. Essas sessões multimédia incluem conferências multimédia ensino à distância telefone sobre IP O SIP pode envolver pessoas robots como serviço de armazenamento. O SIP pode convidar participantes para sessões unicast como Multicast O niciador não precisa de ser mebro da sessão para a qual é convidado

Servidores SIP Servidor Proxy SIP Servidor SIP Redirect
reencaminha a sinalização de chamada funcionando tanto como cliente como servidor Funciona de forma transacional, isto é, não mantém informação de estado Servidor SIP Redirect Redirecciona chamadas para outros servidores Servidor SIP Registrar Aceita pedidos de registo dos servidores Mantém informações de utilizadores num Servidor de Localização (como o GSM)

Session Initialization Protocol
O chamador e o chamado trocam mensagens de texto Formatos são similares ao HTTP O chamado é identificado através dum URL SIP, A parte do utilizador é um nome do utilizador ou um nº de telefone A parte do host é um nome de domínio ou um endereço de rede The ITU standards are complex and include many options for the way the VoIP components can operate and be packaged. They also have functional gaps. An IETF effort has produced the Session Initialization Protocol (SIP), which offers a simplified approach and fills in many of the gaps. SIP can run on top of any protocol, but the current focus is on UDP/IP or TCP/IP. The SIP control protocol can establish, modify, and terminate IP telephone calls or multimedia conferences. It can be used alone or in combination with ITU protocols. SIP characteristics are: The caller and a called party exchange textual messages whose formats are similar to those used for HTTP, the Web hypertext transfer protocol. A called party is identified by means of a SIP URL, which has a form such as The user part is a user name or a telephone number. The host part is a domain name or a network address.

Registo SIP

Session Initialization Protocol (SIP)
Um participante pode registar o seu identificador na localização corrente via um servidor de registo. Suporta a mobilidade do utilizador uma vez que as chamadas são redireccionadas para a localização actual do utilizador O DNS está a ser expandido para disonibilizar lookups para a localização normal do utilizador SIP includes a registration service. A participant can register its identifier and current location with a registration server. This is used to support user mobility - calls can be redirected to a user’s current location. A parallel development is the expansion of the Domain Name System so it can identify the location of one or more hosts providing a particular service. In this case, the service is the ability to receive calls. The DNS extension enables a caller to look up a socket address that can be used to set up a call to a device associated with a particular user. The SIP signaling software in a caller acts as client, while the SIP software in the called party acts as a server – that is, it listens for incoming calls.

Estabelecimento de chamada directa SIP
INVITE Session parameters …... (Response) OK Session parameters ……. ACK As the figure above shows, direct SIP call setup is very simple: The caller sends an INVITE message that carries parameters for the session. The caller may provide several parameter choices from which the called party can make a selection. If the called party can accept the call, it makes a positive response that includes a selected subset of the parameters. The caller sends an ACK message to confirm that it received the response.

SIP (Estabelecimento de chamada)

SIP(Estabelecimento de chamada com redirecção)

Proxy vs. Redirect A servidor SIP server pode servidor de proxy ou redirecionar um pedido de chamada Qual dos métodos aplicar é um problema de configuração. Pode ser configurado estática ou dinamicamente A redirecção é útil se o utilizador se mover ou mudar o seu fornecedor de serviço PSTN: “The number you have dialed is not available.”) – o utilizador da próxima vez não precisa de tentar o mesmo servidor O Proxy é util se é necessário for necessário mais controlo: AAA, firewall, etc…

Códigos de Resposta SIP
Borrowed from HTTP: xyz explanatory text Receivers need to understand x 1yz Informational 100 Trying 180 Ringing (processed locally) 181 Call is Being Forwarded 2yz Success 200 ok 3yz Redirection 300 Multiple Choices 301 Moved Permanently 302 Moved Temporarily 4yzClient 400 Bad Request 401 Unauthorized 482 Loop Detected 486 Busy Here 5yzServer failure 500 Server Internal Error 6yzGlobal Failure 600 Busy Everywhere

Mensagens SIP INVITE ACK confirma estabelecimento de sessão
Descripção de sessão incluída no corpo da mensagem. re-INVITE usados para mudar estado da sessão ACK confirma estabelecimento de sessão pode ser usado apenas com o INVITE BYE termina sessões CANCEL cancela um INVITE pendente OPTIONS pergunta sobre funcionalidades REGISTER associa um endereço permanente à localização corrente

Arquitectura SIP PRI stands for Primary Rate Interface, which is the ISDN equivalent of a T-1 circuit. It provides 1 data channel (D channel) and a number of bearer channels (B channels): 23 B channels in North America and 30 B channels in Europe. Channel Associated Signaling (CAS) Component The CAS component is responsible for managing the generation and detection of digital line signaling functions required to manage the bearer channels. The CAS channel control component instances reside on a DM3 signal processor.

Sinalização: MGCP, MAGACO
Media Gateway Control Protocol Usar o modelo de pacotes de software e disponibilizar uam arquitectura centralizada para controlar as chamadas e os serviços Controlador os gateways de telefone de elementos externos de controlo de chamada designados por gateway de controlo de média ( media gateway controllers ) ou agentes de chamada (call agents). Entidades MGC (Media Gateway controller / Call agent) MG (Media Gateway) Protocolos MGCP v1 – RFC 2705 H.248 (H.248 / MAGACO) – RFC 3525 SDP (Session Definition Protocol) - RFC 3407

Arquitectura MGCP PBX PSTN MGCP Voice Gateway T1/E1 FXO/FXS E&M
IP Phone ( MGCP Client ) IP Phone ( MGCP Client ) MGCP Call Agent RTP

Comparação da Sinalização VoIP

Comparação da Sinalização VoIP
x

DTMF Short for Dual Tone Multi-Frequency, the system used by touch-tone telephones. DTMF assigns a specific frequency (consisting of two separate tones) to each key so that it can easily be identified by a microprocessor.

Gateway Asterisk: O que é?
Um software completo de PBX software para plataformas Linux desenvolvido pela Digium (M.S.) Faz a comutação de chamadas num PBX, tradução de CODECs, e várias aplicações Software Open Source sob licença GNU

Asterisk: Aplicações Voicemail
Discar numa interface (ZAP, SIP, IAX, etc) Pontes para Conferência Filas para distribuição automática de chamadas ACD Queues Excelentes para Call Centers Resposta interactiva por voz IVR ( press “1” if you know the ext) Operações em Bases de Dados ENUMlookup AGI (asterisk gateway interface, como a CGI) Para scripting Zap Channel Module The Zap Channel Module provides an interface layer between Asterisk on the one side, and the Zaptel and/or ZapHFC interface drivers on the other side. These drivers, in turn, provide the ability to use interface cards to connect your PBX to traditional digital and analog telephone equipment. Skinny Client Control Protocol SCCP is a proprietary terminal control protocol originally developed by Selsius Corporation. It is now owned and defined by Cisco Systems, Inc. as a messaging set between a skinny client and the Cisco CallManager. Examples of skinny clients include the Cisco 7900 series of IP phone such as the Cisco 7960, Cisco 7940 and the b wireless Cisco Skinny is a lightweight protocol which allows for efficient communication with Cisco Call Manager which may act as a proxy for signalling of call events with other common protocols such as H.323, SIP, ISDN and/or MGCP. A skinny client users TCP/IP to and from one or more Call Managers in a cluster. RTP/UDP/IP is used to and from a similar skinny client or H.323 terminal for the bearer traffic (real-time audio stream). SCCP is a stimulus-based protocol and is designed as a communications protocol for hardware endpoints and other embedded systems, with significant CPU and memory constraints. Cisco acquired SCCP technology when it acquired Selsius Corporation in the late 1990's. As a remnant of the Selsius origin of the current Cisco IP phones, the default device name format for registered Cisco phones with CallManager is SEP -- as in Selsius Ethernet Phone -- followed by the MAC address. Other companies like Symbol Technologies and SocketIP have implemented this protocol in VoIP Terminals (phones) and Media Gateway Controllers or Softswitches. A company named IPBlue ( has created a software

Asterisk: Visão geral

Asterisk: Lógica de chamada
Usa uma máquina de estados para saber o que fazer com a chamada Contexto : A origem da chamada (SIP, RFN, etc) Extensão: o número discado pelo utilizador Prioridade: Um contador que ordena a sequência de comandos

Asterisk: Exemplo de Lógica de chamada
Um utilizador disca 3001, que é uma extensão para a central Central. O utilizador está definido no contexto local ( context => local) extensions.conf [local] exten => 3001,1,Voic main2 Um utilizador sip (4001) disca que é um telefone analógico (Zap/1), e cai no voic se estiver indisponível (ninguém responde em 30 secs) sip.conf [4001] Username=4001 Context=from-sip … extensions.conf [from-sip] exten => 1001,1,Dial(Zap/1,30) exten => 1001,2,Voic 2(u1001)

Asterisk: ENUM Como é que um utilizador da RFN pode chamar um utilizador SIP? Só tem teclado numérico normal? Como especificar um URI? ENUM. Cria um directório global que faz a correspondência número de telefones para endereços SIP (ou ) DNS lookup (E.164 -> URIs) As interrogações E.164 queries são formadas com os números ao contrário separados com pontos com domínio de topo ENUM no fim (normalmente e164.arpa)  e164.arpa

Asterisk: Enum Example

Asterisk: IAX Inter-Asterisk eXchange (IAX)
Usada pelo gateway Asterisk como alternativa ao SIP, H.323, etc Suporta estilo de segurança PKI e tronca Quando se usa tronca, aloca apenas a largura de banda usada Qualidade similar ao SIP, mas com o aumento de número de conexões (no modo tronca) torna-se melhor Versions: IAX and IAX2

Asterisk: IAX (cont) IAX é transparente ao NAT/PAT
IAX2 triplica as chamadas da tronca por megabyte 100 chamadas/MB (com o G.729) Cerca de 1000 utilizadores registados iaxtel (como FWD) NAT (Network Address Translation) is the translation of an Internet Protocol address (IP address) used within one network to a different IP address known within another network. One network is designated the inside network and the other is the outside. Typically, a company maps its local inside network addresses to one or more global outside IP addresses and unmaps the global IP addresses on incoming packets back into local IP addresses. This helps ensure security since each outgoing or incoming request must go through a translation process that also offers the opportunity to qualify or authenticate the request or match it to a previous request. NAT also conserves on the number of global IP addresses that a company needs and it lets the company use a single IP address in its communication with the world. PAT Last modified: Monday, August 05, 2002 Short for port address translation, a type of network address translation. During PAT, each computer on LAN is translated to the same IP address, but with a different port number assignment. PAT is also referred to as overloading, port mapping, port-level multiplexed NAT or single address NAT.

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