Architecture for Voice, Video and Integrated Data

Cisco Unified Communications

CCNA VOICE – Conceitos Básicos 02 – Telefonia IP

Posted by Aderno em 12/02/2014


voipOlá galera do AVVID, estamos aqui de volta com a nossa série CCNA VOICE – Conceitos Básicos, que na verdade só irá virar serie agora, que temos 2 posts :D, e este veio antes do que eu planejava, ainda bem!

Se você não viu o nosso 1º post, segue o link: CCNA VOICE – Conceitos Básicos 01 – Introdução

No ultimo post falamos brevemente da arquitetura de Telefonia IP e Colaboração Cisco e demos uma breve introdução de como iremos trabalhar. Agora iremos entrar mais a fundo nos conceitos de Telefonia IP que são imprescindíveis para o entendimento das soluções Cisco como um todo. E é isto que eu mais acho magnifico nas certificações Cisco, pois elas não são apenas certificados que atestam que você conhece o produto deles, mas um estudo, podemos dizer profundo, da tecnologia que envolve os seus produtos.

 

TELEFONIA IP – CONCEITOS

Como vimos no primeiro post, a telefonia IP, também conhecida como VoIP (Voice over IP) veio para substituir a telefonia analógica, fazendo uso do protocolo TCP/IP, já utilizado pelos computadores, aproveitando inclusive o cabeamento e os links de comunicação que já existem nas corporações. Mas afinal, como “diacho” essa tal de telefonia IP funciona?

Para entender melhor, vamos visualizar como a telefonia analógica funciona, para então, transporta seu conceito para a telefonia IP. É muito interessante notar que, o conceito básico de telefonia é o mesmo desde que Alexander Graham Bell inventou o primeiro telefone (há controvérsias sobre o verdadeiro inventor) e ainda é utilizado hoje na telefonia IP, mas de uma forma diferente.

A forma mais simples de entender o funcionamento de um telefone é lembrar daquele telefone de lata que tenho certeza que a maioria aqui já fez em casa quando criança.  Agente usava duas latas de leite condensado, furava ambas no fundo e amarrava um barbante entre elas. Quando você falava em uma das latas, com o barbante esticado, a vibração da sua voz na lata era transmitida para o barbante, que por sua vez vibrava a lata do outro lado e assim reproduzia o som original.

telefone-diagragma

A ideia do telefone é muito semelhante. Existe um diafragma, que é conectado à um ímã envolto por  uma bobina de fios de cobre, quando falamos, nós geramos vibrações no ar,  estas vibrações  são captadas pelo diafragma, que movimenta o ímã, fazendo que que a bobina gere uma corrente elétrica. Este pulso elétrico gerado é transmitido por um par metálico até o telefone receptor, que faz o processo inverso e reproduz o som emitido inicialmente.

Como dito anteriormente, a telefonia IP utiliza o mesmo princípio. Só que aqui, o sinal elétrico gerado pelo diafragma é digitalizado, ou seja, é transformado em inúmeros pacotes IP, que são roteados pela rede até seu destino, onde o processo inverso ocorre. É aqui que surgem a maiores vantagens de possuir um ambiente com VoIP, pois os pacotes IP de uma chamada podem ser roteados pelo mundo inteiro até o seu destino remoto, que ouvirá a voz exatamente como ela foi emitida na origem. Isso sem custos adicionais com as operadoras de telefonia, visto que estamos apenas utilizando o rede IP e não a PSTN.

Claro que temos muitos passos por trás desse processo, o quais iremos explorar com um pouco mais de detalhes em seguida. Pode até parecer um pouco chato, mas eu acho  muito importante entender estes passos para se ter uma visão geral da tecnologia em si, que com certeza, te ajudará a resolver inúmeros problemas, num futuro próximo.

DIGITALIZAÇÃO DA VOZ

digitalizationComo acabamos de ver, na telefonia IP, de forma resumida, a voz é transformada em pacotes IP na sua origem  e transformada em voz novamente no seu destino. Este processo é chamado de Digitalização da Voz.

Em 1928,o Dr. Harry Nyquist criou um teoria para a conversão de um sinal analógico, representado por ondas, para um sinal digital, que é representado por 0´s e 1´s . As ondas analógicas passam pelos processos de Amostragem, Quantização e Codificação, onde as ondas são transformadas em um sinal digital, e depois passam pelo processo de  Decodificação, onde o sinal volta ser analógico. Vamos detalhar cada uma destas fases para entendermos todo o processo.

Na Amostragem (Sampling), a cada intervalo de tempo pré-definido, são colhidas amostras da onda analógica, que recebem seus valores baseados na amplitude da onda, que podem ser negativos ou positivos. Para se manter a qualidade da voz digitalizada mais próxima da voz humana original, o teorema de Nyquist determina que a cada segundo, sejam colhidas 8000 amostras do sinal analógico.

No processo de Quantização (quantizing), cada amostra recebe um valor numérico, que varia entre -127 e +127, de acordo com  a sua amplitude. Depois disso o valor dever ser Codificado (encoding) ou convertido num valor binário. Como cada byte (8 bits) só consegue representar um valor de 0 até 255, cada byte foi divido em duas partes. O primeiro bit determina se o valor será negativo ou positivo e os demais o valor numérico.

binário1-7

Na imagem ao lado, temos a representação do valor +52, que é o valor utilizado para uma unica amostra. Como já sabemos, o teorema de Nyquist determina que tenhamos 8000 amostras por segundo, e que cada amostra tem 8 bits cada, temos então 8000 x 8 = 64000 bits por segundo. Este é o valor exato que uma chamado de voz sem compressão consome de banda, 64Kbps.

Uma vez convertida para um valor binário, a voz é então armazenada em um pacote IP que será roteado pela rede de dados. Chegando no destino, o pacote passa pelo processo de Decodificação (deconding), que transforma o dado binário novamente noma onda analógica e então o som é reproduzido.

COMPRESSÃO DA VOZ

Agora que entendemos como a voz se torna um pacote IP para trafegar na rede, iremos discutir algo muito importante para manter a telefonia IP atrativa para as empresas e fazer ela co-existir em harmonia com as demais aplicações na rede, que é o controle da banda utilizada pelos pacotes de voz.

Não iremos falar de todas as técnicas utilizadas para o controle de banda em telefonia IP, mas iremos entender um pouco de como funciona a compressão dos pacotes de voz.

Como vimos anteriormente, quando falamos em um telefone IP, nossa conversa é convertida em inúmeros bytes que são transmitidos pela rede em pacotes IP, como o número de amostras coletadas no sinal analógico é muito grande (8000 por segundo), isto gera uma quantidade grande de informação que podem precisar trafegar pelos links de comunicação entre as filiais de uma empresa. Para que os pacotes IP utilizem a menor quantidade de banda possível de um link, são utilizadas técnicas de Codificação e Decodificação, conhecidos como CODECS, que permitem a compressão das informações a serem encaminhadas.

Vimos que a voz sem compressão consume 64kbps de banda, e que este valor provem das 8000 amostras por segundo feitas sobre a voz humana, mas sabemos que dentre estas amostras, muitas são similares ou idênticas. Por exemplo, quando você acorda de bom humor e faz uma ligação para algum conhecido seu, você diz bem demorado: “Olá, bom dia”. Você pode perceber que o som de algumas vogais nessa frase duram mais tempo do que outros sons, ficando desta forma: “Oláaa, boom diiia”. Sendo assim, o Codecs que comprimem a voz digitalizada, enviam a primeira vogal e depois apenas diz para o dispositivo de destino executar aquele som por um determinado tempo, sem que haja a necessidade de enviar o mesmo som várias vezes, economizando assim o uso da banda. Este é apenas um dos métodos de compressão existentes que na prática são muito mais complexos, mas esta é uma ideia geral.

Claro que quando se comprime as informações de uma conversa, perde-se um pouco da qualidade do áudio. A compressão é feita para que a perda não seja tão significativa e não represente um obstáculo na comunicação entre as partes, sendo assim, foi criado um sistema para se medir a qualidade de uma conversa utilizando VoIP, que é chamado MOS (Mean Opinion Score) onde foi definida uma escala de pontuação baseada na percepção de algumas pessoas sobre a qualidade da voz. Uma pessoa ouvia uma frase qualquer e definia uma nota de 1 a 5 para a clareza da voz ouvida. Os diversos codecs foram classificados segundo esta escala, como segue abaixo:

codecs

DIGITAL SIGNAL PROCESSOR – DSP 

Os roteadores Cisco foram concebidos basicamente para rotear pacotes, tarefa que não exige tanto poder de processamento. Por exemplo, os roteadores da série 3600 tem processadores com velocidade desde 80MHz até 255MHz, e trabalham com memória RAM que podem variar de 4 a 256MB. Aí você pode dizer, como assim??? Meu computador em casa tem pelo menos 5 vezes mais recursos que isto!!! Exatamente, mas com estes recursos teoricamente limitados, estes roteadores podem  fazer o roteamento de uma rede de tamanho médio sem problema algum. Mas quando falamos de processamento de pacotes de voz, que envolve digitalização e compressão de uma quantidade enorme de informações, este trabalho facilmente iria sobrecarregar um roteador Cisco comum. É aí que entra os DSPs.

DSP é um chip que faz as funções de Amostragem, Codificação, Decodificação, compressão e demais tarefas no áudio que chega em um roteador, deixando o processador e a memória RAM do roteador livre para as demais tarefas. Podemos comparar as DSPs como uma placa de vídeo off-board de um PC, que é utilizado para processamento exclusivo de informações de vídeo. Sendo assim, quando um roteador possui uma interface analógica ou digital conectada à PSTN, por exemplo, a voz que entra e sai pelo roteador precisa ser convertida para o formato digital e vice-versa, e sem as DSPs, estas tarefas não seriam possíveis.

As DSP´s são chips  que são instaladas dentro dos roteadores que as suportam, tanto diretamente na placa mãe ou então em módulos de DSP específicos. A Cisco agrupa DSPs em pequenas placas, chamadas de PVDM (Packet Voice DSP Modules), que são semelhantes a memórias SIMM antigas.

De acordo com a quantidade de canais de voz (linhas) que você terá com a PSTN e demais funções de processamento de voz que podemos atribuir à um roteador, você precisará de uma determinada quantidade de DSP´s no seu roteador. A Cisco disponibiliza em seu site o DSP Calculator, que nos ajudam a calcular a quantidade de PVDM´s que serão necessárias para cada cenário.

As PVDM´s podem ser adquiridas nas seguintes versões, atualmente:

  • PVDM2-8: Contém 0,5 DSP´s
  • PVDM2-16: Contém 1 DSP´s
  • PVDM2-32: Contém 2 DSP´s
  • PVDM2-48: Contém 3 DSP´s
  • PVDM2-64: Contém 4 DSP´s

Abaixo temos a imagem de  algumas PVDMs e também de um módulo conhecido como NM-HDV, que também acompanha uma placa E1 de conexão com a PSTN:

PVDM´s

Módulo NM-HDV com PVDM`s conectadas

Como vimos anteriormente, cada Codec chega a um certo nível de compressão da voz ou nenhum, o que lhes dá níveis de complexidade distintos, em relação ao poder de processamento que cada um exige. Normalmente é dito que uma DSP é capaz de processar o dobro de chamadas usando um codec de complexidade média, comparado com um codec de complexidade alta. Abaixo uma tabela demostrando a complexidade de cada codec:

codec complexity

Protocolos de Transporte de Voz – RTP e RTCP

Quando entramos no mundo VoIP, surgem inúmeros protocolos para dar base ao funcionamento desta tecnologia, dois destes, que tem grande importância no comportamento dos pacotes de voz dentro da rede são: RTP (Real-Time Transport Protocol) e RTCP (Real-time Transport Control Protocol).

O RTP trabalha na camada de transporte do modelo OSI, acima do UDP. Ele acrescenta alguns controles a mais do tráfego de voz, além do já realizado pelo UDP. Ele também é usado para o controle do tráfego de chamadas de vídeo.  O UDP faz o controle dos números de portas (controle de sessão) e faz o checksum do cabeçalho. o RTP adiciona números de sequencia aos pacotes e time stamps (data e hora). Estes novos controles permitem que o dispositivo remoto coloque os pacotes na ordem certa e crie um buffer para remover atrasos no recebimento dos pacotes, permitindo que o áudio seja reproduzido de forma audível no destino. Abaixo uma imagem do pacote IP contendo a voz digitalizada (Audio payload) e as informações do RTP:

RTP Hearder

Quando dois telefones estabelecem uma chamada de voz, o protocolo RTP entra em ação e define um número par para a porta UDP do range 16384 até 32767 para cada stream RTP. Lembrando que cada sentindo da chamada exige um stream RTP distinto. O protocolo RTCP também cria uma sessão entre os dois pontos atribuindo um número impar para a porta UDP.  Este protocolo faz o controle estatístico da chamada, ou seja, controla o tráfego entre os dois pontos da chamada, provendo informações como:

  • Contagem de pacotes
  • Atraso dos pacotes
  • Perda de pacotes
  • Jitter (diferença no atraso dos pacotes)

Os pacotes RTP são sem duvida o tráfego mais crítico de uma rede, pois se houver atrasos excessivos na sua entrega ou se estes pacotes se perderem, o destino que irá recebe-lo pode não ser capaz de refazer o áudio inicial, impossibilitando que uma conversa seja estabelecida com qualidade. Existem algumas técnicas que são utilizadas para garantir a qualidade das ligações de voz, dando prioridade aos pacotes RTP, que são conhecidas com QoS (Quality of Service).

Nosso segundo post termina aqui, este foi bastante extenso e bem carregado de conceitos e teorias, mas como dito inicialmente, são informações essenciais para o bom entendimento da tecnologia VoIP, como ela funciona e como os elementos se relacionam para então, vermos estes conceitos sendo aplicados nas soluções Cisco.

Mais uma vez, as informações aqui não dão todos os detalhes sobre cada conceito, apenas uma explanação breve e direta, para facilitar seu entendimento. Indicamos que você busque os materiais oficiais da Cisco para as certificações CCNA Voice e CCNP Voice ou inúmeros outros documentos que existem espalhados pela Internet.

Obrigado por acompanharem o nosso blog e continuem acompanhando esta séria, novos posts estão por vir.

Bons estudos!!!

Conhecimento é igual a Oportunidades!!

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6 Respostas to “CCNA VOICE – Conceitos Básicos 02 – Telefonia IP”

  1. edsonesf said

    Olá, muito obrigado!
    Essa série está ficando muito legal hein!

    Valew

  2. Tiago said

    Excelente post. Que venha o terceiro.

  3. Marcelo said

    Muito bom mesmo!! Tks!

  4. Adriano said

    Não vai ter mais posts?
    Sensacional estas informações.
    Obrigado por compartilhar o seu conhecimento.

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