Calidad de servicio de transmisión de voz con el protocolo Internet (VoIP)

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Pérdida La pérdida de un paquete hace que falte información cuando se recibe la señal de audio. Dependiendo del número de paquetes perdidos, la calidad sonora en el extremo receptor puede ser deficiente. En el IP la pérdida de paquetes es parte integrante del sistema y los encaminadores tienen que (utilizando el algoritmo de detección prematura aleatoria) destruir paquetes para evitar una posible congestión.

Existen cuatro causas posibles para la pérdida de paquetes:

• Duración de vida expirada (TTL = 0);
• Retardo en el extremo receptor superior a la fluctuación de fase de la memoria tampón;
• Destrucción por un módulo congestionado;
• Paquete no válido debido a fallos de transmisión.

El protocolo UDP se utiliza para transmitir voz mediante el IP, puesto que tiene la ventaja de utilizar menos tara y depende menos de protocolos de capa superior (como RTPC/RTP) para proporcionar control de errores o de flujo, o cuando «las necesidades de tiempo real» hacen que la transmisión, tal como la utiliza el protocolo TCP, sea inadecuada.

La tasa de pérdida de paquetes dependerá de la calidad de las líneas utilizadas y del dimensionamiento de la red. Para que la calidad vocal sea aceptable, dicha tasa de pérdida de paquetes ha de ser menor que el 20%.

Una solución posible para reducir la pérdida de paquetes consiste en utilizar sistemas de corrección de errores que tengan codificación redundante y adaptable, es decir, variable de acuerdo con las pérdidas de paquete estadísticamente observadas en la red en determinado momento.

Es posible obtener, cuando se utilizan dichos sistemas, unos niveles muy altos de calidad sonora, incluso por Internet. No obstante, esta solución genera otras dificultades relacionadas con el retardo total de transmisión, que, como ya se ha indicado, ha de controlarse si se ha de usar la red para telefonía.

Retardo

El retardo es el tiempo en milisegundos transcurrido entre la transmisión de voz y su reconstitución en el extremo receptor. Si el intercambio ha de ser interactivo, hay que aplicar restricciones de retardo a la transmisión vocal. A continuación se muestran los valores (véase la Recomendación UIT-T G.114) que indican las clases de calidad e interactividad de acuerdo con el retardo de transmisión en una conversación telefónica.

El retardo introducido por Internet (de 50 ms a más de 500 ms, según el estado de la red) es muy superior al que puede darse en una red telefónica convencional. Aunque es casi imposible cuantificar el retardo de transmisión en la red de una manera fiable, debido al gran número de factores desconocidos (cuadro de encaminamiento, congestión, fallos, cola, etc.).

Para la ruta que seguiría una transmisión vocal, se pueden precisar ciertos retardos inherentes a la red, como se muestra en la figura a continuación, relativa a una llamada de PC-a-teléfono a través de Internet (se considera que la red IP del proveedor de servicio de pasarela es «ideal» y que no contribuye en gran medida al retardo total de transmisión).

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En el extremo transmisión, la voz es codificada y comprimida antes de encapsularla en paquetes IP. El tamaño del paquete representa una solución intermedia entre la necesidad de reducir el retardo de transmisión y la optimización de la anchura de banda. los componentes del retardo en el transmisor son:

• La digitalización y codificación, es decir, el tiempo necesario para que una tarjeta de sonido o una pasarela digitalice y codifique una señal analógica.
• La compresión, que se divide a su vez en tres partes:

– Retardo de trama: a diferencia de la digitalización de señal, que se lleva a cabo de una manera continua, la compresión se relaciona con determinada longitud de datos, cuya espera puede hacer necesario un tiempo de procesamiento especial.
– Retardo de codificación: este retardo, que también involucra la compresión por síntesis basada en la predicción, es solicitado por el codificador para saber, mientras está funcionando, cómo evoluciona la señal.
– Retardo de procesamiento: tiempo que toma el algoritmo para comprimir una trama. Depende del procesador y del tipo de algoritmo.

• Empaquetado: periodo de tiempo durante el cual la aplicación arma un paquete (creación del encabezamiento e inserción de los datos).

• Transmisión: este periodo de tiempo dependerá de la configuración utilizada, es decir, si la conexión se hace mediante un módem o un acceso directo en una LAN/WAN.

Hay tres categorías principales de transmisión de voz con el protocolo IP, dependiendo de la técnica de codificación que se utilice:

• codificación temporal (velocidades entre 16 y 64 kbit/s);
• codificación paramétrica (velocidades entre 2,4 y 4,8 kbit/s);
• codificación por análisis-síntesis (velocidades entre 5 y 16 kbit/s).

Por regla general, las técnicas de codificación que producen bajas velocidades también implican tiempos de procesamiento más largos, que aumentan el tiempo de tránsito. Se suele admitir que el tiempo promedio para procesar la voz (compresión, descompresión y empaquetado) introduce un retardo de aproximadamente 50 ms para un extremo del enlace.

Eco

El eco es el tiempo que transcurre entre la transmisión de una señal y su regreso al transmisor. Por lo general, este problema aparece en el contexto de las comunicaciones de PC a teléfono, de teléfono a PC o de teléfono a teléfono, y es causado por los componentes electrónicos de las partes analógicas del sistema que reflejan una parte de la señal procesada.

Un eco menor que 50 ms es imperceptible. Por encima de este valor, el hablante oirá su propia voz después de haber hablado. Si se desea ofrecer un servicio de telefonía IP, las pasarelas tendrán que procesar el eco generado por la transferencia de dos a cuatro hilos, de lo contrario, no será posible utilizar el servicio con equipos analógicos clásicos. Como solución, se están instalando compensadores de eco de alta calidad en la pasarela de la red.

Tomado de: https://www.itu.int/ITU-D/cyb/publications/2003/IP-tel_report-es.pdf

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Calidad de servicio de una red IP destinada a la telefonía

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Una de las principales dificultades de la telefonía IP es lograr una calidad de servicio similar a la que están acostumbrados los usuarios de las redes telefónicas.

Esta dificultad surge, por un lado, de las consideraciones técnicas específicas de la transferencia de datos en el modo de las redes IP y, por otro lado, de las consideraciones relacionadas con la organización y el modo de prestación del servicio por las redes de datos en general y por la red IP en particular.

Dificultades técnicas

El modo de transmisión de datos por paquetes característico de las redes IP introduce algunos factores de degradación en la calidad de la comunicación. Cabe enumerar cuatro fuentes principales de dificultades asociadas con el modo de transmisión por paquetes que repercuten en el transporte de la voz por IP.

• Pérdida: Posibilidad de que se pierdan algunos paquetes durante la comunicación. La incidencia de este factor será moderada si la tasa de pérdida es baja.
• Retardo: Se refiere sobre todo al tiempo de tránsito total, incluido el tiempo necesario para reconstituir el orden de los paquetes cuando se reciben y para compensar las fluctuaciones de los tiempos de tránsito (este tiempo de tránsito total debe ser inferior a 400 ms si se han de respetar las limitaciones de la conversación interactiva).
• Fluctuación de fase: Variación del retardo observado en la llegada de los paquetes.
• Eco: Se refiere al retardo entre la transmisión de una señal y la recepción de la misma señal como un eco.

Soluciones técnicas para el aprovisionamiento de QoS en las redes IP

El Grupo Especial sobre Ingeniería de Internet (IETF) ha definido muchos protocolos y métodos para el aprovisionamiento de QoS en las redes IP; algunos de ellos son:

• sobreaprovisionamiento de red para LAN conmutadas corporativas – puede no ser económicamente viable;
• refuerzo de la calidad (RTCP del IETF) – centrada en la aplicación, sin repercusión en la red, gestión de control de admisión/tráfico; • prioridades (por ejemplo, en la cola de los recursos, DiffServ);
• reservación de recursos (RSVP, IntServ);
• segregación del tráfico (transporte y encaminamiento);
• ingeniería de tráfico.

Además de las capacidades del protocolo Internet como es el caso de RSVP, IntServ, DiffServ, telefonía IP, la QoS puede beneficiarse de las características del equipo de los proveedores que ofrece una variedad de tecnologías de puesta en cola, conformación de tráfico y filtrado para aplicar prioridad de tráfico y controlar la congestión de extremo a extremo a través de la red. Algunos ejemplos son:

Colas personalizadas (CQ): Que manejan el tráfico mediante la asignación de distintas cantidades de espacio en la cola a las diversas clases de paquetes y a continuación dan servicio a las colas en la modalidad de ordenamiento cíclico. Aunque se puede asignar un mayor espacio en la cola a un protocolo, usuario o aplicación particular, ninguno de ellos podrá monopolizar nunca toda la anchura de banda.

Detección anticipada aleatoria ponderada (RED o WRED): Combina las capacidades de la precedencia IP y de la detección anticipada aleatoria (RED) para ofrecer características de calidad de funcionamiento diferenciada para distintas clases de servicio. RED ofrece la capacidad de especificar el tráfico de modo flexible mediante políticas para maximizar el caudal en condiciones de congestión.

Tasa de acceso comprometida (CAR): Ofrece los mecanismos para atribuir compromisos y limitaciones de anchura de banda a las fuentes y destinos de tráfico, especificando asimismo políticas para el tratamiento del tráfico que rebasa las atribuciones de anchura de banda.

En el Anexo C se presenta una descripción de algunos de los principales protocolos definidos para QoS.

Por supuesto, ninguno de los métodos y protocolos antes mencionados sería suficiente de manera autónoma para ofrecer una calidad aceptable para la voz a menos que se dieran circunstancias muy específicas y favorables. Es probable que se necesite aplicar ingeniería de red con una combinación de los métodos y los protocolos. Por otro lado, pese a que muchos de esos protocolos están incorporados en los productos disponibles, aún carecen de un empaquetado completo que garantice una calidad de servicio sin fisuras para las aplicaciones vocales. Por consiguiente, resulta necesario un estudio caso por caso.

Aunque las técnicas antes mencionadas pueden aplicarse a un dominio de subred determinado; ¿cómo podríamos garantizar la configuración de QoS apropiada de extremo a extremo para una llamada que pasa por diversos dominios de operador? Esto merece un examen de la forma en que las denominadas redes de próxima generación intercambian información sobre una llamada entrante de modo que puedan reservarse apropiadamente esos recursos en cada subred que interviene para garantizar una QoS extremo a extremo apropiada.

Aspectos relacionados con la organización y modelo de provisión de servicios por las redes IP

La simple noción de telefonía por IP (o por cualquier otro modo de transporte de tipo paquetes) implica la provisión de un diálogo vocal interactivo de una calidad aceptable entre las partes.

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Como se ilustró en el primer capítulo, las ofertas de servicio que proporcionan la telefonía IP a los usuarios conectados a los servicios telefónicos tradicionales necesitan la intervención de un proveedor que disponga de una red IP gestionada (es decir, una red con calidad de servicio garantizada) y una pasarela al mundo telefónico convencional. En la cláusula II.4.2 anterior se examinó también la especificación de nivel de servicio que rige el acceso y la interconexión a las redes de datos. Esa especificación no está relacionada con la semántica de un servicio particular ofrecido por la red, tal como la telefonía, sino con un conjunto de propiedades básicas que caracterizan el transporte de los datos por la red.

Por consiguiente, cabría formular la siguiente pregunta: Desde la perspectiva estricta de la garantía de la calidad de servicio, y suponiendo que se generalice el acceso en modo IP nativo, ¿al amparo de qué condiciones impuestas por la telefonía podrán garantizarse de una manera coherente esas limitaciones a través de una sucesión de redes IP interconectadas?

La respuesta a la pregunta anterior es bastante compleja, puesto que un número apreciable de consideraciones técnicas que forman parte de esa respuesta se encuentran en etapa de investigación o aún no han sido aplicadas en un grado significativo en las redes de datos.

Sin embargo, es posible, que a través de simples observaciones basadas en el sentido común, puedan identificarse las próximas evoluciones que serán necesarias en el nivel de la organización de la red IP para poder hablar de un servicio de telefonía IP genuino que sea conforme con la definición anterior:

• No puede negarse que el modelo de Internet «gratuito» sólo tiene sentido si la interconexión entre las redes se basa en el intercambio, es decir, tráfico equivalente en los dos sentidos, o en modelos de interconexión con todo incluido sin garantía de calidad de servicio. La calidad de servicio hay que pagarla, cualquiera que sea el modo que se aplique para lograrla, aun si ese modo incluye una superposición a Internet (véase el ejemplo de redes privadas virtuales (VPN) que se examina en II.4.2).
• Teniendo en cuenta que la voz requiere la garantía estricta de un determinado número de parámetros de calidad de servicio, su prestación como un servicio proporcionado por terceros no puede ser gratuita. Podría ser que algún día se preste el servicio en la modalidad de todo incluido, pero una evolución comercial de este tipo ya tuvo lugar en las redes telefónicas convencionales.
• Si se trata de cumplir con las condiciones del servicio que se proporciona a un cliente que debe pagar por ese servicio, el operador de red, además de garantizar la calidad de la conexión de su cliente a su red y, si es necesario, dentro de esa red, como es normalmente el caso con los proveedores de acceso a Internet, también debe ser capaz de extender esa calidad a través de todas las redes utilizadas por una determinada comunicación, hasta el destino final.
• Para garantizar la calidad de extremo a extremo, tiene que haber un diálogo entre las redes, llamada por llamada, como sucede en la red telefónica actual.
• Algunos podrían suponer que un SLA entre operadores suficientemente sobredimensionado podría garantizar esta «propagación» de calidad de servicio sin necesidad de señalización ni reservación por cada llamada. Una configuración de ese tipo sería económicamente viable, y por consiguiente previsible, sólo si la voz (o cualquier otro tipo de tráfico que exija la estricta reservación de recursos) no excede de una proporción mínima del tráfico transportado entre las dos redes.
• En el caso de que la configuración descrita anteriormente para la compartición de tráfico entre voz y datos no fuera viable y que la red se utilizara esencialmente para el transporte de voz, sería necesaria la señalización llamada por llamada para reservar los recursos. El protocolo BICC normalizado por el UIT-T demuestra que esa configuración de señalización es posible por encima de una red de transporte de paquetes ATM o IP.

Tomado de: https://www.itu.int/ITU-D/cyb/publications/2003/IP-tel_report-es.pdf

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Calidad de servicio en las redes de datos

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Las redes de datos fueron concebidas a fin de posibilitar la comunicación entre las aplicaciones que se ejecutan en los computadores. Originalmente, se trataba de grandes computadores centralizados.

La creación de los minicomputadores y a continuación de los microcomputadores, aunada a la concepción de las aplicaciones de computador orientadas al modelo cliente/servidor, han contribuido de manera importante al despliegue e interconexión de las redes de datos. Por tanto, el equipo conectado a una red de datos adopta la identidad de computadores altamente distribuidos con complejidad variable y que ejecutan diversas aplicaciones.

Desde el principio, el problema de la calidad de servicio en las redes de datos fue diferente que en las redes telefónicas, debido al hecho de que la calidad de servicio prevista por los usuarios de la red de datos no está asociada con una aplicación particular ofrecida por la red, sino con las propiedades relativas a sus puntos de acceso a la red. El conjunto de estas propiedades define lo que comúnmente se denomina acuerdo de nivel de servicio (SLA).

El punto de acceso del usuario a una red de datos, pública o privada, posibilita establecer la comunicación entre una o varias máquinas y todas las demás conectadas a la red. Los requisitos de calidad de servicio en este punto de acceso forman parte del SLA11 se expresan por lo general como velocidad autorizada (promedio y de cresta), tiempo de transmisión (promedio y residual) o prioridad relativa de los datos en el caso de congestión. Cabe observar que se trata de propiedades con las que debería contar la red para el transporte de los datos a fin de sustentar una o varias aplicaciones de las cuales la red, a priori, no tiene conocimiento.

De manera similar a los puntos de acceso de usuario, los puntos de interconexión entre redes se rigen también por SLA independientes de las aplicaciones cuyas SLS expresan sólo propiedades de transporte.

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Por consiguiente, el modo de transporte empleado por las redes de datos más a menudo es el modo paquetes, fundamentado en el carácter esporádico de los datos transmitidos por las aplicaciones informáticas.

Los datos entregados en un punto de acceso de red son ensamblados en paquetes de tamaño fijo o variable según la naturaleza de la red. En cada caso, la cabecera del paquete incluye la dirección de destino, para que los componentes de la red puedan encaminar los paquetes hacia su destino final, o al punto más cercano, sin tener en cuenta el contenido del paquete, que será tratado por la aplicación apropiada en la máquina de destino.

Mediante circuitos virtuales (por ejemplo, en las redes ATM) puede potenciarse un modo de transporte de paquetes, garantizando en mayor grado la calidad de servicio12. No obstante, las redes de transporte, en el nivel básico, no prevén el modo de circuitos virtuales. Algunos protocolos, como IntServ o MPLS, permiten ese tipo de ampliación en el nivel superior de una red IP, pero aún no se prevé su despliegue en todas las redes IP.

Por consiguiente, cuando una aplicación recurre a una o varias redes de datos, la calidad de servicio resultante de extremo a extremo entre las dos máquinas que ejecutan la aplicación en cuestión dependerá de la calidad de servicio garantizada por todas las redes que intervienen. Por este motivo, la calidad de servicio es criticada muy a menudo. Basta con que una sola red ofrezca una calidad de servicio inferior a la aceptable para que se vea afectada la calidad de extremo a extremo.

Por este motivo, cuando las empresas emplean la red Internet para interconectar máquinas distantes para sus aplicaciones estratégicas, con frecuencia eligen los servicios de proveedores de red privada virtual (VPN). Este tipo de proveedor establece, mediante ingeniería especializada, la configuración de señalización por encima de la red Internet, mediante una red virtual que garantiza propiedades de calidad de servicios aceptables entre todos los puntos de acceso de la empresa, con inclusión de algunos puntos de acceso dinámicos para los usuarios distantes. Por supuesto que una VPN sólo podrá establecerse mediante la reservación de recursos en todas las redes fijas que la apoyen; por consiguiente, un servicio de este tipo tendrá un costo más elevado y está previsto actualmente sólo para clientes empresariales.

Tomado de: https://www.itu.int/ITU-D/cyb/publications/2003/IP-tel_report-es.pdf

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Calidad de servicio en el contexto de la red telefónica

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Aspectos técnicos: En el contexto de la red telefónica convencional con conmutación de circuitos, ha sido necesario, a fin de analizar la calidad de la reproducción de la voz, definir las nociones de inteligibilidad y el confort de escucha.

En el caso del servicio telefónico, estos criterios de calidad se aplican «extremo a extremo» en un enlace complejo (nacional de larga distancia o internacional, por ejemplo, a través de varias centrales telefónicas y jerarquías de sistemas de transmisión), con el objetivo de producir recomendaciones para cada uno de los sistemas (es decir, enlaces en la cadena) que intervienen en esta conexión extremo a extremo.

Cuando todos los operadores interesados cumplen esas recomendaciones, el resultado son llamadas extremadamente complejas, tanto nacionales como internacionales, que son utilizadas por todas las partes que intervienen en la llamada. Las fuentes principales de degradación de la calidad estriban en:

• el procedimiento de numeración;
• el eco percibido por el hablante o el oyente;
• las tasas de errores de transmisión.

La congestión de la red no se toma en cuenta debido a que, cuando se trata de conmutación de circuitos, finalmente conduce a la indisponibilidad de la llamada pero no afecta la calidad de las llamadas establecidas. Por lo que se refiere a las tasas de errores, éstas tienden actualmente a relacionarse únicamente con la esfera móvil, ya que los medios de transmisión fijos se caracterizan por un excelente nivel de calidad.

Digitalización

La digitalización a 64 kbit/s, normalizada a finales del decenio de 1960, garantiza una excelente calidad, aunque debe tenerse en cuenta que varias conversiones analógico/digital y viceversa pueden afectar la calidad de la llamada.

No obstante, dada la amplia generalización de la digitalización de la transmisión, el fenómeno de conversiones sucesivas pertenece al pasado. Por motivos de índole económica, los operadores utilizan sistemas de compresión vocal (equipo de multiplicación de circuitos (CME)) en los enlaces intercontinentales con un factor de compresión de hasta ocho y con dependencia de la no simultaneidad de actividad en ambas partes de la llamada y en la redundancia de la señal vocal.

El nivel de compresión varía según el volumen de tráfico, aplicándose en consecuencia la máxima tasa de compresión sólo durante los periodos cargados. Ese tipo de compresión es característico de un enlace de transmisión entre dos centrales. Si una llamada atraviesa varios enlaces y cada uno aplica la técnica de compresión, la degradación de la calidad se verá acumulada; no obstante, la norma que permite describir la percepción de esa degradación acumulada es considerablemente compleja. Se trata, por tanto, de limitar el número de veces que se comprime/descomprime una llamada.

Eco y retardo Toda transmisión implica un tiempo de propagación, el cual puede tener una duración de una fracción de un segundo (satélites geoestacionarios). En el caso de transmisiones por cable o por fibra óptica, el tiempo de propagación es de aproximadamente 3 ms/km. La distancia tiene que aumentarse teniendo en cuenta los desvíos originados por las características del terreno y también por los trayectos adicionales que han de utilizarse para la protección contra las interrupciones.

La conmutación de circuitos convencional incluye un retardo del orden de un cuarto o medio milisegundo por cada central atravesada. En general, una conexión que no se establece por satélite experimentará un retardo de pocos milisegundos, aumentados por aproximadamente 8 ms por cada mil kilómetros. Cuando se emplea la transmisión vocal por un sistema ATM, y se utiliza un circuito virtual por cada canal, deberá añadirse un retardo de al menos 6 ms correspondientes a la «inserción en las células».

Este retardo representa una dificultad para la parte que desea hablar, particularmente cuando ambas partes comienzan a hablar al mismo tiempo y tienen que decidir quién continuará. Esta situación no se presenta en el caso de conexiones nacionales terrestres que emplean la conmutación de circuitos entre las dos partes, ya que en este caso los retardos son suficientemente cortos.

Sin embargo, cuando los retardos alcanzan una fracción de un segundo (como en el caso de un salto por satélite geoestacionario), el problema comienza a hacerse perceptible, y exige establecer medidas de disciplina en cada extremo de la llamada, particularmente en el caso de una conferencia telefónica. En principio, no es normal encontrar conexiones en las que intervengan dos saltos geoestacionarios. El fenómeno del eco se debe a la separación insuficiente entre los dos sentidos de transmisión en la interfaz entre la línea de abonado analógica y el conmutador temporal.

El retardo de transmisión produce un efecto que es más perceptible, y en consecuencia más molesto, acoplándose entre los dos sentidos de transmisión. Por este motivo las conexiones con tiempos de propagación prolongados emplean equipos con compensadores de eco, los cuales producen de una forma autoadaptable una señal que compensa la señal de eco

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Aspectos relativos a la organización de la red

Además de los elementos técnicos mencionados anteriormente, es importante observar que, de todas las características de la red de telecomunicaciones que contribuyen a la calidad de servicio, la principal es el «reconocimiento» de la semántica de la aplicación (transferencia de la voz) por todos los componentes activos en la red de telecomunicaciones (es decir, las centrales). Este reconocimiento es más complicado que la simple reservación de un recurso en forma de un circuito de 64 kbit/s durante toda la llamada10, ya que la calidad se asegura principalmente por el diálogo de señalización que se intercambia de extremo a extremo entre todos los componentes activos de la red. Esto permite reservar y mantener los recursos necesarios durante toda una llamada.

El costo de los recursos movilizados para una determinada llamada se debe principalmente, en su mayor parte, al mantenimiento de un «estado» para esa llamada entre todos los componentes activos de la red así como a los recursos de transporte realmente movilizados (circuitos en el caso de las redes de telecomunicaciones actuales).

En realidad, aunque se emplee un modo de transporte por paquetes (véase el análisis de las redes de datos más adelante) sería difícil establecer la comunicación sin la reservación de los recursos de red adecuados para cada llamada si el objetivo es poder garantizar la calidad de servicio. De manera similar, este modo de funcionamiento podría aplicarse tanto a un modo de transferencia de paquetes como a un modo con conmutación de circuitos.

El protocolo BICC (véase la cláusula G.2 del Anexo G) definido recientemente por el UIT-T demuestra la posible transposición del método inicial concebido para el modo de transporte de circuitos (protocolo PUSI) en las redes de telecomunicaciones a un nuevo modo de transporte por paquetes (ATM o IP)

Tomado de: https://www.itu.int/ITU-D/cyb/publications/2003/IP-tel_report-es.pdf

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Problemas de voz sobre IP en red local en VoIP

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Los inconvenientes son:

· Puede haber un empeoramiento en la calidad de la voz.
· Hay que controlar el tráfico en la red local (LAN).
· Al ocupar un ancho de banda constante el número de operadores conectados puede estar limitado.

Tomado de:
Gracía, V. (2007). Análisis del servicio instalado en laboratorios Médico Polanco(tesis de pregrado). Instituto Politécnico Nacional, México D.F.
Fuente:
http://itzamna.bnct.ipn.mx/bitstream/handle/123456789/6416/ice138.pdf?sequence=1

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Resolviendo los problemas de retardo QoS

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Ellis K. Cave (2000) en su conferencia New Directions in IP Telephony mencionó que los problemas de retardo en voz pueden tener solución si se toman en cuenta los siguientes puntos.

1.-Dar más ancho de banda. Al ofrecer más ancho de banda el problema de retardo no se garantiza, siempre existe probabilidad para colisiones, se requiere un gran tamaño de ancho de banda en la red para manejar todas las llamadas sin congestión.

2. Dar un protocolo de retardo garantizado sobre los protocolos de paquetes existentes, es decir, se requiere un protocolo para: Reservación de recursos (RSVP, SII), que permita una específica QoS para cada aplicación.

· Requiere modificación de rutas actuales para nuevos protocolos (ej. multicast)
· El reservado de ancho de banda se obtiene del usuario final, del proveedor de accesos y proveedor de red; es aquí donde surge una interrogante ¿Quién y cómo paga estos recursos?

3. Trazar un nuevo protocolo que incluya problemas de retardo. ATM (modo de transferencia asíncrona) puede trabajar tráfico isócrono y tráfico en ráfagas y proporcionar la calidad de servicio (QoS) solicitada. Combina los beneficios de la conmutación de paquetes y la conmutación de circuitos, reservando ancho de banda bajo demanda de una manera eficaz y de costo efectivo, a la vez que garantiza ancho de banda y calidad de servicio para aquellas aplicaciones sensibles a retardos como lo es VoIP.

· Compromiso entre requerimientos de voz y datos.
· Dándole la misma importancia a la tarifación.

Tomado de:
Gracía, V. (2007). Análisis del servicio instalado en laboratorios Médico Polanco(tesis de pregrado). Instituto Politécnico Nacional, México D.F.
Fuente:
http://itzamna.bnct.ipn.mx/bitstream/handle/123456789/6416/ice138.pdf?sequence=1

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Desventajas al Usar la Telefonia por Internet (VoIP)

Problemas de la VoIP y limitacione

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Problemas de la VoIP Problemas que no existían o estaban solucionados con la telefonía tradicional y que afectan la calidad del servicio (QoS).

• Requerimiento de ancho de banda.
• Latencia o retardo (>300 ms es impracticable).
• Jitter: variación de latencia.

Principal problema: la jungla de Internet.

Limitaciones

• Las redes IP generalmente no permiten garantizar un tiempo mínimo para atravesarlas.
• Las redes IP están diseñadas para descartar paquetes en caso de congestión y retransmitirlos en caso de error. Esto no es adecuado para la voz.
• Los retardos de cientos de ms, comunes en redes de datos, son inaceptables en una conversación telefónica.

Tomado de: http://www.micronica.es/files/pdfs/STFM/Conceptos_basicos_VoIP.pdf

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Desventajas al Usar la Telefonia por Internet (VoIP)

Modelo de (QoS)

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BEST-EFFORT
Modelo simple de servicio, en el cual, una aplicacion envia informacion cuando ella lo desea, en cualquier cantidad, sin ningun permiso requerido y sin informar previamente a la red.

INTSERV

Este modelo se basa en la idea de reserva de recursos en la red flujos. Su objetivo es dar garantia QoS a sesiones de aplicaciones individuales(flujos) basados es: reserva de recursos y control de admisión.

DIFFSERV

Consiste en un método para marcar o etiquetar paquetes, permitiendo a los routers modificar su comportamiento de envió.

Tomado de: https://sites.google.com/site/redescovergentesingluis/unidad-ii/modelo-de-qos

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Desventajas al Usar la Telefonia por Internet (VoIP)

Redes de nueva generación

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REDES DE NUEVA GENERACIÓN: La NGN se define como aquella basada en paquetes que permite prestar servicios de telecomunicaciones con QoS garantizada, con movilidad y que permite la convergencia de servicios y aplicaciones. Este modelo de arquitectura de Redes permite desarrollar toda gama de servicios IP multimedia; por ende, la función de NGN se basa en generar una evolución para pasar de un sistema de telecomunicaciones a otro.

La introducción de NGN tiene un gran impacto en los sistemas de telecomunicaciones empleados en la actualidad, pues este nuevo planteamiento resuelve el principal punto débil para aplicar VoIP en las comunicaciones: la calidad y la garantía del servicio de extremo a extremo. Otras de sus características se enlistan a continuación:

– Red multiservicio capaz de manejar voz, datos y vídeo.
– Movilidad generalizada.
– Servicios convergentes entre fijo/móvil.
– Red con el plano de control (señalización, control) separado del plano de transporte y conmutación/encaminamiento.
– Posee interfaces abiertas para el inter-funcionamiento entre los niveles de transporte, control y las aplicaciones.
– Garantiza QoS para distintos tipos de tráfico y de Acuerdo de Nivel de Servicio (SLA).
– Transferencia basada en datagramas IP para el transporte de todo tipo de información.
– Compatibilidad con una amplia gama de servicios, aplicaciones y mecanismos basados en módulos de servicios.
– Acceso sin restricciones por los usuarios a diferentes proveedores de servicios.
– Características del servicio unificado para el mismo servicio que percibe el usuario.
– Cumple con todos los requisitos reglamentarios relativos a las comunicaciones de emergencia, seguridad, privacidad…

La arquitectura general de NGN está basada en una topología jerárquica distribuida en cuatro niveles, con conectividad al nivel superior y dentro del mismo nivel. En la figura 4.2 se muestra como están dispuestos estos niveles.

Nivel de Acceso
Incluye las tecnologías para conectarse a los clientes finales. Se incluyen aquí las líneas de cobre, sistemas de cable, sistemas inalámbricos, anillos Metro Ethernet…

Nivel de Conectividad Primaria (Núcleo)

Esta capa se encarga de las tareas de conmutación, encaminamiento de los datagramas IP de extremo a extremo, además del transporte y control de la señalización. Este nivel se basa en IP utilizando ATM, MPLS y Ethernet. En el borde se usan GWs para la conexión con otras Redes a través de las Pasarelas como Red Troncal (TGWs) o bien con los equipos de clientes mediante las Pasarelas de Acceso (AGW).

Nivel de Control

Nivel esencial en una NGN pues coordina todos los elementos en los otros niveles. Se encarga de asegurar el inter-funcionamiento de la Red de transporte (Núcleo y Nivel de Acceso) con los servicios y aplicaciones mediante la interpretación, generación, distribución y traducción de la señalización correspondiente con los protocolos. Permite la provisión, supervisión, recuperación y análisis del desempeño para dirigir la Red.

Uno de los dispositivos más importantes en la NGN es el Softswitch, que es un dispositivo programable empleado en este nivel y que controla las llamadas VoIP [113]. El Softswitch permite la correcta integración de los diferentes protocolos dentro de la NGN, y además se encarga de la creación de la interfaz a la Red telefónica existente a través de GWs de señalización y MGs.

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Nivel de Servicio

Los tipos de servicios deben abarcar los ya existentes y además una gama de servicios de datos y de multimedia en cualquier combinación posible. Estos deben ser independientes de la tecnología a utilizar y son colocados generalmente de forma centralizada a fin de lograr mayor eficiencia y además distribuirlos a la Red. Este nivel incluye el equipamiento necesario para proporcionar los servicios y aplicaciones a la Red.

Arquitectura de una NGN

Arquitectura de una NGN

La existencia de muchas tecnologías y servicios que presentan dificultad para pasar de unas Redes a otras se soluciona con la implementación de la NGN, que con el apoyo del Subsistema Multimedia de IP (IMS) trata de unificar todos los servicios sobre la misma Red. La unificación como tal conlleva a Redes convergentes de servicios y de infraestructura.

IMS se refiere a una arquitectura funcional para la prestación de servicios multimedia basada en protocolos de Internet, cuyo objetivo es el combinar Internet y el mundo de la telefonía móvil. Este estándar se especifica en el Proyecto de Asociación de Tercera Generación (3GPP).

IMS fue introducida en el UMTS versión 5 en marzo de 2003. Su primera versión se centró en facilitar el desarrollo y despliegue de nuevos servicios en Redes móviles. Esta norma fue más adelante extendida por un organismo de normalización del Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones (ETSI), el cual es conocido como Telecomunicaciones e Internet convergente de Servicios y Protocolos para Redes Avanzadas (TISPAN) y que estandariza el IMS como un subsistema de las NGNs.

IMS es una arquitectura concebida para ofrecer servicios multimedia. Este estándar posibilita a los operadores brindar servicios de valor agregado sobre una infraestructura IP existente, permitiendo la interoperabilidad de los servicios sin importar el tipo de Red de acceso.

Funcionamiento IMS en NGN

Funcionamiento IMS en NGN

Los protocolos de señalización empleados en la NGN son:

– Diameter. Es el estándar industrial para señalización de datos desde dispositivos móviles como teléfonos inteligentes y tabletas. Está diseñado para realizar funciones distintas pero complementarias a SIP en Redes IMS / LTE [119]. La señalización Diameter es empleada para la autorización, autenticación, movilidad y la QoS; siendo esencial para la prestación de servicios y de Redes para operar eficientemente.

– SIP. Protocolo de señalización de IMS para el control de sesiones y el control de servicios; junto con Diameter son los encargados de conducir la mayor parte de las comunicaciones en Redes IMS. Todos los usuarios tienen que registrarse a la Red a través de este protocolo.

– H.248. Se utiliza para la señalización y administración de sesiones necesarias durante la comunicación entre un MG y un MGC; por lo que es empleado como un protocolo de senalización en la NGN, permitiendo establecer, mantener y terminar llamadas.

– Señalización de Transporte o SIGTRAN (RFC 2719). Se refiere a una pila de protocolos para el transporte de protocolos de señalización de la SCN sobre Internet.

Protocolos SIGTRAN

Protocolos SIGTRAN

SIGTRAN define los adaptadores y una capacidad de transporte básico donde se mezclan los protocolos SS7 y de conmutación de paquetes para ofrecer a los usuarios lo mejor de ambas tecnologías [121]. El protocolo más importante definido por el grupo SIGTRAN es el Protocolo de Control de Transmisión de Flujo (SCTP) [122], el mismo que es empleado para transportar señalización PSTN sobre Internet. Este grupo fue influenciado con la intención de utilizar los nuevos protocolos para la adaptación de VoIP a la PSTN. La familia de protocolos SIGTRAN incluye los protocolos que se muestran en la tabla

Con NGN se despliega un amplio conjunto de capacidades avanzadas para el soporte de nuevos servicios y aplicaciones, los cuales serían producto de la convergencia de distintas Redes. Este auge incrementaría significativamente la adquisición de equipos terminales y en mayor volumen los teléfonos inteligentes y las tabletas.

Dado que el despliegue de las Redes celulares 3G y 4G (que se basan en IMS) sigue avanzando, como consecuencia un gran número de huéspedes celulares están siendo conectados a Internet.

Y este continuo crecimiento en Internet requiere que su arquitectura general evolucione para adaptarse a las nuevas tecnologías y apoyar el creciente número de usuarios, aplicaciones, dispositivos y servicios; por lo que se hace necesario la transición hacia Redes IPv6, las cuales brindarían apoyo al despliegue de VoIP móvil].

Pues si se considera que para cada terminal se va a necesitar una dirección IP, entonces el despliegue de Redes IPv6 contribuiría en gran medida en este ámbito; esto es debido no sólo a sus beneficios de seguridad y QoS, sino principalmente por la gran cantidad de direcciones IP que posee este estándar. Con el despliegue de IPv6 se podría asignar una dirección específica a cada terminal, dando a los usuarios la opción de estar en cualquier lugar del mundo sin tener que cambiar de IP.

La plataforma IMS fue diseñada para proveer conectividad IP a las Redes de telefonía móvil y otorgar a los usuarios una amplia gama de servicios multimedia; siendo explotadas todas sus bondades con el protocolo LTE, gracias a su gran velocidad de transferencia.

IMS se compone de diversos servidores que se comunican por intermedio de SIP, los cuales encaminan los diferentes requerimientos haciendo factible brindar al usuario servicios tales como: juegos multiusuario, transmisión de imágenes en tiempo real, videoconferencia, VoIP, mensajería instantánea, IPTV…

Pese a sus virtudes IMS todavía presenta problemas de compatibilidad en términos de configuración, seguridad y QoS; razón por la cual es requerida investigación continua para facilitar la transición hacia las Redes NGN. En este sentido se ha establecido el proyecto Open IMS Core desarrollado por el instituto FOKUS de Alemania, el cual representa un punto de partida de nuevas investigaciones para el testeo de la arquitectura IMS en NGN de 4G.

En consecuencia las Redes IPv6 mantienen un impacto directo en NGN en cuatro aspectos esenciales: capacidad de servicio mejorada, conectividad IP total, la auto-organización, y la detección de servicios mediante la configuración automática y dispositivos conectados a más de una Red informática (multihoming) utilizando direccionamiento IPv6. Para afrontar estos escenarios se han establecido soluciones técnicas claves tales como: el marco para apoyar la señalización para NGN basada en IPv6 [127], marco de multihoming en NGN basada en IPv6 [128] y requisitos funcionales para la migración IPv6 en NGN.

Tomado de:
Gutiérrez, R. (2014). Estudio detallado de los protocolos SIP, H.323 y otros, para la señalización en VoIP: Estado actual y futuro (tesis de grado). Escuela Superior Politécnica del Litoral, Guayaquil, Ecuador.

Fuente:
http://www.cib.espol.edu.ec/Digipath/D_Tesis_PDF/D-84316.pdf

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SIP Telefonía e IVR (Respuesta Automática)

Calidad de servicio, Futuro de la VoIP

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FUTURO DE LA VOIP: Este capítulo se enfoca en los retos que se deben considerar al momento de la implementación de servicios basados en VoIP, tales como: QoS, IPv6, NGN, seguridad dependiendo de los protocolos de señalización empleados y la capacidad de estos estándares para trabajar con NAT.

CALIDAD DE SERVICIO La QoS es importante para el éxito de los servicios de la VoIP. A través de los años los mecanismos de QoS se han vuelto más y más sofisticados; por tal razón, en la actualidad se puede contar con mecanismos de QoS desde redes de pequeña extensión geográfica (o poco número de equipos) hasta Redes gigantes (de gran extensión geográfica o número de dispositivos).

Una Red ofrece QoS si fuera capaz de distinguir y gestionar un conjunto de paquetes coherentes con el fin de satisfacer los requisitos de la aplicación que genera. Por ende en VoIP, QoS significa simplemente ser capaz de escuchar y hablar con una voz clara y continua, sin ruidos no deseados.

Existen métodos para QoS en VoIP, pero ninguno puede ser categorizado como el mejor o el peor, pues el uso de cada uno de estos mecanismos dependerá de un sin número de características a tener presente, tales como la arquitectura de la Red, la infraestructura, protocolos empleados, seguridad y el nivel de QoS que se desee obtener.

Es así como múltiples trabajos concernientes a estos métodos se han desarrollado, en los cuales se consideran distintas simulaciones para mostrar en que ambientes se comportan de manera más eficiente. En esta sección se detallan las principales maneras de aplicar QoS en VoIP. Los modelos en cuestión son presentados a continuación:

– Best Effort. Es el enfoque tradicional, en el cual Internet maneja todos los paquetes como si tuvieran igual prioridad de comunicación en un encaminador. Este modelo no proporciona mecanismos para garantizar QoS.

Es utilizado cuando se dispone del suficiente ancho de banda para asegurar que no se produzcan problemas de congestión; razón por la cual se emplea únicamente para Redes telefónicas. Esta técnica es utilizada gracias a que las prestaciones del nivel físico sobre las que funciona Internet han ido mejorando con el tiempo, siendo capaz de ofrecer mayor ancho de banda. Sin embargo, este sistema presenta complicaciones para la prestación de servicios que requieren la transmisión de datos en tiempo real, puesto que la llegada de datagramas IP desordenados o su pérdida pueden llegar a afectar de manera crítica a la QoS.

Este esquema de diseño se elige cuando el costo del ancho de banda para el proveedor del servicio es barato o porque sus conocimientos de QoS son limitados (esto último no suele ocurrir en operadores de gran escala).

– Servicios Integrados (IntServ). El segundo modelo de QoS usa una arquitectura plana de control y datos; posee las aplicaciones para señalar los requisitos de QoS de la Red [59]. El RSVP es el que lleva a cabo esta solicitud.

Este modelo podría no escalar bien en una Red de servicios de gran extensión geográfica o número de encaminadores, debido a la gran cantidad de señalización en una llamada y a los ajustes que se deben realizar. IntServ también proporciona control de admisión, el cual puede ser basado en políticas de Red o recursos disponibles.

– Servicios Diferenciados (DiffServ). El tercer modelo de QoS usa una arquitectura plana sólo de datos. A diferencia de IntServ, éste no tiene incorporado recursos o políticas de control de admisión; gracias a esto permite escalabilidad, razón por la cual muchos proveedores de servicio hoy en día utilizan este modelo como su arquitectura de QoS [61, 62, 63]. DiffServ provee dos funciones principales:

– En la primera marca los paquetes con la clase de tráfico correcta, es decir, el encaminador extremo del proveedor de servicio o GW VoIP tiene políticas de tráfico entrante, así que marca los paquetes con el correcto valor de Punto de Código de Servicios Diferenciados (DSCP), el cual sirve para clasificar el tráfico.

– En segundo lugar, DiffServ maneja estos paquetes marcados apropiadamente para utilizar un procedimiento definido llamado Comportamiento por Salto (PHB), el cual debe ser implementado en todos los encaminadores. PHB define el tratamiento de QoS para cada clase de tráfico que fluya a través de un encaminador.

Su debilidad radica en que al no tener consciencia de camino reservado para una aplicación concreta, esta arquitectura no es sensible a cambios bruscos en variaciones de ese camino y por lo tanto degrada una llamada en curso.

Sin embargo, este modelo es ampliamente utilizado y la razón principal para la acogida de DiffServ por encima de IntServ es la escalabilidad de este último y el costo en recursos que representa conservar información de estado sobre cada flujo activo en cada encaminador del trayecto. En los encaminadores del backbone de Internet esto supone mantener tablas con miles de entradas que se han de estar actualizando constantemente.

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Otras técnicas muy empleadas para el control de QoS se exponen a continuación:

– MPLS. Representa una solución clásica y estándar al transporte de información en las Redes. Esta técnica combina tanto la flexibilidad de las comunicaciones punto a punto como la fiabilidad, calidad y seguridad de los servicios Frame Relay o ATM [65]; por lo que está reemplazando rápidamente a estos servicios, convirtiéndose en la tecnología preferida para llevar datos de alta velocidad y voz digital en una sola conexión.

MPLS es un mecanismo de conmutación que asigna etiquetas (números) a los paquetes, y luego reenvía los paquetes basados en las etiquetas. Las etiquetas se asignan en el borde de la Red MPLS, y éstas generalmente corresponden a una ruta de acceso a las direcciones de destino de capa 3, algo similar al destino de encaminamiento IP.

A pesar de estar diseñado para cursar servicios diferenciados según el modelo DiffServ del IETF, esta técnica puede inclusive combinar los modelos IntServ y DiffServ en Redes heterogéneas [67]. Por lo que uno de los principales beneficios de los servicios basados en MPLS reside en su capacidad para aplicar QoS mediante la priorización del tráfico en tiempo real, una prestación clave cuando se quiere introducir voz y vídeo en Internet.

Su topología ofrece a los administradores la flexibilidad para desviar tráfico sobre la marcha en caso de fallas en los enlaces o congestión de Red. Además, la Ingeniería de Tráfico (TE) y la precisión e inteligencia del encaminamiento MPLS permiten empaquetar más datos en el ancho de banda disponible y reducir los requisitos de procesamiento a nivel del encaminador [68, 69]. Por este motivo se prefiere usar MPLS en VoIP, dada su capacidad para dar prioridad a los datagramas de voz.

– Multiprotocolo de Conmutación por Etiquetas Generalizado (GMPLS). Proporciona características de Redes orientadas a conexión, a Redes no orientadas a conexión. Es muy parecido a MPLS, sin embargo difiere en que soporta múltiples tipos de conmutación, extendiendo el concepto de MPLS a Redes TDM/SDH y Redes ópticas. Además, sirve para proveer los recursos de las Redes actuales de forma dinámica y proporcionar potentes técnicas de codificación.

Su principal ventaja es que gran parte de su funcionamiento se basa en tecnología que ya está en funcionamiento, con lo que implementarlo físicamente no tiene un costo elevado; razón por la que es muy empleado en la práctica.

Tomado de:
Gutiérrez, R. (2014). Estudio detallado de los protocolos SIP, H.323 y otros, para la señalización en VoIP: Estado actual y futuro (tesis de grado). Escuela Superior Politécnica del Litoral, Guayaquil, Ecuador.

Fuente:
http://www.cib.espol.edu.ec/Digipath/D_Tesis_PDF/D-84316.pdf

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