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TESIS DEFENDIDA POR
José Ramiro Beltran Jaime
Y APROBADAPOR EL SIGUIENTE COMITE
Dr. JoséLui$ Medina Monroy Z Wc. Jaime Sanchez Garcia
Miembro del Comité Miembro del Comité
_potlatath
LTE
M.C. Carlos Roberto Duarte Mujfioz Miembro del Comité
4 y
Dr. José Luis Medina Monroy Dr. Federico GrechHeh Jefe del Departamento de Electrénica y Director de Estudios de Posgrado
Telecomunicaciones
CENTRO DE INVESTIGACION CIENTIFICA Y
DE EDUCACION SUPERIOR DE ENSENADA
CICESE
DIVISION DE FISICA APLICADA
DEPARTAMENTO DE
ELECTRONICA Y TELECOMUNICACIONES
IMPACTOS AL IMPLEMENTAR EL SERVICIO DE
Voz A TRAVES DE UNA RED IP
TESIS
Con el objeto de cubrir parcialmente los requisitos necesarios para
obtener el grado de Maestro en Ciencias presenta:
JOSE RAMIRO BELTRAN JAIME
RESUMENdela Tesis de José Ramiro Beltran Jaime, presentada comorequisito parcial
para la obtencién del grado de MAESTRO en CIENCIAS en ELECTRONICA Y
TELECOMUNICACIONES.Ensenada, Baja California, México. Diciembre de 1999.IMPACTOS AL IMPLEMENTAR EL SERVICIO
E VOZ (arTRAVES DE
UNA REDIP
.
_———
Resumen aprobadopor:
Director deltesis 4M.C.Jorge E. a i
\
Palabras clave: Voz sobre IP, Red de Internet, Compresion de Voz, Protocolo de
Transmisi6n en Tiempo Real, Protocolo IP, Protocolo UDP,TelefoniaIP.
ABSTRACT of the Thesis of José Ramiro Beltran Jaime, presented as partial
requirement to obtain the MASTER in SCIENCES degree in ELECTRONICS AND
TELECOMMUNICATIONS. Ensenada, Baja California, México. December 1999.
VOICE OVER AN IP NETWORK, IMPLEMENTATION IMPACTS
Recently, the data networks have shown a high growth, such that they have already started
to be used as voice transport networks. This tendency was the guideline for thedevelopmentofthis thesis, which is aimed to studying the impacts of transmitting voice
traffic over the Servicios ALESTRA S.A. de C.V.private network and the Internet. Since voice, data and video may simultaneously coexist in the data network, the main objectives of this thesis are to evaluate the effect of voice over IP (VoIP) traffic and characterize the routers used to handle this traffic. The reach of this study embraces the performanceanalysis of a real IP network, considering low traffic rates, disregarding the analysis of
head compression algorithms, which may improve the throughput of the network. The analysis is focused on the parameters that define the network performance,as well as to thebandwidth consumption, this last being a very importantfactor for the proper dimensioning
of the network. The results where obtained by meansof the NETSYS modeling tool, which
allows us to simulate the real IP network with the actual configuration utilized in the
experiment and measure the router’s handled traffic and performance. It is worth to
caution that the IP network utilized may transmit packets through the Internet, which doesnot provide guaranteed Quality of Service (QoS). In our study we analyze the performance
of a communication between ALESTRA and CICESE,using Internet as an intermediatetransport medium. The objective was to get information about paths followed by the
packets between origin and destination. For the analysis of the Internet transport medium, weused a VoIPtraffic emulator, since it was not possible to test a real scenario.Keywords: Voice over IP, Internet Network, Voice Compression, Real Time Transmission
DEDICATORIA
Dedicado con amory carifio:
A mis Padres
Maria Angélica Jaime Duran y RamiroBeltran Castillo
Por el amory el apoyo que me han brindadosiempre, gracias
A mi Hermano
Adrian Beltran Jaime
Por el apoyo que me ha brindadosiempre, gracias
A mi Novia
Adriana de la Garza Rodriguez
Por su carino y los momentos tan agradables que me ha hecho
pasar, gracias
A Todos mis Amigos
AGRADECIMIENTOS
A Dios por darme salud y las facultades que me han permitido salir adelante en la
vida.A midirector de tesis y amigo M.C. Jorge Enrique Preciado Velasco por su apoyo y
asesoria.
A los miembros de mi comité de tesis: M.C. Jaime Sanchez Garcia, Dr. José Luis Medina Monroyy M.C.Carlos Duarte Mufioz, por la orientacién, valiosos comentarios
y correcciones para que este trabajo culminara en su mejorformaposible.
A mis compafieros de generaciény de otras generaciones por su amistad.
Al Centro de Investigacién Cientifica y de Educacién Superior de Ensenada, CICESE,por haberme permitido aprender mas y mejorar mi formacién académica.
A la empresa Servicios Alestra S.A De C.V. y en particular al departamento de Planeacién e Inversién de la red, por haberme facilitado los medios para que se llevara al cabo gran parte experimentalde esta tesis.
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologia, CONACYTpor su apoyo econdémico
para la culminacién de mis estudios de maestria.
CONTENIDO
Pagina
I INTRODUCCION...000e000sshcbnssWvsadLaaeNSEvannevonceessnenansensonensserostnenssnesseessvnsestensspsnsususcesneosice 1
L.1 ANTECEDENTES...cscsceccesseseseesceesesacesceesseseeeseessenssccacensesesaecaecesscseesecsecsscssceecsueaecuccaseases 1 1.2 DEFINICION DEL PROBLEMA.
1.3 OBJETIVO GENERAL...
1.4 METAS DE TRABAJO...2000 1.5 INFRAESTRUCTURA EMPLEADA...
1.6 ORGANIZACION DEL TRABAJO...cccscsceccessssscscseosessescsenscscensescsecsesesssesesececscseacsesssseseasseees 5
II DESCRIPCION DE VOZ SOBRE IP (VOIP) wall
IL.1 INTRODUCCION...ccccseesceceseseesescesesenersceeseaeeseseseesseseeseeueesscaeccaesecsestsacsteasseeeees ave 7 II.2 DEFINICION DE VOZ SOBRE IP (VOIP)...cccceceeesseseesesseeseceseestcsesseecsseseaeeeeetenes 8 II.3 ELEMENTOS QUE CONSTITUYEN EL AMBIENTE DE VOIP .. 8 TL 3bi Red TelepOntct.ccccvcassovessorvvsesswessuasiey ay peau te cea seeesReePGAeCas Vis sianas annneneantenanenseeneananeree 9
TIB.2 GOt@WA) VOIP...corecoonsevassvevresecanenseresseeseshoe ies suact sates Th GEREN ESTAS INNS TRENIRoe 9
11.3.3 Enrutador... .10
TE 3.4 ROE THMCPROEss csssissvccsrccesngery ces coo nncsennenesnoreahenonpnanspncessonnuns mmutkedseaczseversemneceaseusees 10
IL.4-FUNGIONAMIENTO DE ‘VOIP ysscsssssesvesessesscsvsanascasseessisseeevicss<ennpencasennanecancaneancarennzansnnseseas 11
TI.5 MODELO DE REFERENCIA.... -12
TO: CABALDE RED:...cssaressaanleranenaannnnennnonesnunnonnuwnnneecsinesi emoeinaecenasiesv HeelreTeHUNT VES RSUDIETUTRNUNTES 13
TL.6.1 FYAQMentAcion ...cccccececccseeesesceesescseseseesessseeeneseecsecssavessessessastesesieasentsseseeneeeeeees 13
II.7 CAPA DE TRANSPORTE... 15
ILIA PaquetizaciOn:de VOIP.ccceccscsccsssvssssesvasssensnaasesvsnsesiseieavesheneceprenearsenendanensacerossaens 16
IL7.2 Protocolo RTP (Protocolo de Transporte en Tiempo Rel)...c.ccccccccceeceeeseeees 18 II.8 DESCRIPCION DE FUNCIONES DE CAPAS SUPERIORES...0000000+ 19 IL.8.2 Sistema de COMpresiONn Ae VOZ...eececcsccscsssssseseesseseseesecscsseecssscsestseaeiseesesesscseseeees 191.8.2.1 Codificacion....
II.8.2.1.1 Caracteristicas de los codificadores..
11.8.3 Agente de Administracién de Llamada....
TL.9 ESTANDAR H.323...ccesesseseseeseeeseseeeeeeeees20
2]
Ill TRAFICO DEVOIP...saabsaCaRTOONSTSSSUUSSUESINGABcAnnanneinunsoversnansennevensaesecs
25
THe 1 INTRODUCCION wssesesssswsesseavazgscesenvagesascasciinccsonersoncononrsnnseneennecnnmreavanersnaoneseancsoracessuscoatce 25 TIT.2 PARAMETROS DE DESEMPENO...::sceecesssssssssseecesesceceessscesecessseesscseesssacacesscscaveseseess 25IIL. 2.1 Retardo de paquetes....
.
DIEZ 2 SULcess scvesscay vam ts see WSN a 8 6a SSE RUSE UR TS RSVR EEC INCS EATEN TEN ON SS SIRT 5 oat 28
TIL.2.3 Pérdida de Paquetes ...c.cccccccceccscsesesssesessesesesesesesesesssesesssssesesesveseseseseecseecseseee 28
TH.2.4 CALIDAD DE VOZ o...eeceescseseesessesesseseeeseaecesesesateeseateaeeneeCONTENIDO(continuacién)
Pagina
IV IMPLEMENTACION DEL ESCENARIO DE PRUEBA.u...sssssssssssssssssseessesssseesseses 42
TV..1 INTRODUCCION....ccscsrerncnnssserenssnessenenesasntasnnssoucanassesnvassnatesyenenyesuees nislarsieivs eevee 42 TV.2 INFRAESTRUCTURA EMPLEADA...cscsscsesseseesesncessssecseessssessesesssasensssaestensseesaeseeseseesente 42TIVE Equipe Uttlizado’ cziss sess soenssrqresorenssnnsnnenecees seannvsonenseovsesevsttts coesesatevenssansuaneesieeses 44
IV.3 DESCRIPCION DEL EXPERIMENTO. 45
WBF Protocolo:de:- Pruebassis ssccussexacanescncesateasiseei0ivignsensneorssnsgnnqeanannansierssvanteannansenemes 46 EVBL ok PRED T sco cevocessevsencdewcusresuxvensessuwe wwtscsnes sus gusy ee eat gerRG ACUN eas banan sanoaneasoaraaes 46
IV.3.1.2 Prueba 2.. 48
LV 3. LA PHUEDGE 3 asa ccyeareronsanvaniarnorsensenssesnaceotanonsseteansussbetavstocsiasssteasissctwessesslisseveesbeaaes 49 TVGLS Preebae 4 cvcscsssczacszcznsssssnvssssivésconsananennancenennerwmnannnnerenetenetccessteareovseta veunuwvneevsces 51
V ANALISIS DE RESULTADOS
54
V.1 INTRODUCCION...cseeeeeseeees
V.2 PLAN DE ANALISIS....
V.3 ANALISIS DE DESEMPENO DEL SERVICIO DE VOIP ou...cece
V.3.1 Desempefio del Servicio de VoIP a Través de una Red Privada
V.3.1.1 Andlisis de la Prueba ...c.ceccececetetceeeees V.3.1.1.1 Desempefio de Retardo...
V.3.1.1.2 Desempefio de Pérdida de paquetes...:...0... V.3.1.1.3 Impacto en el Consumo de Ancho de Banda... V.3.1.1.4 Tamafio del Paquete VoIP...
V. 3.1.2 Andlisis de la Prueba 2..
V.3.1.2.1 Desempefio de Retardo... sou V.3.1.2.2 Desempefio de Pérdida de capa.—
V.3.1.2.3 Impacto en el Consumo de Ancho de Banda... V.3.1.1.4 Tamafio del Paquete VoIP...
V. 3.1.2 Andlisis de la Prueba3 ...
V.3.1.2.3 Impacto en el Consumo de Ancho de Banda...
V.3.L,1.4 Tamaiio dél PaqiietéVOIP...ssssessesiocoosvscserssvnsessesnicsssatvinsnssssssssssevnssiseaeeesuaadsuesestieas 89
V.3.2 Desempefio del Servicio de VoIP a Través de la Red de Internet.
ss
V.3.2.1 Andlisis de la Prueba 4 ..cccccececccccccessecseeeeseseseseseneeseseeneeeeseseseseneaeseseseseeesnenenes V.3.1.2.1 Desempeiio de Retardo... anes
V.3.1.2.1 Desempefio de Pérdida dePaquetes...
V.3.1.2.1 Analisis de la Trayectoria del Enlace (ALESTRA-CICESE)...
CONTENIDO(continuacién)
Pagina
LISTA DE FIGURAS Figura
1. Elementos que componenel ambiente operacional de VoIP.
LISTA DE FIGURAS(continuacién)
Figura Pagina
28. Medicion de ancho de banday tasa de arribo. 0...eeeeccessesseseeeeenseseseeeseseesescseeetsseseescsees 83 29.
30. 31. 32; 33. 34. 35: 36. 37s 38. 39. 40.
Trafico IP de una llamada de 3 minutos, con 4 usuariosenla red.... 85
Medicion de AB tasa de arribo, transmitiendo sonido continuo...
. 86
Trafico IP de una llamada de 3 minuto con sonido continuo, de 4 usuarios... 89
PDF (Retardo RTT de ALESTRA — CICESE)..0...cececcssesssssesseeseeseseesssseesneseseseseseseeneees 92
CDF (Retardo RTT de ALESTRA — CICESE)...ssssssssssssssssesesssvssensssesnssestesensasegeeses 92
PDF(pérdida de paquetes de ALESTRA — CICESE)...sssssssssssssessssssesessseeeeeseceseneee 96
CDF(pérdida de paquetes de ALESTRA — CICESE)...ceccesssssesesestssseesenseseeeesteeseses 96
Trayectoria y numero de saltos del enlace ALESTRA-CICESE...essecsssesessseteneeeeteees 98
LISTA DE TABLAS
Tabla , Pagina
I. Tamafios maximos de paquetes IP en redes de cobertura amplia (WAN)...eseeseeeeeeee 14
II. Caracteristicas de codificadores utilizados en el ambiente de VoIP ...:.sceceeeeeeees 21
III. Desglose de retardos fijo y variables...:cssssssscsssssesecsssssecesecssteeseseaestseeseseasenenenseees 27
IV. Tiempo limite de transmision de terminal a terminal. ...ecceceeseeeseeseesesseeeeeesteneeeeees 32
V. Resultados obtenidosde la prueba1...
VI. Resultados obtenidos de la prueba2.... 49
IMPACTOS AL IMPLEMENTAR EL SERVICIO DE VOZ A TRAVES
DE UNA RED IP
I INTRODUCCION
I.1 ANTECEDENTES
En décadas pasadaslas aplicaciones de voz y datos, han tenido que ser implementadas
en redes separadas con diferentes tecnologias, tales como, conmutacién de circuitos y
conmutacién de paquetes, generalmente utilizando la conmutacién de circuitos para
aplicaciones de voz, mientras que la conmutacion de paquetespara datos.
Debido a esto se han realizado estudios para encontrar una solucién que proporcione
satisfactoriamente ambosservicios (voz y datos) en una red homogénea. Comoresultado
de esto, se han revolucionado las tecnologias de compresién, codificacién y paquetizacién para la transmisién de voz en redes Pl.
En la actualidad IP y ATM?’sonlas redes predominantes para el transporte de datos.
Desde la creacién del protocolo de Internet (IP), éste se estableciéd comoel protocolo base
de transferencia en la red Internet, la cual proporciona unared virtual constituida por una
gran variedad de redes fisicas que manejan datos. Posteriormente, las redes IP han evolucionado hacia la transmisién de paquetes de voz digitalizada, como una tecnologia Namada Voz Sobre IP (VoIP’).
La tendencia que ha marcadola tecnologia de VoIP, es la integracién de la telefonia tradicional con las redes de datos (o también llamada Telefonia IP), permitiendo que
' TP (Protocolo de Internet).
llamadas telefonicas, fax y audio, puedan ser trasmitidos por una red privada o publica
como lo es lared de Internet. La capacidad de poderutilizar este servicio en una red IP ha
generado un gran interés para las empresas que proveen los servicios de larga distancia
debido a la reduccion de trafico y bajo costo al cliente que esto generara.
Lo que se espera en un futuro cercano es la implementacién de redes con plataforma
de multiservicios en México, ya que la infraestructura de capas de IP (capa dered) servira
para distribuir una variedad de servicios como: acceso a Internet, aplicaciones de datos,
audio, video y servicio telefonico. En la actualidad empresas como AT&T, ACCESS
POWER, Vocaltec, InterTel, NetVoice, Golden Line, entre otras; ya ofrecen en E.U.el
servicio de VoIP en redes privadas (Intranets), y en algunos casos a través de la red
Internet.
1.2. DEFINICION DEL PROBLEMA
Se requiere integrar el servicio de VoIP a una red IP, donde dicha red atin presenta
limitantes con la integridad de voz, debido a que en la actualidad no cuenta con la
configuracién adecuadapara soportar algunas delas caracteristicas que se requieren para
soportar satisfactoriamenteel servicio de VoIP.
El problema surge en la deficiencia de los protocolos de prioritizacion del tipo de
servicio transportado en los paquetes IP que viajan a través de la red. Cabe mencionar que
se esta haciendo unaintegracién de voz y datos, en una mismared, porlo que se tienen dos
Asimismo, otro de los problemas que surgen, es el dimensionamiento del ancho de
banda, el cual es un punto de suma importancia en esta aplicacién. Para esto se tendra que
realizar un analisis de la arquitectura y caracteristicas de transmisiOn de los paquetes VoIP,
con elfin de podervisualizar el ancho de banda que genera una llamadatelefénica a través
de una red de paquetesIP.
Una vez definido el dimensionamiento del trafico y del ancho de banda se hace un
andlisis de desempefio, para ver el comportamiento de dicha red IP soportandoel servicio
de VoIP, ya que dichos paquetes presentan un retardo variable, por lo que resulta dificil
hacer el dimensionamiento de dichos paquetes, es decir el escoger la longitud éptima de los
paquetes,conel fin de reducir el retardo y pérdida de paquetes de terminal a terminal y por
consiguiente un buen desempefio.
Caberesaltar que la transmision de voz debe deser en tiemporeal, lo cual exige muy
poco tiempo de retardo y un bajo nivel de pérdidas de paquetes para poder tener una buena
calidad de voz.
1.3 OBJETIVO GENERAL
Analizar el impacto en cuantoa trafico se refiere en los enrutadores de unared IP dela
empresa ALESTRA y enla red de Internet, al implementar el servicio de Voz sobre IP (VoIP), para analizar el desempefio de dichas redes y en base a esto tener fundamentos
para poder realizar un dimensionamiento de la infraestructura de los enrutadores que
soportan dicho servicio.
1.4 METAS DE TRABAJO
Para la realizacién del objetivo mencionado anteriormente, se plantearon en este
trabajo las siguientes metas:
Estudio del ambiente operacionaldel servicio de VoIP.
Estudio y andlisis de los parametros que definen el desempefio de una red IP
soportando el servicio de VoIP.
Evaluacién de los algoritmos de compresién (recomendaciones ITU-T) empleados en
la tecnologia de VoIP.
Implementacién del servicio de VoIP en la red de acceso a Internet de la empresa
ALESTRA.Modelado de la red IP con la herrmienta Netsys, con el fin de poder monitorear los dispositivos en tiempo real cuandose efecttien las pruebas planteadas.
Analisis de desempefio de la red VoIP, con los resultados obtenidos en las pruebas realizadasen el escenario experimental.
Establecimiento de una metodologia para el dimensionamiento de los enrutadores de la red IP utilizada.
I.5 INFRAESTRUCTURA EMPLEADA
e Computadora de alto rendimiento SPARC ULTRA 60 SUN (1 procesador de 300
MHz, con un total de memoria RAM de 1GB,2 discos SCSI que suman 12 GB, de
memoria).
e Computadora HP 7000 (1 procesador de 300 MHz, con un total de memoria RAM de
256 MB, y HD 2 GB).
e Computadora personal Pentium (PENTIUM 133 MHz, memoria RAM de 64 MB,1.2
GBendisco duro, sistema operativo Windows NT,versién 4.0).
e Sistema de administracién y simulacién de redes NETSYS, ver 4.01, NetLab, ver1.0
e Aplicaciones de monitoreo de trafico NETFLOW version 2, NEOTRACEversién 5
e Escenario de pruebas (en el capitulo IV, es descrito a detalle).
e Biblioteca (CICESE, UCSD, UCLA, ITESM, UANL).
e Acceso Internet.
1.6 ORGANIZACION DEL TRABAJO
Loscapitulos de la tesis se organizan de la siguiente manera:
En el capitulo II se describe la arquitectura, el funcionamiento del servicio de VoIP,
algunos de los elementos que componen el ambiente operacional de VoIP y el modelo de
referencia con respecto al modelo OSI (Open Systems Interconnection; Interconexion de
Sistemas Abiertos). En el capitulo III se mencionan los principales pardmetros de
desempefio de una red VoIP, asi como también los parametros que afectan la calidad de la
voz, y medias subjetivas que existen para medir dicha calidad. También se hace énfasis en
los criterios que hay para medir la Calidad de Servicio (QoS; Quality of Service). Por otra
parte se mencionan algunas técnicas que ayudan a estimar el desempefio de terminal a
terminal en una red IP o VoIP. Por ultimo se describe la integracién de voz y datos que
existe en el servicio de VoIP,el cual incluye el dimensionamiento de trafico en Erlangsy la
conversién a trafico de paquetes VoIP. En el capitulo IV se describe el escenario de
pruebas que se implemento para llevar al cabo el experimento desarrollado en esta tesis,
describiéndose tambiénlas pruebas realizadas y los resultados obtenidos. En el Capitulo V se hace un andlisis de los resultados obtenidos. En el capitulo VI se describen las conclusiones y recomendacionespara continuar conel desarrollo de este trabajo.II DESCRIPCION DE VOZ SOBRE IP (VOIP)
II.1 INTRODUCCION
Enesta Ultima década, las redes de paquetes han evolucionado considerablemente
en capacidad y aplicaciones, un caso muy conocido esla red de Internet, la cual es una red
publica que tiene mucha demanda enla actualidad, como también una amplia gama de
aplicacionesde red que se han ido desarrollando de acuerdo las necesidades del mercado.
Una rama deestas aplicaciones es el ambiente multimedia, es decir aplicaciones de
datos, voz y video, en una misma red de paquetes. Es aqui donde se marcéla pautapara las
nuevas tecnologias de voz sobre paquetes, una deellas es la tecnologia de VoIP,la cual
tuvo sus primeras apariciones con aplicaciones de transmision de audio a través de la red
de Internet, como por ejemplo (Netmeeting, Freephone, IPphone,etc.).
El protocolo IP, ha tomado un gran auge en este tipo de aplicaciones, debido a que
cuenta con una gran compatibilidad a nivel mundial, ademas de ser también el protocolo de
red base de la red de Internet. Es por ello que la gran mayoria de las empresas que
desarrollan software enfocan muchosusaplicaciones a este protocolo. Esto no quiere decir
que el protocolo IP sea el mas eficiente o el Unico en el 4mbito, también existen otros
protocolos como: .Frame Relay y ATM, que también se utilizan para plataformas de
II.2 DEFINICION DE VOZ SOBRE IP (VOIP)
VoIPesun servicio en el cual una llamada telefonica se transporta como unasefial de
voz digitalizada y encapsulada dentro de paquetes (TCP, UDP, RTP, entre otros)direccionados mediante el protocolo IP a través de una red de conmutacién de paquetes. En
la parte de la transmision, se tiene un proceso de compresién de voz de baja tasa de
transmisi6n,el cual optimiza el ancho de banda considerablemente con respecto a un canal
de voz PCM". Enel lado de la recepci6n, la técnica de reconstruccién de paquetes y los
algoritmos de descompresion, permiten que arriben como un sonido normal de una llamadatelefénica tradicional. En este servicio se tienen como redes de transporte a redes ATM,
FrameRelay, Redes publicas como Internet y redes privadas, en general cualquier red IP.II.3 ELEMENTOS QUE CONSTITUYEN EL AMBIENTEDE VOIP
La base para el empleo de VoIP sobre la red Internet (0 redes de transporte IP) es que la voz pueda ser paquetizada, encapsulada dentro de paquetes IP y luego enrutadosentre los dispositivos con capacidad para transmitir paquetes de voz y datos. Enla figura 1 se muestra un ejemplo de un ambiente operacional VoIP, el cual se compone por: una red
telefénica, Gateway VoIP (Pasarela VoIP), enrutadores, red de transporte (en este caso la re
de Internet) y una red local de datos. El protocolo IP opera en todos los dispositivos con
excepcion dela red telefénica que esta interconectada con la red IP por medio del Gateway
VoIP.Figura 1. Elementos que componen el ambiente operacional de VoIP.
A continuacién se describen los principales elementos que constituyen el ambiente
operacional de la red que provee el servicio de VoIP a través de la red de Internet.
II.3.1 Red Telefonica
Esta red es donde se generan las llamadas de voz que son transmitidas a través de una red de transporte de datos como puede ser ATM,Frame Relay, redes publicas comola red de Internet, entre otras. Este documento no define ningin componente de la red telefénica solo se hace referencia los dispositivos que se interconectan con la red VoIP.
11.3.2 Gateway VoIP
wae
Ethernet
{ i1
: Procesador 1 ! Aplicaciones 1 i Paguetizacién i
DSP
| Compresion fF { Sefializacién R2 Bus | (Codificacién) Bus
; 1
Sea
Enrutador
ye
Tats: |
a
Interfaz
mt t 1 Red IP
6703 080 | {
canales de i 1
: 1
! 1
' 1
I
! 1
Figura 2. Diagrama a bloques del Gateway VoIP.
11.3.3 Enrutador
Este dispositivo de capa de red se encarga de hacerel enrutamiento de los paquetes de VoIP hacia la red Internet. Este enrutador debe tener la capacidad de configuracién de protocolos para transmisién en tiempo real comopor ejemplo RTP’. En este dispositivo es dondeserealiza la fragmentaci6n para el transporte de los paquetes.
11.3.4 Red Internet
Internet es una red mundial queinterconecta a miles de redes y en la actualidad soporta
aplicaciones de datos, voz y video. Esta red utiliza como capa de red al protocolo IP, lo
cual permite que en el ambiente VoIP,sea utilizada como capa de red de acuerdo al modeloOSI (Open System Interconnection, Interconexién de Sistemasabiertos).
Il.4 FUNCIONAMIENTO DE VOIP
En esta seccion se describe el funcionamiento del ambiente operacional de VoIP que
muestrala figura 1.La primera actividad que se efecttia en el servicio VoIP, es la realizacién de llamadas de usuarios, las cuales son generadasen la red telefonica y transmitidas mediante un enlace
de acceso (enesta tesis se considera como enlace de acceso el E1/G.703) interconectado
con el Gateway VoIP. Primero se efectia un establecimiento de llamada mediante la
sefializacién que se este empleando (R2, ISDN, SS7, FXS, FXO, E&M,entre otros). En
caso de utilizar sefializaciénde canal asociado,seria a través del canal 16 (DSO 16) del E1.
En la parte del Gateway VoIP,ésta sefializacién es proporcionada por un controlador que se encuentra enla tarjeta El que se muestra en lafigura 2.Una vez establecida la llamada se activa la aplicacion de validacién de usuario, ahi se verifica el cédigo de area y el ntimero del usuario, los cuales son registrados (mapeados) en el directorio del Gateway VoIP que es una base de datos que contienela lista de todos los subscriptores, es decir, cada subscriptor tiene una direccién IP asignada a un numero telefénico y el nimero de area en el que se encuentra. Este nimero de area en el ambiente VoIP es un Gateway VoIP con un determinado nimero de usuarios.
El Gateway VoIP, una vez que hace el registro del usuario y reconociendo su direccién destino IP, ensambla un paquete (IP/TCP) de datos de establecimiento de llamada, hacia el Gateway VoIP que contenga a ese usuario. Por otro lado el Gateway destino recibe dicho paquete de establecimiento de llamada y hace el procedimiento de la validacion del usuario. En el caso de que si sea validado, envia un paquete de datos con la
aceptacion de la llamada. Una vez aceptada la llamada, se abre un canal de datos de voz
entre el canal de acceso El de la red telefOnica y el Gateway VoIP fuente, donde dichos datos de voz con formato PCM, son comprimidos (Recomendaciones de la Unién Internacional de Telecomunicaciones en el sector de Telecomunicaciones ITU-T G.723.1, G.729, entre otras) y luego paquetizados (paquetes IP/UDP/RTP), para después serenrutados a través de la red IP (Ethernet, Frame Relay, ATM,Internet, etc) hacia el
Gateway VoIP destino, la cual realizara el proceso inverso.
II.5 MODELO DE REFERENCIA
En la figura 3 se muestra el modelo de referencia de VoIP conrespecto al modelo OSI,
el cual describe las diferentes capas de la red que interactian con los estandaresutilizados por VoIP [IEFT VoIP97-061, 1997].Presentacion Algoritmos de codificacibn ITU-T G.711, G.723.1, G.729 Sesién H.323, H.245 (Sefializacién)
Transporte Protocolos UDP, TCP y RTP
Capa de Red Potocolo IP (Intranet , Internet) Capa de Enlace (Ethernet, PPP, Frame Relay, ATM,etc)
Capafisica
II.6 CAPA DE RED
En la capa de red VoIPse utiliza el protocoloIP, la cual se encarga de direccionar los
paquetes desde el origen hasta el destino. El llegar al destino en ocasiones requiere de
muchos saltos por enrutadores intermedios. Cuando el origen y el destino estan en
diferentes redes, es responsabilidad de la capa de red (capa 3 del modelo OSI) el manejo de
éstas. En esta capa es dondese realiza la fragmentacién de paquetes que fluyen entre redes
de diferentes longitudes de marco (MTU).
11.6.1 Fragmentacion
Cuandoel datagrama IP viaja de un servidor a otro, este puede cruzar diferentes redes
fisicas, donde cada red impone un tamafio maximo (MTU) a sus paquetes. Estos limites
estan definidos por varias razones,entre las cuales estan:
e El hardware (El ancho de una ranura de transmisién TDM). e El sistema operativo (Tamafio de buffer)
e Losprotocolos (La cantidad debits en el campo de longitud del paquete).
e El cumplimiento de algun estandar.
e lLareduccién hasta cierto nivel de las transmisiones inducidaspor errores. e El deseo de evitar que un paquete ocupeel canal demasiado tiempo.
El resultado de estos factores es que los disefiadores de redes no estan en libertad de
escoger el tamafio maximo de paquetes. Las cargas utiles maximas van desde 48 bytes
(Celdas ATM)hasta 65,515 bytes (paquetes IP), aunque el tamafio de la carga util en las
capas superiores con frecuencia es mas grande.
Cuando se requiere enviar un paquete grande a través de una red, cuyo tamafio
maximo de paquete es demasiado pequefio,
la red debe utilizar un algoritmo de
enrutamiento que evite el envio de paquetesa través de la red que no puede manejarlos,sinembargo,esta solucién en realidad no es una solucion dptima. Unasolucién al problema es
permitir que los —— o los enrutadores, dividan los paquetes en fragmentos enviando
cada paquete como un paquetede red individual.
Porotra parte IP requiere que cada enlace tenga un MTUde al menos 68 bytes, donde
68 es la suma de la maximalongitud del encabezado IP de 60 bytes y la longitud minima de datos de 8 bytes.En la tabla se enlistan las velocidades caracteristicas de acceso a redes de cobertura
amplia (WAN7) con su respectiva relacién de tamafio maximo de paquete y asumiendo que el maximo retardo de bloqueo es de 32 ms.Tabla I. Tamafios maximos de paquetes IP en redes de cobertura amplia (WAN).
7 WAN (Wide Area Network / Redes de Cobertura Amplia).
II.7 CAPA DE TRANSPORTE.
En el ambiente operacional de VoIP existen dos tipos de configuracién de protocolos
de transporte, uno es para transportar la voz paquetizada (IP/UDP/RTP)y otro parala parte
de sefializacién (IP/TCP). En la primera configuracién mencionada, el protocolo UDP
(protocolo de datagrama de usuario) no es un protocolo confiable en la capa de transporte
(no verifica correccién de errores ni control de flujo), pero es un protocolo de transporte
rapido utilizado para aplicaciones donde no se aplica la funcién de retransmisién ni
correcci6n de errores de informacién, comolo son las aplicaciones de voz. El objetivo de omitir la retransmision, se debe a que cualquier intento por retransmitir un paquete de voz,
podria introducir muchoretardo y por ende degradala calidad de voz.
El protocolo RTP (Protocolo de Transmision de Tiempo Real) [RFC 1889], tiene como
objetivo principal adaptar las necesidades del trafico de aplicaciones interactivas con
requisitos de entrega en tiempo real. RTP se implementa sobre UDP, sin aportar
confiabilidad adicional, ni reservacion de recursos otras garantias.
Porotro lado, con respecto la parte del transporte de la sefializacion (IP/TCP), la cual
utiliza el protocolo TCP, debido a que es un protocolo confiable en la capa de transporte,
cumpliendo asi con las caracteristicas necesarias para poder transportar la sefializacién
(sefializacién para el establecimiento de llamada, canal 16 de un E1/G.703).
TCPrealiza verificacién y control de flujo, por lo cual es un protocolo que genera un
retardo mayor que el de UDP, ademas de que el encabezado de TCP es de mayorlongitud
(20 bytes mas la carga util) que el de UDP (8 bytes masla carga util). Debido a esto, TCP
menos de que esta genere un retardo mucho menorqueel tiempo limite de transmisién de
terminal a terminal (150ms) [Union Internacional de Telecomunicaciones en el sector deTelecomunicaciones ITU-T G.114, Febrero 1996].
11.7.1 Paquetizacioén de VoIP
En VoIP la paquetizacionse realiza en la capa de transporte (capa 4 del modelo OSI). Aqui los datos de voz se comprimen y paquetizan por el procesador del Gateway VoIP,los cuales se construyen como un paquete IP/UDP/RTP. El protocolo RTP en la capa de transporte provee la capacidad para la transmisién de aplicaciones en tiemporeal sobre los
paquetesde la red IP, incluyendo redes como Ethernet, Internet, Frame Relay y ATM.
En la figura 4 se muestra el formato del paquete de VoIP. Cabe mencionar que este
formato varia de acuerdo la tecnologia de los diferentes proveedores de equipos de VoIP
que existen en la actualidad, como por ejemplo Cisco, Lucent, Nortel, Clarent, New Bridge, etc. Para fines practicos, se estara trabajando en esta tesis con el formato queproporciona la tecnologia de CISCO SYSTEMS,el cualtiene el siguiente formato.
20 Bytes 8 bytes 12 bytes 20 a 160 bytes
Carga
Util
P
UDP
RTP
anee
(Datos de Voz)
Figura 4. Formato del paquete VoIP
20 bytes de carga util, se tiene un sobre encabezado (overhead) de 200%, por lo que
afectaria directamente al caudal eficaz (throughput) de la red IP. Una manera de mejorar
considerablemente el encabezado, es emplear una compresién del encabezado
IP/UDP/RTP,la cual depende de la tecnologia de los diferentes proveedores de equipos de
VoIP que existen en el mercado. En la actualidad las técnicas de compresién pueden
reducir el encabezado del 90 a 95 %. Es decir que de 40 bytes de encabezado IP/UDP/
RTP,se reduciria de 4 bytes (90%) a 2 bytes (95%). En la figura 5 se muestra el formato
del paquete de VoIP empleando compresién de encabezado.
20 a 160 bytes
Encabezado comprimido CargaUtil >
IPPUDP/RIP (Datos de Voz)
2 a4 bytes
Figura 5. Formato del paquete de VoIP con compresién de encabezado.
Como se puede observar en la figura 5, el paquete ‘se reduce considerablemente,
ademas de optimizar el encabezado, enviando una mayor cantidad de informacién Util (datos de voz) que encabezado (informacién de control). Esta reduccién de encabezado
también impacta enla eficiencia del paquete VoIP en el enlace de transmisién. Es decir que
para cada “N”bytes de datos de voz,se tienen de 8 a 10 bytes de encabezado VoIP. Por lo tanto, la eficiencia del paquete VoIP en el enlace PPP (utilizando el Protocolo Punto a
Punto, se tienen 6 bytes de encabezado)es de:
N
_N_
N+i9 “10
(1)
Eq(N)=
Entonces se tiene que para 20 bytes de carga util (datos de voz), y 10 bytes de encabezado,la eficiencia es de;
Eg(N)= p75*100 = 66.66 %
2)
Dichaeficiencia aumenta considerablementeal realizar la compresién del encabezado,
ya quesin realizar esta compresién,se tendria unaeficiencia del 30 %.
Con lo que respeta a la digitalizacién de la voz, la cual se realiza mediante un
procesadordigital de sefiales, para mayor informacién ver [ITU-T G.711, Enero 1988 y1993, G.723.1, Marzo 1996, G.729, Marzo, G.764, 1996.].
II.7.2 Protocolo RTP (Protocolo de Transporte en Tiempo Real)
El protocolo RTP provee la liberacién del servicio de terminal a terminal para datos
con caracteristicas de tiempo real, asi comola interaccién de voz y video, incluyendo la identificacién del tipo de carga util, numeracién de secuencia, marca de tiempo (sincronizacion) y monitoreo de la calidad de servicio (QoS). Las aplicaciones que correnbajo este protocolo se transportan mediante el protocolo UDPen la capade transporte.
Ademas, pueden soporta la transferencia para miltiples destinos utilizando la distribucién multicast®. Este protocolo provee el transporte de datos con una nocidén de
tiempo inherente. RTP porsi solo noreserva el direccionamiento de recursos ni tampoco
garantiza QoS para aplicaciones en tiempo real. Los servicios que pueden ser
proporcionadospor RTP, puedenserlos siguientes:
> Fragmentacién.
Determinacién del medio de codificacién.
Sincronizacion de la carga util entre la fuente y el destino.
Deteccion deerror.
Encriptacion de informacion.
VV
WV
VW
WV
Monitoreo de calidad de servicio (QoS).
Para mayor informaci6n buscar en [ RFC1889, Enero 1996, RFC1890, Enero 1996].
II.8 DESCRIPCION DE FUNCIONES DE CAPAS SUPERIORES
En esta seccién se describen algunas de las funciones mas importantes en las capas
superiores, las cuales son indispensables en la integracién de voz y datos.
II.8.2 Sistema de compresién de voz
El sistema de compresién de voz es un procesadordigital de sefiales (DSP), elcual
efectia la compresién mediante codificacién. Incluye cancelacién de eco, un detector de
voz (VAD) y un detector/generador de tonos de multifrecuencia (DTMF). Este sistema se
encuentrafisicamente en la tarjeta interfaz del enlace de accesoentre la parte dela central telefonica (puede ser un PBX, o un teléfono directamente) y el Gateway VoIP. En la figura 7 se ilustra un diagramaa bloques de un sistema de compresiénde voz .
8 Multicast (Difusién de multi-trayectoria)
|
DIMF
Gen.
BUS DESALIDA!
i
| Salida del !
| Enrutador PCM 1
b———| Decodif.
Codifieal ——2|
/
Cancelador
de Eco/
Entradahacia
Hetieats
el Enrutador Detector DTMF PCM
de Detec. | Decodif.
Audio
BUS DE ENTRADA
Codificador
Figura 6. Ejemplo de un sistema de compresion de voz (DSP)
TI.8.2.1 Codificacién
Los servicios de VoIP, deben operar bajo un determinado ancho de banda,retardo,
pérdidas de paquetes, y una determinada compresion. Este ambiente ya ha sido estudiado
por la ITU-T, la cual propone algunas recomendaciones para los codificadores que se
desempefian en el ambiente de VoIP. Algunas de las recomendacionesde la ITU-T son:
e G.711 (describe la codificacién PCM a 64kbps)
e G.723.1 (Codificador multi-tasa de transmisién de 5.3 y 6.3 kbps)
e G.729 (Codificacién utilizando el algoritmo CS-ACELP (Prediccién lineal exitada
por cédigo algebraico de estructuras conjugadas)
Las recomendaciones antes mencionadas fueron desarrolladas para diferentes
II.8.2.1.1 Caracteristicas de los codificadores
En la tabla I] se muestran algunas de las caracteristicas de los algoritmos de
compresién masutilizados en el ambiente operacional de VoIP, los cuales se basan en las
recomendaciones ITU-T [Rec. ITU-T: G.723.1, Marzo 1996, G.729, Marzo 1996 y G.711,
1998, 1993].
Cabe mencionar que para el estudio de esta tesis, se enfoca con mayordetalle en el
algoritmo de compresién ITU-T G.729, debido a que es el que se estara utilizando en los
enrutadores VoIP del escenario de pruebas (Verfigura 10, capitulo IV).
El algoritmo mas utilizado para las aplicaciones de ambiente multimedia a través de la
red de Internet (por ejemplo: Netmeeting, Real Player, entre otras), es la recomendacién
ITU-T G.723.1.
Tabla II. Caracteristi dificadoresutilizados en el
Tasa de Transmisién 53 / 6.3 kbps 64 kbps 8 kbps
Duracién del Marco
30 ms
3.9 us
10 ms
Encabezado
7.5 ms
--
5 ms
Retardo de Algoritmo 30 ms 0.75 ms 10 ms
Longitud de Marco 20 / 24 bytes 160 bytes 10 bytes
DSP MIPS 16 - 20
MOS 3.65 / 3.9 4.4 4.2
Memoria RAM
4.4k bytes
-
5.2 k bytes
Losalgoritmos de codificaci6n G.729 y G.723.1, se consideran codificadores de baja
tasa de transmisi6n, a excepcidn del G.711 que se considera como unacodificacién de alta
velocidad, en el ambito de VoIP.
E] tamafio del marco, es la longitud de la sefial de voz comprimida dentro de cada
paquete. También se especifica el retardo de procesamiento, que es el retardo que
transcurre alcorrerel algoritmo de un sdlo marco.
La longitud del marco, es el nimero de bytes que consume el marco de la
codificacién. El campo DSP MISP?dela tabla anterior, se refiere a la cantidad de millones
de instrucciones por segundo que se emplean para ejecutar el algoritmo de codificacién
correspondiente, relacionado con las especificaciones de velocidad de operacién del
procesador.
El MOS (Mean Opinion Score), se refiere a la medida subjetiva de la calidad de la
voz, cuya media se encuentra entre 0 a5 se clasifica de la siguiente forma:
e De4a5: Calidad para tarificacion (buena calidad).
e De3a4: Aceptable, pero condicionada.
e@ Menorde 3: baja calidad.
La memoria RAM (Memoria delecturaaleatoria volatil) que se requiere en el proceso
de codificacién, esta dada en palabrasde 8 bits (1 bytes).
Por otro lado, como se puede observar en la Tabla I, la recomendacién G.723.1 provee
la tasa de transmisién mas baja, y también cuenta con el mayorretardo, pero tiene la mas
baja calidad subjetiva de voz (MOS).
° MIPS (Millones de instrucciones por segundo)
El pequefio tamafio de los marcos de G.729 permite una baja latencia en la
codificacion, pero también agrega un sobre encabezado,el cual es de Sms.
El algoritmo G.723.1 se utiliza mas en las computadoras de los usuarios domésticos,
los cuales deben compartir el pequefio ancho de bandaquetienen conel trafico de datos.
Los usuarios que utilizan acceso directo a la red (por lo general 10/100BaseT), quizds
prefieran utilizar G.729, el cual tiene caracteristicas de retardo mas favorables.
I1.8.3 Agente de Administracion de Llamada
EL Agente de Administracién de Llamada (CMA, Call Management Administrator)
controla Jas llamadas de entrada y salida de cada usuario. Por ejemplo las Ilamadas de
entrada pueden enrutarse de manera automatica hacia una terminal de comunicacion dada.
Este agente tiene acceso a una lista en una base de datos, donde se encuentran las
terminales de comunicacion de los subscriptores a los que se puede tener acceso solo con
atributos como direcciones de comunicacion, la utilizacién de decisiones légicas de
funcionamiento, asi como aquellos dispositivos que enrutan las llamadas dandoles algunos
atributos de entrada comoidentificaci6n del usuario y localizacion de la llamada, entre
otros. También proporciona la configuracién de las Ilamadas_ enviadas a través de la red
Internet. Incluye servicios de llamadas de terminal IP a terminal IP, de una red de
conmutacién de circuitos (RCC) a una terminal IP, terminal IP a RCC, RCC a RCC.El
agente CMA proporciona varios ee dindmicos entre las direcciones que permiten
todas las combinaciones de Ilamadas y la habilitacion de enrutamiento inteligente de
11.9 ESTANDAR H.323
El estandar H.323 [Rec. ITU-T H.323, Enero 1996] no fue desarrollado como un
estandar propiamente para VoIP. Este estandar define como se comunican los sistemas
multimedia sobre redes de datos con la integracién de voz en tiemporeal, datos y video
dentro de los componentesde la red, como lo son las computadorasy estacionesde trabajo, entre otros. H.323 define los protocolos, codificadores y arquitecturas de sistemas para terminales multimedia. Este estandar se componede cuatro elementos: Terminal, Gateway, Unidad de control multipunto (MCU) y Gatekeeper. Una de las aplicaciones mas comunes que utilizan este estandar es la aplicacién Netmeeting, la cual se utiliza para tener un ambiente multimediaenla red de Internet.II TRAFICO DE VoIP
IlI.1 INTRODUCCION
En el campo operacional de VoIP, la integracién de voz y datos a través de los
protocolos de transmisiOn en tiempo real, hacen que las caracteristicas del trafico se
compliquen, debido a que la voz debe transmitirse con mayorprioridad 0 jerarquia que los
datos, dependiendo directamente del retardo, el cual produce efectos indeseables que
corrompen la sefial de voz, como lo son: ruido, retardo, eco, jitter (fluctuaciones de
tiempo), pérdida de paquetes; a diferencia de la transmisién de datos que es mas tolerantes
al retardo, aunque también se afectan por la pérdida de paquetes.
Se hace énfasis en el método de integracién (analogia entre Erlangs y paquetes IP) de
voz y datos, requerimientos de ancho de banda y mediciones del desempefio de terminal a
terminal (end to end), y en los parametros mas importantes para medir la calidad de
servicio (QoS).
III.2 PARAMETROS DE DESEMPENO
En esta seccién se describen las caracteristicas de los parametros que se consideran
mas importantes para el estudio de esta tesis con respecto al desempeiio de unared IP, al
transportar trafico de VoIP.
En el desempefio del servicio de VoIP, existen tres factores fundamentales que
influyen directamente en la calidad del servicio, estos factores son; el retardo de terminal a
terminal, pérdida de paquetesy eljitter.
III.2.1 Retardo de paquetes
El retardo de paquetes es define comola diferencia de tiempo (en milisegundos, ms)
entre el instante en el cual la terminal A accesa el enlace L, y empieza a enviar el primer
bit hacia la terminal B, y el instante en el cualla terminal B ha recibidoelbit [Bell Labs
Innovations, November, 1997]. En otras palabras, el retardo corresponde directamente a la
diferencia de tiempo entre el instante en el que el primer usuario empieza a hablar con un
segundousuario, y el segundo usuario lo empieza a escuchar.
El retardo de paquetes basicamente consiste de dos componentes: retardofijo y retardo
variable. Comoretardofijo se tienen los siguientes tiempos:
e Tiempo de transmisién
e Tiempo de Propagacién
e Tiempo de Procesamiento
Por otro lado setiene el retardo variable, el cual resulta principalmente del retardo de
colas del procesamiento de los paquetes IP. Este retardo variable depende mucho del
numero de saltos nodales (por lo general son enrutadores) que se realicen hasta llegar al
punto destino, como tambiénel tipo y velocidad de cada enlace, y algo muy importante de
considerar es la intensidad de trafico (que tan congestionada esta la red) que se tenga en
ese momento [Sherif, M.H, Abril 1995]. Existen redes que no son del todo satisfactorias
para proveer el servicio de VoIP. Tal es el caso de la red Internet, la cual presenta por lo
general un alto grado de congestionamiento a diversas horas del dia. Esto no quiere decir
que el servicio de VoIP no pueda ser transmitido a través de esta red, es un hecho que si se
puede llevar a cabo, el problema es que no existe ninguna garantia de calidad de servicio,
quedando fuera del rango de la calidad requerida para poder tarificar dicho servicio. A
continuacién, la figura 7 muestra una representacion grafica de cada uno delos retardos
que se presentan al enviar un paquete de VoIP través dela red IP utilizada para el estudio
de esta tesis, basadas en estudios realizadosporel fabricante de los equipos CISCO.
codificacién Reiardo de decodificacién Bufferpara
15 ms Cola 6 ms 10 ms Dejitier 5Oms
Figura 7. Descripcion de retardos fijos en el esquema mas simple de VoIP.
TablaIII. Desglose de retardos fijo y variables.
Encabezado de Codificacién G.7 ms
Codificacién G.729 (Incluye retardo de paquetizacién) 10 ms
Decodificacién G.729 10 ms
Retardo de Tx con un enlace de 64 kbps (66 bytes) 8 ms
Retardo de propagacion (de la red privada)
32 ms
Buffer de jitter 50 ms
Total 107 ms = 8 ms
En latabla III se describe con mayor detalle el retardo que presentan los paquetes de
terminal a terminal [Cisco Seminar, 1998].
Los datos que describe la tabla III, son los esperados tedricamente segtin las
especificaciones del fabricante. Los equipos que se emplean para la parte practica de éste
IMl.2.2 Jitter
La variacién en el arribo de los paquetes se conoce comoel efecto Jitter, el cual se
define como la medida de variacién de tiempo (en segundos), de aquellos paquetes
enviadosde terminal a terminal.
El Jitter es un factor relacionado directamente con el retardo de paquetes, el cual es un
parametro que influye negativamente en la transmision de paquetes en tiempo real. Para
obtener una buena calidad de voz, el Gateway VoIP debe de reensamblar los paquetes de
voz en un orden continuo de flujo de voz y sin tantos intervalos de paquetes vacios
(paquetes sin voz “ranuras”). Un métodotipico para contrarrestar el Jitter, es el empleo de
buffers de retardo fijo que correspondan a la maxima variacién de retardo variable
esperado. Esta implementacion podria ser de gran ayuda en redes de area local (LAN) 0 en
Intranets (redes privadas), que presentan un Jitter pequefio.
Por otro lado, este método noes eficiente para redes de cobertura amplia, ya que el
retardo fijo del buffer no puede incrementarse al maximoretardo esperado, debido a que el
incremento de retardo seria muy grande para propésitos de comunicacién.
Para este caso, la selecciodn del valor para el retardo fijo del buffer, debe de ser
negociable (buffer dinamico) entre el maximoretardo de variacién esperadoy la pérdida de
paquetes, ya que si el retardo que sefije en el buffer es muy grande, empezaria a existir
una pérdida de paquetes considerable.
II.2.3 Pérdida de Paquetes
El porcentaje de pérdida de paquetes en unared IP se ve reflejado directamente en la
calidad de voz. La pérdida de paquetes se define como el porcentaje de paquetes que no
arribaronal destino correspondiente. Existen varias razonesporlas cuales puede existir una
pérdida de paquetes: dafios en la transmisi6n, un exceso de retardo y congestion.
Daijios en la.transmision serefiere a la pérdida de paquetes debido a problemasfisicos
en la transmisién de los equipos de la red. El exceso de retardo también puede ocasionar
una pérdida de paquetessi el retardo excede del valor del tiempo de vida util (TTL) del
paquete. Otra de las fuentes de pérdida de paquetes es la congestién. En una red IP los
paquetes viajan de nodo a nodo (hop by hop), donde en cada nodo (por lo general es un
enrutador) se lee el encabezado del paquete IP para determinar la trayectoria del mismo y
por lo tanto, asignarle la proxima direccién, debido a esta tarea que por lo general la
realizan los enrutadores o dispositivos de capa de red, a medida que se va incrementandoel
flujo de trafico en la red, la utilizacidén del CPU (unidad de procesamiento central) de los
enrutadoresde la red se incrementa, afectando tambiénel retardo enla cola, a tal grado que
pueda llegar a saturarse y por ende empezar a descartar paquetes. La pérdida de paquetes
aqui depende mucho del protocolo del paquete, por ejemplo en el caso de utilizar el
protocolo TCP(protocolo de control de transmisién). Si existe algtin error en la transmisién
del paquete, este se retransmite o simplemente se corrige el error, pero si se utiliza el
protocolo UDP (protocolo de datagrama de usuario), el cual no realiza correccién, ni
retransmision de paquetes, se presentaria una pérdida de paquete quedando un hueco (gap)
en la transmisi6n, que a la vez degradala calidad de voz. Enla actualidad los codificadores
que se utilizan en el ambiente de VoIP, pueden soportar un porcentaje de pérdida de
paquetes de 3-5 % para poder reconstruir la voz. Para esto existen técnicas de
reconstruccién de paquetes perdidos,las cuales son:
e Utilizar informacién redundante (para reconstruir al menos la parte de la
informacion perdida).
e Copiar el paquete que se recibié anteriormente o tambiénse le llama de prediccién
(duplicacién de paquetes).
e Emplear zonas de silencio.
Un ejemplo de una reconstruccién de paquetes se muestra enla figura 8. La figura
presenta una secuencia de un flujo de ocho paquetes perdidos que va desde i+/ hasta i+8.
El paquete i se duplica como un paquete i+/, el paquete i+2 e i+3 se reemplazan con
zonas de silencio, el paquete i+4 es una duplicacién del paquete i+5, y finalmente del
paquete i+J5 al i+8 se reconstruyen empleando informacién redundante contenida en los
paquetes i+9 e i+J0.
ied
1 1 Paquetes Perdidos
A Paquetes con03
Redumdancin
Li sitencio
2 He HO 1) 20
eee Pees
Figura 8. Reconstruccién de paquetes perdidos de VoIP.
Para la reconstruccién de paquetes se tiene una prioridad y un control en la utilizacién
de la técnica de reconstruccién, donde la técnica de duplicacién de paquetes tiene la
primera prioridad, seguido de la técnica de utilizacién de informacion redundante y por
tiene un control de numero de paquetes que pueden reemplazarse de acuerdo conla técnica
empleada, por ejemplo,la aplicacidn Freephone, emplealossiguientescriterios:
e
El nimero maximo de paquetes permitidos, para ser duplicados (copiando el
paquete que Ilego anteriormente) en el inicio de la secuencia del paquete perdido,
el valor determinado (valor por omisién) es 1.
° El ntimero maximo de paquetes permitidos, que son reconstruidos con
informacion redundante en el inicio de la secuencia de paquetes perdidos, el valor
por omision esde 1.
e El numero maximo de paquetes permitidos, que se reconstruyen con zonas de
silencio en el inicio de la secuencia de paquetes perdidos, el valor por omisién es
de 3.
Cabe mencionar que estas técnicas de reconstruccién de paquetes, son muyutiles para
que no se incrementeel retardo de terminal a terminal. Estas técnicas varian de acuerdoa la
tecnologia del proveedor del equipo, por lo tanto no existe un estandar que defina las
caracteristicas de este tipo de técnicas.
WI1.2.4 CALIDAD DE VOz
Un parametro muy importante que afecta directamente la calidad de la voz es el
retardo. Haciendo referencia de la ITU-T (Union Internacional de Telecomunicaciones,
Sector Telecomunicaciones), la cual ha desarrollado una recomendacién de referencia para
el control de los efectos del retardo, la cual especifica las siguientes caracteristicas que hay
que cumplir con respecto al limite de tiempo de transmision de terminal a terminal(retardo
unidireccional), como se muestra en la tablaIV [Rec. ITU-T G.114, Febrero 1996].
Tabla IV. Tiempolimite de transmision de terminal a terminal
Aceptable para la gran mayoriadelas aplicaciones
De 0a 150 ms.
de los usuarios, (buenacalidad).
De 150 a 400 ms. Aceptable bajo la condicién de que ya no se
garantiza una buena calidad de voz.
; Inaceptable para propdsitos generales de
Actiba de 400 ms. planeacion de redes de VoIP.
Comose puede observar en la tabla anterior, el retardo de terminal a terminal para una
red de VoIP debe oscilar entre 0 y 150 ms, ya que si se excedeeste intervalo, se empiezan a
presentar efectos indeseables(eco,jitter y pérdida de paquetes) que degradan la calidad de
la voz.
Seguin estudios de calidad de voz realizados por la recomendacién ITU-T mencionada
anteriormente, los resultados indican que incluso atin y cuando no hubiera presencia de
eco, el 10% de los generadores de voz (usuarios hablando porteléfono para este caso),
pueden tener dificultades para comunicarse cuando existe un retardo de 400 ms o mas. Es
decir que si se tiene un retardo de 600 ms, esto provocaria una conversacién inaceptable
entre dos usuarios, aunque cabe resaltar que la medicién de la calidad de voz, es una
medida subjetiva, por lo que depende del oido de cada individuo.
En la figura 9 se muestran los umbrales de los parametros considerados para
determinar la calidad de servicio en una red VoIP.
Calidad de Servicio de VoIP (QoS)
area de operacién inaceptable
600----=--= oe coeee,
area de operacién restringida : 1ae AOOP mm¥ ay 1I
B area de operacién aceptable regular \ i
200} ---.
I
dvea de operacién aceptable | 1
§ 150; --- td
| ! | 1
BuenaCalidadde Voz |
'
ITU-TG14
!
|
!
a
\
:
1
L
3 5 15 25
(%) Pérdida de Paquetes
Figura 9. Calidad de Servicio de VoIP (QoS).
Enla figura 9, la regién entre la linea punteada delgada y la linea punteada gruesa
(15-25 % pérdida de paquetes y de 400-600 msde retardo unidireccional de terminal a
terminal) es una area de calidad marginal, que podria ser adecuada para cierto tipo de
aplicaciones (por ejemplo, aplicaciones de voz'® que no son tarificadas en Internet), pero
inaceptable para otras (por ejemplo, llamadas telefonicas tarificadas con buena calidad de
servicio) [Bell Labs , Noviembre 1996].
III.3 ESTIMACION DEL DESEMPENO DE TERMINAL A TERMINAL
En esta seccion se hace énfasis en algunas aplicaciones que pueden utilizarse para
analizar parametros de desempefio de una red de VoIP (Retardo y pérdida de paquetes).
Estas herramientas son de gran utilidad para la estimacién del desempefio de unared IP, y
1° Ejemplo: Netmeeting, Freephone, Vocatec, ICQ,etc.
por consiguiente ayudan a determinar si una red IP particular puede soportar
satisfactoriamente el servicio de VoIP.
La estimacion del desempefio depende mucho del tipo de red IP que se este
analizando. Esdecir si la red IP es publica 0 privada. Para el caso de redes publicas como
por ejemplo,la red de Internet donde la densidad detrafico es no deterministica, lo cual
dificulta mas el estudio de desempefio que en una red privada, debido a que en la red
privadase tiene el control de la intensidadde trafico que fluye a través de la misma.
Una de las herramientas mencionadas anteriormente es la aplicacion “Ping”, la cual
puede ser utilizada para medir el retardo y pérdida de paquetes de terminal a terminal en
una red IP. Esta aplicacion tiene la cualidad de poder transmitir paquetes de terminal a
terminal a través de la red Internet o de una red IP, tambiénse tiene la facilidad de poder
variar el tamafio del paquete (en bytes), el tiempo de interarribo y el numero de paquetes
transmitidos. Por lo general, es utilizada en plataformas de sistemas operativos UNIX,
aunque en la actualidad ya es aplicable en windows’95 y windows NT. Con dicha
herramienta se puede estar monitoreando una terminal de la red a determinadas horas del
dia, con el objetivo de obtener unadistribucién que describa el comportamiento del retardo
y pérdida de paquetes de terminal a terminal, el cual es muy util para estimar el desempefio
de la misma.
Caberesaltar que el retardo que despliega la aplicacién Ping, es el retardo de ida y
vuelta de terminal a terminal (RTT: Round Trip Time. Campo de informacién del
encabezado en el protocolo IP), por lo que no es valido suponer que el retardo
trayectoria de los paquetes es asimétrica y ademas no se tiene control de
congestionamiento en la red, ya que en una red publica como Internet, donde no se tiene
control del trafico, teniendo un comportamiento de congestién no deterministico, esto
puede ocasionar que en el instante en el cual vayan pasando los paquetes de regreso esté
mas congestionada la red, y por ende se manifieste un mayorretardo enel arribo de los
paquetes de regreso o viceversa. De cualquier forma este retardo puede servir para estimar
el comportamiento de dichared.
Para el caso de redes dondela trayectoria de los paquetes es simétrica (es decir que la
trayectoria de los paquetes es la misma de ida que de vuelta) si es valida la suposicién de
queel retardo de ida es la mitad del de ida y vuelta, siempre y cuando se esté hablando de
una red IP privada y que se haya verificado que el retardo de ida es igual o muy
aproximadoal retardo de regreso, y esto aunado a que se puedatener el control de la
intensidaddetrafico.
Por otro lado la herramienta TraceRoute puede servir para analizar la trayectoria
(incluyendo el nimero de saltos) de los paquetes enviados de terminal a terminal. Esta
aplicacién describe el retardo RTT entre los dispositivos (por lo general enrutadores) por
los cuales van pasandolos paquetes enviadosa través dela trayectoria que van siguiendo.
III.4 INTEGRACION DE VOZ Y DATOS (ERLANG A PAQUETES)
Comoya se ha mencionado anteriormente, en una red de VoIP existe una integracién
de voz y datos, por lo que esto implica la presencia de dos tipos de trafico diferentes e
En la actualidad la unidad de medida de densidad detrafico de voz entelefonia esel
Erlang, el cual es equivalente a una hora de flujo de voz o de ocupacién de un circuito
[James, R., 1993].
Porel otro lado, se recomienda que eltrafico de VoIP, actualmente no cuenta con una
unidad de trafico estandarizada. Debido a esto se tomara una referencia para poder
dimensionar este trafico (para este estudio la unidad de referencia sera el Erlang).
El objetivo de esta seccién es describir un procedimiento para poder realizar una
analogia de un flujo de trafico de Erlangs a trafico de paquetes IP. Es decir, que si se tiene
un trafico de voz conocido, con este procedimiento se podra determinar como impacta
dicho trafico de voz en la red de paquetes IP. A continuacién se describe dicho
procedimiento, el cual nos estaremos basandopara la conversién de Erlang a Paquetes IP:
Esta conversién depende directamente del tipo de codificacién que se este utilizando
(G.711 o PCM,G.729, G.728, G.723.1, etc).
Si se consideralo siguiente:
1 canal de voz PCM = 64 kbps (3)
1 Erlang = 60 min de llamada = 3600 seg de Ilamadas = 36 CCS"
(4)
1 Erlang = lhr = 3,600 seg de Voz (5)
1 Erlang = (64 kbits/seg x 3,600 seg ) / 8 = 28,800,000 bytes = 28.8 Mbytes de (6)
trafico en una hora en un canal de 64 kbps.
Entoncespara el caso del encabezado de los paquetes de VoIP (IP/UDP/RTP),se tendra:
"CCS (Centum call seconds; cientos de segundos-llamada).
20 bytes de IP + 8 bytes de UDP +12 bytes RTP = 40 bytes
(7)
. 1Erlang = 28.8 Mbytes / 40 bytes = 720,000 paquetes VoIP sin cargautil. (8)
La relacién descrita anteriormente es tnicamente para el caso en el que se este
utilizando directamente un canal PCM (64kbps), ya que en el ambiente de VoIP los
algoritmos de compresion masutilizados son G.723.1 y G.729. En el estudio deesta tesis
se hace mayor énfasis en el algoritmo de compresién G.729,el cual trabaja con una tasa de
transmisién de 8 kbps, y una carga util de voz digitalizada de 10 bytes, segun las
especificaciones de la recomendacion ITU-T G.729, las cuales se muestran en la tablaII
(Caracteristicas de codificadores utilizados en el ambiente de VoIP) del capitulo II.
Si se considera el tipo de compresién G.729 (8kbps), entonces setiene que;
1 canal de voz PCM con compresién G.729 = 8 kbps (9)
Utilizando la ecuacion 5 tenemos que;
1 Erlang = (8 kbits/seg x 3,600 seg) / 8 = 3,600,000 bytes = 3.6 Mbytesde trafico (10)
en una hora (con paquetes de 1 byte), teniendo 100 % de utilizacién delcanal.
Entonces para paquetes VoIP (IP/UDP/RTP),incluyendocargautil;
(11)
20 bytes de IP + 8 bytes de UDP + 12 bytes RTP + 20 bytes cargautil = 60 bytes
1Erlang = 3.6 MBytes / 60 bytes = 60,000 paquetes VoIP en una hora. (12)
1 Erlang = 60,000 paquetes / 3600 seg = 16.6 = 17 paquetes/seg (pps)
(13)
Esta seria la forma ideal al hacer la conversion de Erlangs a paquetes VoIP
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voz y datos (es decir el tipo de compresidn, la tasa de transmisién. el tamafio de los
paquetes, entre otros) que se esté empleando enlos dispositivos de la red VoIP.
Un pardmetro importante que hay que tener muy en cuenta en una red de VoIP,es el
consumode ancho de banda, el cual para analizar el impacto de dicho consumo cuando se
cruza trafico de voz a trafico de paquete, también depende de la tecnologia que se este
empleando en el dispositivo de red (dispositivo que integra la voz y datos, generando
paquetes VoIP).
Ya que el ancho de banda es un parametro muy importante que hay que tomar en
cuenta, entonces es importante saber el consumo de ancho de banda que genera una
llamada de voz a través de una red VoIP. Dicho consumo puedeser descrito dela siguiente
manera [ Arantowicz Gene, 1998].
Para la parte de la carga util (voz digitalizada y comprimida) del paquete VoIP se
tiene:
(Tiempode interarribo x codificacién de voz G.729 )/8bits = 20 bytes
(14)
(20 ms x 8 kbps )/8bits = 20 bytes de carga util del paquete VoIP (15)
E] tamafio de un paquete VoIP se puede desglosar de la siguiente forma;
20 bytes de carga util + 20 bytes de encabezado IP + 8 bytes de encabezado UDP + (16)
12 bytes de encabezado RTP + 6 bytes de encabezado de capa 2 = 66 bytes.
Se esta considerando un tamajfio de 6 bytes para el encabezado de capa 2, debido a que
se tiene al protocolo PPP (protocolo punto a punto) como protocolo de enlace. Debido a
que en esta capa puede variar el tamafio dependiendo del protocolo que se tenga como por
Una vez que se tiene bien definido el tamafio del paquete VoIP, la tasa de transmisién
de la codificacién de voz (8 kbps) que se esta empleando, y teniendo como premisa que el
interarribo es constante a 50 pps (paquetes por segundo) [Cisco System, 1999]. Con estos
parametros se puede obtener el ancho de banda que consume unallamada de voz a través
de una red VoIP, como se muestra en la ecuacién (15).
(66 bytes del paquete VoIP x 50 pps)x 8 bits = 26.4 kbps (kilo bits por segundo) (17)
Entonces se tiene que 26.4 kbps es el ancho de banda consumido por una llamada a
través de una red VoIP, teniendo unautilizacién del 100 % en el canal de transmision. Asi
a primera instancia no se ve tan atractivo ya que unicamente se esta reduciendo un poco
menosde la mitad del ancho de banda que consume una llamada de voz mediante un canal
PCM (64 kbps), el cual es el que comunmentese utiliza.
Lo atractivo aparece cuando se emplea la compresién del encabezado IP/UDP/RTP,ya
que de 40 bytes de encabezado se reduce de4 a 2 bytes, teniendo una eficiencia de
compresién de 90 a 95 %. Este tipo de compresién depende también de la tecnologia del
proveedor del equipo que se este empleando en la red VoIP, ya que en la actualidad no
existe un estandar para este tipo de compresiones. Debido a que en la parte experimental de
esta tesis, los equipos utilizados son de la compajfiia Cisco, nos enfocaremos en algunos
parametros que utiliza esta tecnologia, como por ejemplo, tasa de transmisién de paquetes
VoIP, algoritmos de compresion, y las métricas de desempefio, entre otros.
Esto con el fin de cumplir con el objetivo general que se planted anteriormente. Es
decir se deberan obtener bases para poder dimensionar los enrutadores de la red IP que se
