Introdução:
Voz
sobre IP (VoIP), é um termo utilizado para caracterizar o serviço que consiste
em transmitir informação de voz através do protocolo IP (Internet Protocol). De
uma forma geral, isto significa enviar informação de voz em formato digital
dentro de pacotes de dados ao invés da utilização do tradicional protocolo de
comutação de circuitos utilizado há décadas pelas companias telefônicas.
A
maior vantagem da tecnologia VoIP é a possibilidade da redução dos custos de
utilização dos serviços de telefonia comum, principalmente em ambientes
corporativos, pois redes de dados já instaladas passam a também transmitir voz.
A
tecnologia ganhou grande impulso no "VoIP Forum", um esforço dos
maiores fabricantes de equipamentos de rede, tais como Cisco, 3Com e VocalTec,
para promover o uso do padrão ITU-T H.323 de transmissão de voz e vídeo
utilizando o protocolo IP. O Forum também promove o uso de serviços
direcionados, tais como localização de usuários, distribuição automática de
mensagens e serviços de correio de voz..
Além
do protocolo IP, VoIP usa também o real-time protocol (RTP), para assegurar que
os pacotes cheguem todos no seu devido tempo. No entanto, com a utilização das
redes de telefonia para transmissão de dados, fica difícil garantir qualidade
de serviço. Resultados bem melhores são obtidos se utilizadas redes privadas
gerenciadas de forma mais inteligente, com o estabelecimento de prioridades
para os pacotes que trafegam pela rede.
Para
se utilizar VoIP, o primeiro passo é a conversão dos sinais de voz analógicos
para sinais digitais, de forma que a informação possa ser transmitido através
de uma rede IP. Este processo é realizado por CODECs, que podem ser tanto
softwares quanto hardwares, e que são totalmente especificados pelo padrão
H.323. Mas estes codecs não realizam somente a conversão analógico-digital,
eles são responsáveis também pela compressão dos sinais digitais, para que
estes possam trafegar na rede de forma mais rápida e eficiente, mas isto também
não é o bastante.
Diferentemente
dos tipos de dados que comumente trafegam pela rede, onde pacotes IP perdidos
ou atrasados são eventualmente rearrumados para formar informações coerentes,
conversas sobre IP podem apresentar ecos, atrasos e jitters se os pacotes não
chegarem na ordem correta ou se sofrerem atrasos. Qualquer que tenha tentado se
utilizar desta tecnologia no começo de seu desenvolvimento com certeza
experimentou a sensação de falar e depois ouvir a própria voz, ou então ouvir a
superposição daquilo que ele havia falado com o que foi dito do outro lado da
linha. No entanto, com a combinação dos avanços obtidos na garantia de
Qualidade de Serviço, onde pacotes de voz têm prioridade sobre pacotes de dados
comuns, e a melhora dos algoritimos de compressão de voz, tornaram voz sobre IP
uma realidade, pelo menos dentro das redes privadas de LANs e WANs.
Aplicações
e Benefícios:
O
principal objetivo dos provedores de serviço VoIP é reproduzir a capacidade das
operadoras de telefonia com uma significativa redução dos custos de utilização
do serviço e oferecer uma alternativa de competitividade técnica.
A
figura abaixo ilustra uma situação sobre como a telefonia pode ser implementada
utilizando-se uma rede IP:
Figura 1: Infraestrutura VoIP
VoIP pode ser empregada em
quase todas as aplicações de comunicações de voz, desde uma simples ligação
entre escritórios até complexas teleconferências multiponto em ambientes
compartilhados. E a qualidade da reprodução da voz também pode variar de acordo
com as aplicações. Ligações de clientes devem ter uma qualidade maior que
ligações feitas para dentro da própria empresa, por exemplo. Então, os
equipamentos de VoIP devem oferecer flexibilidade para uma ampla gama de
configurações e ambientes.
Embora
o uso de voz sobre pacotes de rede seja relativamente limitado no momento, há
um crescente e considerável interesse no uso da tecnologia. Há uma expectativa
de rápido crescimento do mercado , e previsões indicam que este deva crescer
mais de 100% ao ano nos próximos cinco anos. Está claro que um mercado já foi
estabelecido e que existem boas oportunidades para desenvolvedores e
fabricantes lançarem seus produtos no mercado.
Desenvolvimento
de produtos VoIP:
O
objetivo para os fabricantes é relativamente simples: adicionar as capacidades
dos telefones às redes baseadas em IP e interconectar estes às redes de
telefonia e redes de voz privada de tal forma que o padrão de qualidade de voz
e todas as características conhecidas dos atuais telefones sejam preservadas.
A
figura 2 ilustra uma visão geral para uma arquitetura VoIP e sugere que os
principais pontos para os desenvolvedores de produtos se concentram em cinco
áreas específicas:
Figura 2: Arquitetura VoIP
1. A qualidade da voz deve ser comparável às que são
oferecidas hoje por redes PSTN, mesmo com diferentes níveis de QoS apresentados
pelas diversas redes.
2. As redes IP em questão devem apresentar boa
performance, minimizando efeitos como latência da rede e perdas e atrasos de
pacotes, mesmo durante horários de pico de uso ou quando múltiplos usuários
tenham que dividir os recursos da rede.
3. O processo das chamadas telefônicas deve ser
transparente para o usuário, ou seja, o usuário não deve necessariamente saber
qual tipo de tecnologia está sendo utilizada para a implementação do serviço.
4. O serviço entre os dois diferentes tipos de rede
(VoIP e PSTN) envolve a utilização de gateways entre os ambientes de rede de
dados e de voz.
5. Gerenciamento do sistema, segurança, endereçamento
e contabilidade devem ser oferecidos, preferencialmente, de acordo com o
sistema de suporte e operações das redes de voz atuais.
Dado
o início da corrida, padrões devem ser adotados e implementados, gateways
possibilitando a interface IP/PSTN devem ser desenvolvidos, as redes existentes
precisam ter seu nível de QoS avaliados, e serviços globais precisam ser
estabelecidos. Também é importante ressaltar que a adoção de VoIP deve
continuar economicamente viável mesmo que o preço das ligações de telefone
tenha uma significativa queda, já que a implementação de redes de dados
corporativas é essencial em todo o mundo.
Qualidade
da voz e características:
Possibilitar
um nível de qualidade de diálogo no mínimo igual ao existente no protocolo de
comutação de circuitos é visto como requisito básico, embora especialistas
argumentem que a relação custo-funcionalidade-qualidade deva ser levada em
consideração. Embora QoS comumente se refira a fidelidade de transmissão de voz
e documentos de fax, também está relacionada com a capacidade da rede, serviços
oferecidos, e grau de escalabilidade do sistema.
A
qualidade de reprodução do som sobre uma rede de telefonia é muito subjetiva,
embora padrões de medidas tenham sido desenvolvidos pelo ITU. Foi verificado
que existem basicamente três fatores que podem impactar a qualidade do serviço:
1.Delay
(atraso): Dois problemas que são consequência deste atraso de
pacotes são o eco e a superposiçãode vozes. O eco se torna um problema quando
ocorre um atraso de mais de 50ms. Quando o eco é percebido como um problema de
qualidade, o sistema VoIP deve arrumar uma maneira de cancelar este efeito. A
superposição de vozes começa a ficar significante se o atraso em um dos
sentidos de propagação da informação torna-se maior que 250ms.
2.Jitter
(Variação do atraso): Jitter é a varição do tempo de atraso da
chegada do pacotes introduzida pela variação do atraso de transmissão da rede.
Remover o jitter requer a retenção de pacotes por um tempo que seja suficiente
para que o pacote mais lento chegue a tempo de ser executado na sequência
correta, o que causa um delay adicional. O buffer necessário para corrigir o
jitter adiciona atraso, que é usado para corrigir a variação do atraso a que
cada pacote é submetido enquanto trafega pela rede.
3.
Perda de pacotes: Redes IP não podem garantir que todos os
pacotes serão entregues corretamente, muito menos que eles irão chegar na
ordem. Pacotes poderão ser perdidos devido a períodos de pico e
congestionamento da rede. Devido a particularidade na transmissão e a natureza
da voz, o sistema de retransmissão normal do TCP não é satisfatório.
Procedimentos para compensar a perda de pacotes incluem interpolação de
discurso, com retransmissão do último pacote e o envio de informação
redundante. Geralmente perda de 10% ou mais dos pacotes não são toleráveis.
Figura
3: Jitter e Delay
Manutenção de níveis de
qualidade de voz, apesar das variações inevitáveis na performance da rede, são
alcançados usando técnicas tais como compressão, supressão do silêncio e
habilitação de QoS. O baixo custo e a alta performance dos DSPs também ajudam a
processar algoritmos de compressão e cancelamento de eco de forma mais
eficiente.
Os
softwares de pré-processamento de voz também são utilizados para otimizar a
qualidade da voz. A técnica de supressão de silêncio usada nestes softwares
detecta quando existe uma lacuna em um discurso e suprime a transferência de
coisas como pausas, suspiros, e outros períodos de silêncio. Isto pode
significar até 60% de uma ligação, o que resulta em uma preciosa economia de
banda.
A
arquitetura de uma rede VoIP deve passar pelo compromisso entre uma boa
qualidade de voz, a confiabilidade do sistema, e os atrasos inerentes ao
sistema. Minimizar os atrasos da rede é uma das chaves de um sistema VoIP.
Garantir confiabilidade é outro. Fabricantes que oferecerem flexibilidade para
configurar o seu sistema de acordo com as necessidades do ambiente, e além
disso otimizarem a qualidade de voz terão considerável vantagem competitiva.
Redes
IP transportando informações de voz :
A
maioria dos equipamentos de rede de dados de hoje (routers, LAN switches, ATM
switches, PBXs, etc.) devem suportar tráfego de voz. Além disso, equipamentos
específicos VoIP terão que estar integrados com estes equipamentos ou serem
compatíveis com eles. Outro ponto diz respeito a flexibilidade dos equipamentos
VoIP, que devem trabalhar tanto em bem planejadas redes corporativas de
Intranet até a imprevisível Internet.
Com
tudo isto, temos normalmente três técnicas, combinadas ou não, que podem ser
usadas para alcançar diferentes níveis de qualidade de serviço.
Manter
um ambiente de rede controlado, cuja capacidade possa ser pré-planejada, e um
desempenho de performance possa ser assumido, pelo menos na maior parte do
tempo. Este é geralmente o caso de redes de IP privadas (Intranet) que pertence
e é operada por uma organização.
Usar
ferramentas de gerenciamento para configurar os nós da rede e monitorar
performance, gerenciando também a capacidade de tráfego de uma forma dinâmica.
A maioria dos dispositivos de rede (routers, switches, etc.) incluem uma
variedade de mecanismos que podem ser úteis para trabalhar com voz. Por
exemplo, o tráfego de dados pode ter prioridades a nível de localização,
protocolo e tipo de aplicação, de forma que o tráfego de dados que necessitem
ser feitos em tempo real tenham prioridade sobre aqueles que não sejam tão
críticos. Tais mecanismos também podem ser utilizados para minimizar atrasos de
dados na rede, melhorando seu desempenho como um todo.
Adicionar-se
controle de protocolos e mecanismos que ajudem a evitar ou aliviar os problemas
inerentes às redes IP. Protocolos como o RTP (real-time protocol) e RSVP
(resources reservation protocol) também são usados para oferecer maior controle
de QoS da rede.
Equipamentos
de VoIP portanto, devem ser configuráveis para permitir não só as técnicas
descritas acima, mas também flexíveis o suficiente para suportar novas técnicas
assim que elas venham a se tornar disponíveis.
O
tráfego de voz em tempo real sobre redes IP pode ocorrer basicamente de três
maneiras:
1. Os pacotes de voz são transmitidos entre endereços
IP pré-definidos, eliminando-se a necessidade de conversão de números de
telefone para endereço IP.
2. Informações de voz de PC para PC são transmitidas
com o uso de microfones e sistemas de som (multimídia), operando sobre uma rede
baseada em IP sem conexões PSTN. Aplicativos para PC e telefones com IP
habilitado podem utilizar comunicação ponto-a-ponto ou sessões multiponto. Este
tipo de sistema pode emular rádios ou grupos de discussão na Internet e pode
ser combinado com sistemas de dados compartilhados.
3. Comunicações de telefonia, isto é, de qualquer um
telefone para qualquer outro telefone, tal como na figura 1 apresentada, podem
parecer o serviço comum usado pelos usuários, quando na realidade consiste em
um sistema com várias formas de voz sobre pacotes de rede, tudo conectado à
rede de telefonia comum. Funções de gateway são necessárias quando há uma
interconexão à rede PSTN, ou quando há uma conexão de telefones padrão à uma
rede de dados. No futuro, telefones com IP habilitados irão se conectar
diretamente.
Futuras
redes de VoIP incluirão PBXs baseados em IP (iPBX), que irá emular todas as
funções do PBX tradicional. Isto irá permitir que tanto os padrões de telefone
e PCs multimedia se conectem à Internet ou a PSTN, promovendo desta forma uma
migração para os padrões VoIP.
Tal
sistema de VoIP pode combinar comunicações em tempo real ou não. Mensagens de
voz ou de fax por exemplo utilizam-se de funções que são muito semelhantes a
uma ligação de telefone, mas não necessitam dos mesmos níveis de qualidade de
serviço.
A
figura 4 ilustra o protocolo de rede IP que é atualmente usado para implementar
VoIP.
Figura
4: Estrutura do protocolo VoIP
A
mais importante consideração a nível de rede é a necessidade de minimizar
atrasos desnescessários de transferência de dados. A utilização de nós
suficientes e capacidade de link, e
aplicação de mecanismos que evitem congestionamentos, tais como controle de
acesso e aplicação de prioridades podem ajudar muito a reduzir atrasos na rede
como um todo. A capacidade de gerenciar redes e otimizar as escolhas de rotas
reduzirão drasticamente os problemas com jitter. Os fabricantes de equipamentos
devem, sempre que possível, evitar formatos proprietários, que simplesmente recriam
soluções de prateleira.
Os
softwares para VoIP:
Transporte
de voz e chamadas telefônicas são apenas algumas das aplicações de redes IP,
com os softwares sendo utilizados para auxiliar as aplicações e realizar a
interface com a rede. O crescimento da tecnologia VoIP são resultado direto dos
avanços experimentados tanto na área de hardware quanto de software,
principalmente nos anos 90.
As
funções que devem ser executadas por um software que faz a conversão de voz
para pacotes IP são basicamente as seguintes:
O
processo do sinal de voz, que será empacotado para transmissão através da rede.
Tipicamente roda sobre DSP.
O
processo de chamada (signaling), que sinaliza para o gateway, permitindo que
chamadas sejam estabelecidas através de pacotes da rede.
O
processo de empacotamento, que adiciona os cabeçalhos necessários a transmissão
dos pacotes de dados através da rede, conforme as normas do protocolo
utilizado.
O
gerenciamento da rede, proporcionando todas as configurações necessárias para
um melhor desempenho da mesma, conforme discutido anteriormente. Na próxima
sessão também serão vistos mais detalhes do processo de gerenciamento da rede.
A
etapa de processamento do sinal de voz deve realizar também as seguintes
funções:
A
interface PCM, que recebe amostras da interface de telefonia (PCM) e a
encaminha para o apropriado processamento no software VoIP e vice-versa.
A
unidade de cancelamento de ecos, que realiza esta função na amostra do sinal de
voz, de acordo com o padrão ITU G.165 ou G.168. Como os atrasos para VoIP são
quase sempre maiores que 50ms (onde os efeitos de eco tornam-se praticamente
intoleráveis), a unidade de cancelamento de ecos é imprescindível. Parâmetros
operacionais podem ser programados para um funcionamento mais satisfatório.
O unidade de detecção de sinal de voz e
supressão de silêncio, para melhor utilização da banda. Se a unidade não
detecta atividades por um determinado período de tempo, a saída do encoder de
voz não será transmitida através da rede. Ao invés disto é inserido um
"ruído confortável" para que o usuário não tenha a sensação que a
conexão foi interrompida.
A
detecção de tom, que detecta a recepção de sinais DTMF e define se é um sinal
de voz ou de fax, aplicando para cada um deles o processo apropriado, isto é, a
decodificação e empacotamento de sinais de fax ou de compressão de voz.
O
gerador de tons DTMF, conforme os comandos do operador do sistema ou usuário.
O
módulo de processamento de fax, que proporciona a demodulação de dados PCM,
extraindo daí as informações relevantes e realizando o empacotamento dos dados.
O
módulo de empacotamento de voz, que encapsula a voz comprimida ou dados de fax
para transmissão através da rede. Cada pacote contém uma sequência de números
que possibilita a recepção e entrega dos pacotes de forma correta. Aqui também
ocorre a reprodução dos intervalos de silêncio e a detecção de pacotes
perdidos.
O
módulo de reprodução da voz em seu destino, que armazena em um buffer os
pacotes recebidos e encaminha eles para reprodução pelo CODEC. Este módulo também
contém um buffer adaptativo para jitter e um mecanismo de medição que permite a
adaptação do tamanho do buffer de acordo com a performance da rede.
O
processo de chamadas (signaling) detecta a presença de uma nova chamada e
identifica a informação de endereço. A partir daí uma série de procedimentos
são desencadeados para que se estabeleça uma conexão de telefonia da forma como
a conhecemos hoje:
Uma interface com a rede de
telefonia deve ser monitorada para detectar comandos e possibilitar respostas a
estes comandos.
O
protocolo de sinalização E&M deve ser detectado e a informação extraída.
A
sinalização da informação deve ser mapeada de forma que possa ser utilizada
para estabelecer uma sessão através dos pacotes da rede.
Números
de telefone devem ser convertidos para endereços IP. Há duas formas de realizar
a ligação, em um estágio simples (ligação para número de destino e roteamento
automático das funções selecionadas) ou em dois estágios (ligação para o
gateway VoIP e então a ligação para o destino real).
Equipamentos
VoIP devem estar de acordo com o padrão H.323 definido pela ITU para descrever
terminais, equipamentos e serviços de comunicação multimídia através de redes
(tais como LANs ou Internet) que não garantem QoS. H.323 é uma família de
softwares baseada neste padrão que definem várias opções para compressão e
controle de chamadas. A figura 5 ilustra os componentes dos terminais que
utilizam este padrão.
Figura
5: Gateway de voz/ Funções dos terminais
Implementando
VoIP em sistemas:
O
emprego de uma estrutura VoIP para uso comercial envolve muito mais que
simplesmente adicionar funções de compressão em uma rede IP. Qualquer pessoa
deve poder ligar para qualquer outra pessoa independente de sua localização e
da forma com que estejam conectados à rede (telefones, celulares, PCs ou
qualquer outro dispositivo). Deve existir também a garantia de que o serviço é
tão satisfatório quanto as redes de telefonia utilizadas atualmente. Em nenhum
aspecto o serviço de VoIP deve ser inferior ao serviço tradicional (isto inclui
a continuidade de funcionamento em caso de falta de energia!)
A
figura 6 mostrada abaixo é um refinamento da figura 1, e inclui a colocação de
um gateway VoIP e funções de suporte que fazem com que o sistema possibilite um
serviço de alta qualidade. O gateway é aqui representado como um componente
separado, mas ele pode estar integrado a um switch de voz (como o PBX) ou a um
switch IP.
Figura
6: Um sistema combinado de PSTN/ VoIP
Algumas das funções
necessárias para um sistema VoIP:
Gerenciamento
de falhas: Uma das tarefas mais difíceis de qualquer sistema de gerenciamento
de telecomunicações é identificar e solucionar qualquer problema ou falha. A
integração de gerenciamento de facilidades de sistemas de telefonia e de dados
usando como base o padrão TMN é muito utilizada na busca de soluções para este
desafio.
Billing:
Os gateways VoIP devem registrar todas as chamadas, tenham ela sido completadas
ou não. Os registros devem incluir informações como hora do início e do fim da
chamada, número discado, endereço IP da fonte e do destino, pacotes enviados e
recebidos, etc.
Configurações:
Uma interface de gerenciamento simples é nescessária para configurar os
equipamentos, mesmo com o sistema em funcionamento. Uma grande variedade de
parâmetros e opções estão envolvidas. Exemplos incluem protocolos de telefonia,
seleção de algoritmos de compressão, controles de acesso, configurações de
portas, etc.
Endereços/Diretórios:
Números de telefone e endereços de IP devem ser gerenciados de forma
transparente para o usuário. PCs usados para chamadas de voz precisam ter
números de telefone e telefones com IP habilitado também necessitam de seus
endereços IP. Além disto os serviços de diretório da Internet inclui o
mapeamento dos dois tipos de endereço.
Autenticação/Encriptação:
VoIP oferece potencial de segurança em telefonia fazendo uso dos serviços de
segurança disponíveis no ambiente TCP/IP. Controles de acesso podem ser
implementados por meio de autenticação e chamadas particulares podem ser feitas
utilizando-se encriptação de links.
Implementação
de sistemas escaláveis proporcionando todas as "- bilidades" que são
comumente oferecidas em sistemas comerciais abertos. Isto inclui a
interoperabilidade entre os sistemas de comunicação, a alta confiabilidade das
redes de VoIP, a escalabilidade do sistema, a acessibilidade e logicamente a
viabilidade de implementação do sistema.