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TESIS DEFENDIDA POR
Isaura González Rubio Acosta
Y APROBADA POR EL SIGUIENTE COMITÉ
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Dr. David É. Covarrubias Rosales
Director del Comité
Dr. A ro errano Santoyo
Miembro del Comité
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M.C. Rat/rI'“ amayo Fernández
Miembro del Comité
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Dr. Pedro rete Regagnon
Miembro we/ com/'fé
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Df José Luis Medina MonroyJefe del Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones
Dr. |=eder¡¢o}¢a€f zieh|
Director de Estudios de Posgrado
EDUCACIÓN SUPERIOR DE ENSENADA
CIC€5€
DIVISIÓN DE FISICA APLICADA
DEPARTAMENTO DE
ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES
ANALISIS DEL SISTEMA DE SEÑALIZACIÓN N0.7 PARA
EL TRANSPORTE DE voz MEDIANTE EL PROTOCOLO IP
TESIS
Que para cubrir parcialmente los requisitos necesarios para Obtener
el grado de MAESTRO EN CIENCIAS presenta:
ISAURA GONZÁLEZ RUBIO ACOSTA
RESUMEN de la Tesis presentada por Isaura González Rubio Acosta con el fin
de obtener el grado de MAESTRO EN CIENCIAS en ELECTRONICA Y
TELECOMUNICACIONES. Ensenada, Baja California, México, Julio del 2000.
ANÁLISIS DEL SISTEMA DE SEÑALIZACIÓN NO. 7 PARA EL
TRANSPORTE DE voz MEDIANTE EL PROTOCOLO IP
,
Resumen aprobado por: Dr. Davi `H. Covarrubias Rosales
Director de tesis
En los últimos años, la telefonía ha evolucionado desde proporcionar un servicio de comunicación verbal en tiempo real a través una red de conmutación de circuitos, hacia un servicio de transporte de voz mediante una red IP, la cual hace uso de computadoras personales con capacidades multimedia, teléfonos IP o inclusive teléfonos convencionales.
Esta evolución implica un reto importante para las compañías telefónicas. El reto consiste en la operación, interconexión y armonización de los elementos que componen las redes telefónicas y las redes IP. Es importante conocer como se logra su convergencia y el impacto tecnológico, regulatorio y económico que permita la utilización de la infraestructura actual para el soporte de las nuevas tecnologías en el transporte de voz.
Basándose en el marco de referencia anterior, este trabajo de tesis se centra en describir los aspectos clave involucrados en la evolución de las redes telefónicas actuales hacia el transporte de voz mediante el protocolo IP. Entre estos aspectos se encuentran: el Sistema de Señalización No. 7 (SS7), los protocolos relacionados con el transporte de voz sobre IP (VOIP) y el análisis de sus prestaciones, considerando los parámetros de calidad que lo gobiernan, así como el aprovechamiento máximo de los recursos de una red IP. De la misma forma, se propone una estrategia genérica para el logro de una transición gradual hacia VOIP, destacando los factores relevantes a considerar para la prestación de los nuevos servicios que hagan uso de esta tecnolo gía.
ANALYSIS OP SIGNALING SYSTEM No. 7 FOR
voICE TRANSPORT OVER IP PROTOCOL
In the last years, telephony has evolved from a service that allows verbal communication through a circuit switching network, to a voice transport service through a IP network, using personal computers with multimedia capabilities, IP telephones or conventional telephones.
This evolution implies an important challenge for telecommunications companies (telcos). The challenge is related to the operation, internetworking and harmonization of the Public Switching Telephone Network (PSTN) and IP networks elements. Is important to know the required performance for both, how to achieve their convergence and the technological, regulatory and economic impact that allows the use of the existing infrastructure in order to support of the new technologies for voice transport.
Based on the previous framework, this thesis work is focused in the description of the key aspects involved in the evolution of the present telephone networks towards the transport of voice over IP protocol. Some of these aspects are: the System of Signaling No. 7 (SS7), the protocols related to the transport of voice over IP (VOIP) and the analysis of its performance, considering the quality parameters that govern it and the maximum utilization of the resources of a IP network. A generic strategy for a gradual transition towards a VoIP infrastructure is also included, emphasizing the crucial factors to consider in order to provide the new services.
DEDICATORIA
A DIOS
Por las oportunidades de aprendizaje y superación que pone en mi camino. Pero sobretodo, por las personas que hacen posible el tomar estas oportunidades y no perder la fe en alcanzarlas.
A MIS PADRES
Ing. Salvador González Rubio Ruíz QFB. Edna I. Acosta de González Rubio
Por su ejemplo de superación profesional y personal. Por la confianza, libertad y apoyo que me han brindado para forjar y alcanzar las metas que me he fijado.
A MIS HERMANOS
Ing. Edna I. González Rubio Acosta Félix S. González Rubio Acosta
Por permitir que la distancia nos uniera más, por sus consejos, por compartir proyectos presentes y futuros y por ser un ejemplo de iniciativa, decisión y fortaleza de caracter ante situaciones adversas.
A MI SOBRINO
Aaron Solorio González Rubio
Al Dr. Arturo Serrano Santoyo, director de este trabajo de tesis. Por la confianza depositada en mi persona y por ampliar mi visión de las telecomunicaciones hacia aspectos que van más allá de la teoría.
Al Dr. David H. Covarrubias Rosales, co-director de tesis. Por sus comentarios y valiosas sugerencias durante el desarrollo de este trabajo.
Al M.C. Raúl Tamayo Fernández y al Dr. Pedro Negrete Regagnon, miembros del comité de tesis. Por las recomendaciones y aportaciones realizadas a este trabajo de investigación.
A Fer, por el hecho de que resulte tan dificil expresar el agradecimiento por todo tu apoyo, consejos y confianza en que llegaríamos con éxito al final de esta meta común.
A mis compañeros de generación por el apoyo brindado a lo largo de los dos años de experiencias compartidas en CICESE.
A mis maestros, compañeros y amigos a lo largo de toda mi fonnación profesional, por el apoyo brindado antes y durante mi estancia en CICESE.
Al personal de Praxis Telecom y de la Fundación TELEDDES, por su invaluable y desinteresado apoyo en la culminación de este trabajo de tesis.
Al CICESE por brindarme la oportunidad de adquirir nuevos conocimientos, así como de conocer a personas de gran valía profesional y personal.
CONTENIDO
Página
I. INTRODUCCIÓN...1
`urÍI>wL››ì..›I-I.1 ANTECEDENTES ... ..
1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ... .. I.3 OBJETIVO GENERAL ... .. 1.3.1 Objetivos especificos ... .. I.4 METAS ... _. I.6 ORGANIZACIÓN DE LA TESIS ... .. II. PRELIMINARES ... ...6`o¢š>\¿:\ II.1 SISTEMA DE SEÑALIZACIÓN No.7 ... _. II. 1.1 Componentes de una red SS7 ... .. II. 1.2 Arquitectura de la red SS7... _. II.2 EL TRANSPORTE DE voz SOBRE IP ... ..20
11.2. 1 Antecedentes ... .. 20
II. 2.2 Calidad de servicio ... .. 21
11.2. 3 Protocolos ... .. 22
III. ESTUDIOS SOBRE LA CONVERGENCIA SS7/IP... ...37
III.1 ANTECEDENTES... ..37
III.2 PRIMER ENFOQUE: UTILIZACIÓN DE GATEWAYS ... ..38
III. 2.1 Conceptos preliminares... ._ 38 III. 2. 2 Marco de refiarencia para la interoperabilidad SS7/Internet ... .. 40
III. 2.3 Marco de referencia de la arquitectura para el transporte de señalización. _. 46 III. 2.4 Protocolos implementados en redes convergentes... ._ 55 III.3 SEGUNDO ENFOQUE: MODIFICACIONES A LA RED SS7 ... ..58
III. 3.1 Arquitectura I ... .. 59
III. 3. 2 Arquitectura 2... _. 67 III. 3.3 Arquitectura 3... .. 69
III. 3. 4 Consideraciones importantes ... ._ 70 IV. ESTRATEGIA DE IMPLEMENTACIÓN ...72
IV.1 ANTECEDENTES ... ..72
V. SIMULACIONES DEL TRANSPORTE DE TRÁFICO DE VOZ SOBRE IP ... ..83
V.1 ANTECEDENTES ... ..83
V.2 CARACTERIZACION DE LAS FUENTES DE TRAFICO DE voz ... ..88
l/.2.1 Planteamiento ... ..88
I/Í2.2 Modelo ON-OFF... ._ 88 I/.2.3 Escenarios de simulación ... _. 95 l/.2.4 Análisis y discusión de resultados ... .. 96
V.3 ANALISIS DE LAS PRESTACIONES DEL TRANSPORTE DE voz SOBRE IP ... .. 102
I/. 2.1 Planteamiento ... .. 102
I/.2.2 Modelo de Minoli ... ..102
I/.2.3 Escenarios de simulación ... .. 105
I/.2.4 Análisis y discusión de resultados ... ._ 106 l/.2. 5 Observaciones y recomendaciones ... ..125
VI. CONCLUSIONES ...130
VI.1 CONCLUSIONES GENERALES... _. 130
VI.2 APORTACIONES ... .. 131
VI.3 TRABAJO FUTURO ... .. 133
LITERATURA CITADA ...134
APENDICE A. TERMINOLOGIA IETF ...139
LISTA DE FIGURAS Figura Página oo_\Io¬u=-r>o.›¡\›._. 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 òešr
ESTRUCTURA DE UNA RED DE TELECOMUNICACIONES MODERNA. ... ._
CONFIGURACIÓN TIPICA DE LA RED SS7... _.
ARQUITECTURA DE SS7. ... ..8
FORMA Tos DE LA UNIDAD DE SEÑALIZACIÓN ... ..11
ESTRUCTURA DE LA ETIQUETA DE ENRUTAMIENTO. ... .. 1 1 FORMATO GENERAL DE Los MENSAJES ISUP... .. 14
FLUJO DE MENSAJES PARA EL ESTABLECIMIENTO Y LIBERACIÓN DE UNA LLAMADA. ... ._ 15 INDICADOR DE LA NATURALEZA DE LA CONEXIÓN ENIAM ... ._ 17
PROTOCOLOS EMPLEADOS EN VOIP... ..23
PILA DE PROTOCOLOsH.323... ,.24
COMPONENTES PRINCIPALES DE UNA ARQUITECTURA H 323. ... . .26
OPERACIÓN DE SIP EN MODO PROXI/_ ... ..30
OPERACIÓN SIP EN MODO REDIRECTOR. ... ..31
MÓDULOS RSVP PARA CONTROL DE TRAFICO. ... ..32
ENCAPSULAMIENTO DEL PROTOCOLO RTP. ... .. ...34
ESCENARIOS PARA COMUNICACIÓN VERBAL. ... ._ _. .. . . 3 9
ARQUITECTURA DE REFERENCIA DEL GRUPO MEGACO. ... ._ 40
CONFIGURACIÓN PARA ACCESO A LA RED IP POR MARCACIÓN. ... .42
CONFIGURACIÓNPARA ACCESO SS7 POR MARCACIÓN, CON LLAMADA SEPARADA. ... ..43
CONFIGURACIÓN DEL TRANSITO VOIP. ...44
SEÑALIZACIÓN ISUP/TCAP SOBRE IP EN UNA CONFIGURACIÓN PARTICULAR DE TRANSITO CONMA's DE UN CONTROLADOR DE LLAMADA. ... ,.46
COMPONENTES DEL PROTOCOLO PARA TRANSPORTE DE SEÑALIZACIÓN SOBRE REDES IP. ...47
TRANSPORTE DE SEÑALIZACIÓN PARA ACCESO DESDE SS7 HACIA UNMGC.
... ..47
ACCESO SS7 A UN NODO IP TRANSPORTANDO SCCP. ...49
ACCESO SS7 A UN NODO IP TRANSPORTANDO S7AP. ... ..49
SG A SG: CASO L ... _. 50 SG A SG: CASO II. ... .. 51
PROTOCOLOS IMPLEMENTADOS EN REDES CONVERGENTES. ... ..56
RED DE PAQUETES SS7: ARQUITECTURA 1. ... . _ 60 PAQUETE TÍPICO RTP. ... ... ..62
CABECERA SS7. ... .. 62
PARAMETRO AGREGADO AL MENSAJE IAM ...64
Figura g
34 DIAGRAMA PARA EL ESTABLECIMIENTO DE LLAMADA PARA VOZ PAQUETIZADA. ... ..65
3 5. INTERCAMBIO DE MENSAJES: ARQUITECTURA 1. ... .. 66
36. EXTENSIÓN DE LA ARQUITECTURA 1. ... ,.66
37. RED DE PAQUETES SS7: ARQUITECTURA 2. ... _. ...68
38. PAQUETERTP MODIFICADO. ... ._ ...68
39. RED DE PAQUETES SS7.- ARQUITECTURA 3. ... ...69
40 ESTRATEGIA GENÉRICA DE IMPLEMENTACIÓN. ... ..74
41 . CALIDAD DE PERCEPCIÓN RESPECTO A LA LA TENCIA... .. 86
42. DIAGRAMA DE TRANSICIÓN DE ESTADOS DEL MODELO ON-OFF: CASO DISCRETO. ... .. 89
43. DIA GRAM4 DE TRANSICIÓN DE ESTADOS DEL MODELO ON-OFF: CASO CONTINUO... ..90
44 DIAGRAMA DE TRANSICIÓN DEL MODELO DE BRADY PARA UNA CONVERSACIÓN ENTRE DOS PERSONAS (A TB). ... ..92
45 REPRESENTACIÓN GRAFICA DE Los 10 POSIBLES EVENTOS MODELADOS POR BRADY. ... ..93
46. PDF PARA LAS LONGITUDES DE LAS RIFAGAS DEACTI1/IDAD E INACTII/IDAD. ... ..95
47. COMPARACIÓN DE Los RESULTADOS TEÓRICOS CON Los SIMULADOS: ESTADO ON. ... _. 96
48 COMPARACIÓN DE Los RESULTADOS TEÓRICOS CON LOS SIMULADOS: ESTADO OFF. ... ..9749. RETARDO CON RESPECTO A LA VELOCIDAD DE ENLACE. ... _. 1 10 50. COMPORTAMIENTO DEL RETARDO EN FUNCIÓN DE P ÓPTIMO: PEOR ESCENARIO. ... .. 1 1 1 5 1 COMPORTAMIENTO DEL RETARDO EN FUNCIÓNDEL TAMAÑO OPTIMO DE PAQUETE: MEJOR
EsCENARIO...; ... ..112
52. TASA DE CODIFICACIÓN RESPECTO AL TIEMPO DE VOZ POR PAQUETE. ... .. 1 15 53. RETARDO CON RESPECTO A LA TASA DE CODIFICACIÓN. ... .. 1 19 54. NO. DE CANALES DE VOZ RESPECTO A LA UTILIZACIÓN DEL ENLACE... _. 124
LISTA DE TABLAS Tabla I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII. IX. X. XI. XII. XIII. XIV. XV. XVI. XVII. XVIII. XIX. XX. XXI. XXII. XXIII. XXIV XXV. XXVI.
§\ ›-1.5$7
Lg_
COMPONENTES DE UNA RED TELEFÓNICA MODERNA. ... _. 7
ALGUNOS MENSAJES ISUP... ... ._ 14
PARÁMETROS DEL MENSAJE IAM ... _. 17
DESCRIPCIÓN DEL INDICADOR DE LA NA TURALEZA DE LA CONEXIÓN EN L4M ... ._ 1 8
TIPOS DE PETICIONESENSIP... ..29
TIPOS DE RESPUESTAS EN SIP. ... ..30
DIFERENCIAS BÁSICAS ENTRE LA RED TELEFÓNICA CONVENCIONAL YLA RED PARA VOIP
... 3 7
MODIFICACIÓNAL PARA'METRO NA TURE_OI-¬_CONNECTION_1NDICATOR ENLAM ... ..64
A CTITUD DE LAS COMPAÑIAS DE TELECOMUNICACIONES ANTE LA TELEFONÍA INTERNET. 72
EVALUACIÓN SUEJETIVA DE LOS ASPECTOS GENERALES DE LAS REDES PSTN E IP. ... .. 75DIFERENCIAS ENTRE EN TRAFICO DE I/Oz YDATOS. ... ..83
ESTANDARES PARA CODIFICACIÓN Y COMPRESIÓN DE VOZ. ... _. 84
VALORES PARA SIMULACIÓN DE LOS EFECTOS DE PAQUETIZACIÓN ... .. 95
COMPARACIÓN DE MEDIAS EXPERIMENTALES Y SIMULADAS. ... ._ 97
COMPARACIÓN DE PORCENTAJES DE ACTIVIDAD E INACTIVIDAD. ... _ . 98
PORCENTAJE DE RELLENO DE LOS PAQUETES DE VOZ PARA LOS DIFERENTES ESCENARIOS
DESIMULACIÓN. ...
... ..101
PARÁMETROS PARA EL MODELO DE ÄÍINOLI. ... .. 103
VALORES DE LOS PARÁMETROS PARA LA SIMULACIÓN DE TRANSPORTE DE VOZ MEDIANTE
IP. ... .. 106
ESTIMACIÓN DE LA LONGITUD ÓPTIMA DE PAQUETE EN BASE AL MENOR RETARDO. .... .. 108
TIEMPO DE VOWPAQ Y PORCENTAJE DE CARGA ÚTIL. ... .. 1 14
RETARDOS MI'NIMOS PARA P = 32 EYTES ... ..117
RETARDOS MINIMOS PARA P = 64 EYTES. ... _. 118
MAXIMIZACIÓNDE 'p' EN BASEA 'm ' PARA P = 32 EYTES ... .. 122MAXIMIZACIÓNDE 'p' ENEASEA 'm'PARA P = 64 EYTES... .. ...123
VALORES ÓPTIMOSA PARTIR DE LOS ESCENARIOS SIMULADOS. ...
126
1. INTRODUCCIÓN
1.1 Antecedentes
La invención del telégrafo por Samuel F. B. Morse en el año de 1837 marca el
comienzo de la era de las comunicaciones electrónicas. En sus inicios, el telégrafo hizo
posible la transmisión de mensajes entre dos puntos “distantes” (32 kilómetros) mediante un
código binario: el código Morse. Transcurrieron casi cuatro décadas para dar el siguiente
gran paso en la evolución - y revolución - de las comunicaciones: la invención del teléfono
en 1876 por Alexander Graham Bell.
Desde entonces, los servicios de comunicación verbal en tiempo real han sido los
más difundidos mundialmente en el área de las telecomunicaciones.
Sin embargo, el surgimiento de Intemet y su auge en los últimos años, ha marcado la
pauta hacia el transporte de todo tipo de tráfico con diferente calidad de servicio mediante
el protocolo IP, incluyendo la voz.
Consecuentemente, la universalidad del Protocolo de Internet (IP), el crecimiento
exponencial de las redes de datos y el desarrollo de las tecnologías para el procesamiento y
compresión de voz, dirigen las tendencias hacia im nuevo esquema de transmisión
bidireccional de voz en tiempo real: la telefonía IP.
Existe más de un siglo de diferencia entre los intentos de transportar voz mediante la
telefonía tradicional (conmutación de circuitos) y las redes IP (conmutación de paquetes),
2
del audio en el receptor, ancho de banda asignado y retardos inducidos, a diferencia de las
tecnologías para voz paquetizada, cuya calidad es todavía inferior y se encuentra en
constante desarrollo.
Sin embargo, las redes telefónicas de conmutación de circuitos también han
experimentado evoluciones importantes, y es aquí donde la señalización juega un papel de
suma importancia puesto que de ella emanan los protocolos que permiten ofiecer los
nuevos servicios telefónicos.
Si bien las compañías telefónicas se encontraban en riesgo de disminuir
considerablemente sus ganancias por el srugimiento de tecnologías para la comunicación de
voz sobre redes de datos, muchas enfrentaron el reto según el proverbio “si no puedes con
el enemigo únete a él” enlazando sus redes a Internet mediante dispositivos de
interconexión conocidos como “gateways Este enfoque puede considerarse como un
primer acercamiento hacia una convergencia patente entre las redes telefónicas e Internet
para el establecimiento, mantenimiento y control de las llamadas telefónicas.
Sin embargo la evolución no termina aquí, lo ideal sería obtener un
aprovechamiento máximo del recurso más preciado en las redes de comrmicacionesz el
ancho de banda. Una alternativa es la migración hacia el transporte de voz paquetizada a
nivel troncal, lo que requiere una fuerte inversión y modificaciones a las estructuras y
protocolos existentes de la red, representando un reto importante para las compañ1'as
telefónicas. Algunos estudios revelan que esta transición tomará varios años e inclusive hay
quienes dudan que llegue a ser total [Harndi et al., 1999]. Pese a lo anterior, la telefonía IP
1.2 Planteamiento del problema
Como toda nueva tecnología, el transporte de voz paquetizada a través de las redes
de datos presenta varios aspectos adversos en los ámbitos de desarrollo tecnológico,
implementación, estandarización y situación regulatoria, entre otros. Por lo que este trabajo
de tesis aborda algunas de estas problemáticas al explicar el funcionamiento básico del
transporte de voz sobre IP, proporcionar una estrategia genérica de implementación a nivel
de compañía telefónica y evaluar las prestaciones básicas del transporte de voz mediante IP
incorporando las tecnologías recientes de codificación y compresión de cabecera.
1.3 Objetivo general
El objetivo general de esta investigación es identificar los elementos del Sistema de
Señalización No. 7 (SS7) que permitan la convergencia entre las redes de computación de
paquetes que emplean el protocolo IP y las redes telefónicas convencionales que emplean
comnutación de circuitos.
El proceso anterior se realizó a partir de la investigación del estado del arte de SS7,
y cuenta con gran aplicación en las redes telefónicas que hacen uso de este sistema.
I.3.1 Objetivos específicos
Se establecen los siguientes objetivos específicos:
- Exponer de forma clara y concisa los aspectos de relevancia concernientes a las
tecnologías SS7, [P y su convergencia.
- Desarrollar una estrategia genérica para la implementación del transporte de voz sobre
4
Analizar las prestaciones básicas de una red IP para el transporte de voz paquetizada
bajo las nuevas tecnologías de compresión de voz y cabecera. Lo anterior sin considerar
mecanismos y protocolos de calidad de servicio (QoS, Quality ofService).
A partir del punto anterior, obtener los escenarios más favorables para el transporte de
voz paquetizada, tomando como medidas de eficiencia los retardos extremo a extremo,
la utilización del enlace y el número de canales de voz simultáneos por enlace.
I. 4 Metas
Para lograr los objetivos planteados se desarrollaron las siguientes actividades:
Estudio a profundidad del Sistema de Señalización No. 7 y las tecnologias para el
transporte de voz sobre IP.
Análisis de las investigaciones realizadas por grupos de la Fuerza de Trabajo de
Ingeniería en Intemet (IETF, Internet Engineering Task Force) relativas a la
convergencia entre las redes SS7 y las redes IP.
Implementación del modelo ON-OFF para caracterización del tráfico de voz.
Implementación del modelo de Minoli para la obtención de la longitud óptima de
paquete en las comunicaciones de voz paquetizada, considerando las nuevas tecnologías
1.6 Organización de Ia tesis
La organización de este trabajo de tesis es como sigue:
- En el capítulo II se presentan los conceptos preliminares básicos necesarios para
desarrollo de la tesis, referentes a las tecnologías SS7 y voz sobre IP.
- El capítulo III trata de los estudios sobre la convergencia SS7/IP realizados por los
grupos de la IETF, en el cual se presentan dos enfoques diferentes en el estudio de la
integración de estas tecnologías.
- El capítulo IV presenta los aspectos relevantes a considerar cuando se desea
implementar la tecnología de voz sobre IP a nivel de compañía telefónica.
- En el capítulo V se presentan los modelos utilizados para el análisis de prestaciones de
las redes IP en transporte de voz paquetizada, sus parámetros, escenarios contemplados,
así como una discusión de los resultados obtenidos.
- El capítulo VI presenta las conclusiones generales, aportaciones y recomendaciones de
este trabajo de investigación.
Se incluyen dos apéndices, el primero abarca la terminología definida por IETF en
los Internet Drafts relacionados con la convergencia de las redes de voz y datos. El
segundo apéndice consiste en un listado de los acrónimos utilizados a lo largo de este
6
II. PRELIMINARES
En este capítulo se abordan dos aspectos clave para la elaboración de este trabajo de
tesis: el Sistema de Señalización No. 7 (SS7, Signaling System 7) y las temáticas
relacionadas con el transporte de voz sobre IP; ambos se describirán de forma general,
ahondando en los aspectos que estén directamente relacionados con los objetivos
planteados.
11.1 Sistema de Señalización No. 7
El Sistema de Señalización No.7 (SS7) es el medio primario en las redes telefónicas
públicas conmutadas (PSTN, Public Switched Telephone Network) que controla las
conexiones de conmutación de circuitos y los servicios de valor agregado, como son:
llamadas de larga distancia sin costo, validación de tarjetas de llamadas y otros servicios de
las redes inteligentes.
Los estándares relacionados con este sistema de señalización radican en las series
Q.700 de la Unión Intemacional de Telecomunicaciones (ITU, International
Telecommunications Union), donde se definen los coinponentes, arquitectura y protocolos
involucrados en las redes SS7.
II.1.1 Componentes de una red SS7
Básicamente, una red SS7 está compuesta por dos planos: el plano de señalización
(por canal común) y el plano de transporte, representados en la Figura 1. En el primero se
agregarle inteligencia a la red. El plano de transporte es aquel en el que se transmite la
información de usuario, en nuestro caso de interés: voz digitalizada, (en la actualidad
también es posible transportar datos, como por ejemplo la información codificada de los
faxes o protocolos de red hacia y desde modems, por mencionar algunos).
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Figura 1. Estructura de una rea' de telecomunicaciones moderna.
Cada uno de los componentes mostrados realiza una función específica que
contribuye al establecimiento, mantenimiento y control de una llamada telefónica, así como
a la prestación de otros servicios avanzados de la red telefónica, brevemente descritos en la
Tabla I.
Tabla I. Componentes de una red telefónica moderna.
Acrónlmo _ Significado A Función A
-SP Punto de Señalización Son los puntos donde se origina ylo temiina la señalización. Se
(Signaling Point) comunican mediante los STPs.
STP L Punto de Transferencia de Señalización Son conmutadores de paquetes que enrutan los mensajes de (Signaling Transfer Point) señalización desde el SP origen hasta el SP destino.
SCP Punto de Control de Sewicio Contiene lógica de servicios y los datos para procesar servicios
(Service Control Point) que requieren procesamiento de red inteligente.
SL Enlace de señalización Realiza la interconexión entre SPs y STPs
(Signaling Link)
TE Central de Tránsito Utilizan sus capacidades de conmutación para el establecimiento
(Transit Exchange) dinámico de rutas entre LEs mediante troncales y conforme las
demandas de los usuarios.
LE Central Local Es a donde se conectan los usuarios de la red y se encarga de
8
La configuración típica de los dispositivos del plano de señalización es la que se
muestra en la Figura 2, donde se aprecia la existencia de enlaces redundantes que
incrementan la disponibilidad de la red en caso de fallas y se utilizan como rutas alternas
para evitar cortes en la comunicación.
Troncales v
de voz _
Figura 2. Configuración tipica de la red SS7.
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II.1.2 Arquitectura de la red SS7
La arquitectura SS7 se muestra en la Figura 3; está conformada por cuatro niveles,
cada uno de los cuales provee un conjunto de servicios a los niveles superiores.
Para el logro de los objetivos de este trabajo de tesis, son de particular interés la
Parte de Transferencia de Mensaje (MTP, Message Tranwr Part) y la Parte de Usuario de
la Red Digital de Servicios Integrados (ISUP, ISDN User Part), descritas en las siguientes
secciones. También se proporciona una breve explicación de los otros elementos que
conforman la arquitectura SS7.
MTP Parte de Transferencia de Mensaje (Message Transfer Part)
TCAP ¡SUP TUP sccP Parie de ccnimiae conexion de señalización
(Signaling Connection Control Part) ISUP Parte de Usuario RDSI
(ISDN User Part)
SCCP ruP Pan@ del usuario Telefonico
' J ¡ (Telephone User Part)
L “ TCAP Parte de Aplicación de Capacidades de Transacciones
MTP NIVELES 1, 2 Y 3 (Transaction capabiiiiies Appiicaiion Pan)
II. 1.2.1 Parte de Transferencia de Mensaje (MTP)
La MTP (Message Transfer Part) es de relevancia para el presente estudio debido a
que proporciona un soporte común a todos los protocolos de nivel más alto en la
arquitectura SS7.
El propósito general de MTP es proveer una transferencia y entrega conflable de la
información de señalización a través de la red SS7, así como ser capaz de reaccionar y
tomar las acciones necesarias en respuesta a fallas del sistema y de la red para asegurar que
la confiabilidad de transferencia se mantenga [Modarressi et al., 1990].
Para el logro de estos objetivos, MTP está confonnado por tres niveles: MTP-1,
MTP-2 y MTP-3; descritos a continuación:
MTP-1. Funciones de enlace de datos de señalización. Es equivalente a la capa física del
modelo para la Interconexión de Sistemas Abiertos (OSI, Open System Interconnection), ya
que concierne a las características físicas del medio. Estas características se refieren a las de
los enlaces de señalización (SL), los cuales pueden ser analógicos o digitales; los primeros
manejan un ancho de banda de 4 KHz, mientras que los enlaces digitales típicamente
transmiten a 64 Kbps.
Recientemente, la creciente cantidad de tráfico generado por las redes de
telecomunicaciones, debido a la pronunciada demanda de los nuevos servicios que son
capaces de ofrecer, ha originado que se requieran mayores capacidades, una solución es
agregar enlaces adicionales en los STP, sin embargo estos dispositivos también tienen un
10
altemativa es remplazar los enlaces típicos por otros de alta velocidad que, en sus
desarrollos iniciales, operarán a velocidades de 1.544 Mbps. Para lograr estas velocidades
Estados Unidos ha adoptado el estándar ATM sobre T1, por lo que las capas MTP-1 y
MTP-2 son reemplazadas por la capas ATM y Adaptación a ATM para Señalización
(SAAL, Signaling ATMAdaptation Layer) respectivamente [Ramsay et al.,l999].
MTP-2. Funciones de enlace de señalización. Este nivel corresponde a la capa de enlace
de datos del modelo OSI, por tanto, sus funciones están relacionadas con el control de los
enlaces para envío y recepción confiable de mensajes entre dos puntos directamente
conectados, proporcionándolos a los niveles superiores, en el orden correcto y sin pérdida o
duplicación.
Los mensajes transferidos entre dos entidades son llamados Unidades de Señal (SU,
Signal Unit) y existen tres tipos:
a) Unidad de señalización del mensaje (MSU, Message Signal Unit)
b) Unidad de señalización de estado del enlace (LSSU, Link Status Signal Unit)
c) Unidad de relleno de señalización en banda (FISU, Fill In-band Signal Unit)
B
F BSN I FSN LI B
OQg
on *I`i\1 ›-$1@,___ 3`¡`l-`¡
Z
`"`W"¬'|”"¡I¦l_¬'I*ul-"-n
QO
Mi
Q"11 C) X
¡ii- 1'fl
6 l Sn,n>=2 16 3
a) Formato de la MSU
I B
Bis
Bii de inaiaaaion de Regreso
| FSN |_| BSN Número de Secuencia de Regreso
B CK Bits para verificación de error
F Bandera
b) Formato de la LSSU FIB Bit de Indicación de Ida
FSN Número de Secuencia de Ida
F BSN
6 8016 16 8
F B
SIO Octeto de lnfomiación de Seniicio
SF Campo de Estado
Ll indicador de Longitud
SN |_| SIF Campo de información de Servicio
6 1 16 8
c) Formato de la FISU
Figura 4. Formatos de la unidad de señalización.
MTP-3. Funciones de señalización de red. Estas corresponden a la mitad inferior de la
capa de red del modelo OSI y proveen las funciones y procedimientos para la transferencia
de mensajes entre puntos de señalización (SP).
Las funciones de señalización de red se dividen en dos categorías:
a) Manejo de mensaje de señalización
Ejecuta las funciones de enrutamiento de mensaje, discriminación y distribución en
cada SP. Se basan en el Octeto de Información de Servicio (SIO, Service Information
Octet) y en la parte del mensaje denominada “etiqueta de enrutamiento”, cuyo formato se
presenta en la Figura 5.
DPC Código del Punto Destino
Dpc OPC SLS (Destination Point Code)
OPC Código del Punto Origen
4/5 0/3
14/24 14/24 n X 8 (Origlnetion Point Code) _ ' _
En “eta de enrutamiento ¡ I SLS Selección del enlace de senalización
l q (Signaling Link Selection)
|<--_-_-_ Etiqueta PI
12
Cuando un mensaje proviene de un usuario de nivel 3 o se origina en el nivel 3, la
elección del enlace de señalización sobre el cual se enviará el mensaje se realiza mediante
la función de enrutamiento. Cuando se recibe un mensaje del nivel 2 se activa la función de
discriminación y basándose en el DPC del mensaje, determina si esta direccionada a otro
SP o a sí mismo. Si el mensaje recibido está direccionado a otro SP y el SP actual posee
capacidades de transferencia (por ejemplo la función STP), el mensaje se envía a la función
de enrutamiento de mensaje. Si el mensaje recibido está direccionado al SP receptor, se
activa la función de distribución de mensaje y entrega el mensaje al usuario MTP apropiado
o a la función MTP de nivel 3 basándose en el campo SIO.
b) Gestión de la red de Señalización
El propósito de las funciones de gestión de la red de señalización es proporcionar
una reconfiguración de la red SS7 en caso de fallas en los enlaces o en los pimtos de
señalización. Lo anterior con el fm de que los mensajes no se pierdan, se dupliquen o
modifiquen su secuencia, así como de lograr que sus retardos no sean excesivos.
En caso de congestión o bloqueo, la función de gestión de tráfico desvía el tráfico de
señalización de enlaces no disponibles a uno o más enlaces de señalización alternos siii
causar pérdida de mensajes o duplicación; cuando el enlace de señalización bloqueado está
nuevamente disponible, ejecuta un procedimiento para restablecer el tráfico al enlace
original.
La función de gestión de ruta de señalización distribuye información acerca del
II. 1.2. 2 Parte de Usuario de la RDSI (ISUP)
La Parte de Usuario RDSI (ISUP, ISDN User Part) se ejecuta sobre MTP y SCCP
para señalización sin ningún circuito de conexión.
Los servicios proporcionados por ISUP están divididos en dos tipos: servicios
básicos y servicios suplementarios. Entre los servicios básicos se encuentran el
establecimiento, supervisión y liberación de conexiones entre centrales sobre la red de
transporte. :Ejemplos de servicios suplementarios son: grupo cerrado de usuarios,
identificación de llamada y redireccionamiento de llamada, entre otros.
El formato del mensaje ISUP se presenta en la Figura 6. Este mensaje esta
compuesto por la etiqueta de enrutamiento, el Código de Identificación de Circuito (CIC,
Circuit Identificator Code), el código del tipo de mensaje que permite distinguir entre los
diferentes mensajes y finalmente, las partes fijas y variables obligatorias, seguidas de una
parte opcional. La información de estas partes y su longitud dependerá del tipo de mensaje
l i
i l
- ›
I Trüå 6 I Il
_] Etiqueta de enrutamiento fï Código de ldentificaclón de circuito
Código del dpo de mensaje
MM ¬
Parámetro obligatorio A Parámetro obligabrio F
Paámetro P
Pfiråneliú X
MM †
Apunlador aparámetro M Apuntador a parámetro P
Apnniacnfaiiniaiaaa ia parrannaianai inaiaaanføainngnnanai pafamairau
P rv ParàmetroM T › variable ' lnrícadordolonituddelámelmP
,, 4
Nombre del parámetro = X
indicador de longitud del parámetro X Nontre del parámetro = Z
Indicador de longitud del parámetro Z "L Parámetro Z
Fin del campo de parámetro opcional fu __/
l4
Parte oblioàtoria
lija
atteübligalfirlil
› Parte opcional
Figura 6. Formato general de los mensajes IS'UP.
Existe una gran cantidad de mensajes ISUP y cada uno realiza una fimción
específica. La Tabla II proporciona una lista resumida de algunos de ellos utilizados para el
establecimiento, supervisión y liberación de llamadas [Serrano, 1997].
Tabla II. Algunos mensajes ISUP.
Mensaje ISUP Abrevlaclón Dirección T A Propósito
Mensaje de Dirección Inicial IAM Si Hacia adelante Iniciar el establecimiento de llamada reservando una troncal de salida, transportando el código de troncal. el número de destino e información de enrutamiento y manejo de la llamada.
Mensaje de Dirección
Completa
ACM Regreso indicar la recepción de la dirección de la parte llamada en la central a la que está conectado el suscriptor llamado.
Í Mensaje de Contestación ANM Regreso Indicar que la llamada ha sido contestada.
Mensaje de Continuidad COT Hacia adelante Verificar la continuidad del enlace de comunicación entre
centrales. Í
Mensaje de Liberación REL Ambas indicar que el circuito debe ser liberado.
En la Figura 7 se presenta un ejemplo de llamada utilizando mensajes y
procedimientos ISUP. La señalización entre usuario y red se realiza mediante el protocolo
Q.93l. El proceso comienza cuando un suscriptor conectado a la Central Local LE-1 le
indica a ésta su deseo de realizar una llamada por medio del mensaje establecer que incluye
el número del suscriptor destino de la llamada, la LE-1 reserva una troncal (por ejemplo
“A”) de salida hacia la Central de Tránsito TE-1 - que representa parte de la mejor ruta
para conectar al suscriptor que llama con el suscriptor llamado - y construye el Mensaje de
Dirección Inicial (IAM, Initial Address Message) que envía a través de la red de
señalización hacia la TE-1. La TE-l recibe el mensaje, termina de establecer la troncal “A”
y reserva la troncal “B” hacia la TE-2, que representa parte de la ruta hacia el suscriptor
llamado. La TE-1 construye un mensaje IAM que incluye el níunero del suscriptor y una
identificación de la troncal B que acaba de reservar y lo envía a TE-2. Este proceso se
repite en TE-2 cuando recibe el mensaje IAM; de esta manera se va construyendo el enlace
que ha de conectar al suscriptor que llama con el suscriptor llamado.
snaanpini iiamaia
Suscriplor que llama ¡_E_1 LE_2 un
* ria-1 TE-2 j.¿L
__ HS-'~¬ i Í! _ ¿`:±.
' 4-lei; ~;.;-si .-11
\ ;. esa ecertb' ¡AM ' _ '
*“ AM establecer I T
COT alertando A M
=
Mi
A M
°°°°°Pf f
5 conectar Z _Ui
-Conversación
desconectar REL REL 5
dgsggneçtaf
r RCL ;
2 liberar RCL R L §
A LE - Central Local TE - Central de Tránsito
16
Al llegar el mensaje IAM a la LE-2, informa al suscriptor llamado sobre la llamada
entrante (mediante el mensaje establecer). Es posible que la red emita mensajes de
Continuidad (COT, Continuity) para verificar la continuidad del enlace entre centrales. El
equipo de usuario infonna a la LE-2 que está timbrando por medio del mensaje alertando,
la LE-2 entonces construye un Mensaje de Dirección Completa (ACM, Address Complete
Message) para informar a la LE-1 (la central originadora) acerca del estado de la llamada,
quien a su vez informa al usuario del estado de la comunicación. Cuando el suscriptor
llamado contesta, su equipo produce el mensaje conectar, mismo que la LE-2 aprovecha
para construir un Mensaje de Contestación (ANM, Answer Message) hacia la LE-1. La
LE-1 informa al suscriptor que llama acerca del establecimiento del enlace usando el
mensaje conectar. A partir de ese momento, ambos suscriptores pueden intercambiar
información. Cuando uno de los dos suscriptores decide terminar la comunicación, informa
a LE-1 por medio del mensaje desconectar, se utiliza un mecanismo similar a aquel que
tuvo lugar para establecer el enlace mediante mensajes de Liberación (REL, Release). Una
vez que el mensaje REL alcanza a LE-2, éste informa al suscriptor llamado acerca de la
desconexión (mensaje desconectar) y a la vez edita un mensaje de Liberación Completa
(RLC, Release Complete) para confirmar a LE-1 la liberación del enlace.
El mensaje IAM
Como se puede apreciar en la explicación anterior, el mensaje IAM es el primero de
los mensajes ISUP que se intercambia entre las Centrales Locales y de Tránsito, por lo que
conmutación de circuitos y consecuentemente para el desarrollo de esta tesis, razón por la
cual se detalla a continuación.
Los mensajes IAM proporcionan información acerca de la naturaleza de la conexión,
estándar de codificación, capacidad para transferencia de información, número al que se
llama y número llamado, entre otros. Esta información se codifica a manera de parámetros
obligatorios u opcionales y variables o fijos, según se muestra en la Tabla HI.
Tabla III. Parámetros del mensaje IAM.
Parámetro Longitud
(octetos) Tipo
Código del tipo de mensaje (00000001) "T1 1
indicadores de naturaleza de conexión `l1 1
indicadores de llamada hacia adelante ¬I'I 2 Categoria de la parte llamada "Fl 1
Requerimiento del medio de transmisión "11 1
Número de la parte llamada < 4-11
Selección de la red de transito O 4-?
Llamada de referencia O M7
Número dela parte llamada O 4-12
Indicadores opcionales de llamada directa O 3
Número de redirección O 4-12
información de redirección O 3-4
Código de bloqueo de grupo cerrado de usuarios O 6
solicitud de conexion
P
O 7-9Número llamado original O 4-12
Fin de parámetros opcionales 0 1
Estos parámetros poseen sus respectivos indicadores, es de interés el indicador de la
naturaleza de conexión cuya representación gráñca se muestra enla Figura 8, su longitud es
de un octeto y cada bit se identifica por una letra.
F - Parámetro obligatorio de longitud fija V - Parámetro obligatorio de longitud variable O - Parámetro opcional de longitud fija o variable
ya 7 s s 4 s 2 1
H G F E D C B A
18
Cada letra o combinación de letras representa una característica particular de la
conexión, cuya descripción se presenta en la Tabla IV .
Tabla IV. Descripción del Indicador de la naturaleza de la conexión en IAM
g Descripción Característica (bits) Estado
00 Sin circuitos de conexión satelital
Indicador de satélite 01 Un circuito de conexión satelital
(bits BA) 10 Dos circuitos de conexión satelital
11 Resewa g
00 Verificaclón continua no requerida
Indicador de veriñcación continua 01 Verificaclón continua requerida en este circuito
(bits oc)
1o
Verificaclón continua realizada en un circuito previo11 Reserva
Indicador de dispositivo de control de eco 0 Dispositivo de control de eco no incluido
(bit E) 1 Dispositivo de control de eco incluido (bits F,G y_l_-I) - Resen/a
* Los bits F, G y H no tienen una función previamente especificada en el estándar.
Para concluir con la descripción de ISUP, cabe destacar que existen diferentes
versiones nacionales de este protocolo, las cuales no son compatibles entre sí y por estas
diferencias se desarrolló una versión especial para conexiones internacionales entre los
protocolos empleados para proveer señalización en redes de telefonía nacional. Los
gateways que conectan redes nacionales con las intemacionales deben soportar ambas
versiones de ISUP.
II. 1.2.3 Parte del Usuario Telefónico (TUP)
TUP (Telephone User Part) es un protocolo de cuarto nivel que opera sobre MTP
proporcionando funciones de señalización telefónica. TUP tiene una versión intemacional
que soporta interconexiones con ISUP (ISDN User Part), pero muchos países tienen
variantes nacionales con características especiales. Todas las funciones soportadas por TUP
II. 1.2.4 Parte de Control de Conexión de Señalización (SCCP)
La MTP fue diseñada originalmente para controlar llamadas, por tanto, es apropiada
para la señalización relacionada con circuitos; sin embargo, en algunas ocasiones es
necesario transferir señales que no están relacionadas con circuitos, en este tipo de
aplicaciones no existe un canal de voz para configurar o controlar, como por ejemplo , los
servicios de bases de datos o Validaciones de tarjetas de crédito.
Por lo anterior, SCCP (Signaling Connection Control Part) se colocó sobre MTP
cubriendo así los requerimientos de las aplicaciones no relacionadas con circuitos. Cuando
se hace uso de SCCP, la pila formada por MTP y SCCP se denomina Parte de Servicio de
Red (NSP, Network Service Part).
La SCCP provee dos modos de operación: orientado a conexión y no orientado a
conexión. En los servicios no orientados a conexión, la información de enrutamiento
necesaria para encaminar los datos a su destino está contenida en cada paquete, mientras
que en los servicios orientados a conexión, se establece una conexión lógica entre los dos
puntos, después de la transferencia de los datos la conexión se libera con el fin de volver al
estado de “disponibles” los recursos que se estaban utilizando.
II. 1.2.5 Parte de Aplicación de las Capacidades de Transacciones (TCAP)
TCAP (Transaction Capabilities Application Part) es un protocolo de cuarto nivel
que provee señalización no relacionada con circuitos, por lo tanto provee un servicio no
orientado a conexión extremo a extremo. Un ejemplo de este tipo de servicio es la
transferencia de información entre bases de datos. TCAP opera sobre SCCP y MTP.
20
11.2 EI transporte de voz sobre IP
II.2.l Antecedentes
En la actualidad, la mayor parte de la telefonía se efectúa en la PSTN. Esto significa
que mia llamada reserva una conexión entre dos usuarios y nadie más puede hacer uso de
esta; cuando la llamada finaliza, la línea se libera para que pueda ser utilizada por otros
usuarios.
La transmisión de voz paquetizada mediante el protocolo IP logra un mejor
aprovechamiento del ancho de banda disponible que la telefonía tradicional por
conmutación de circuitos; esta tecnología, denominada VoIP (Voice over IP) o Telefonía
IP, hace posible el envío de paquetes entre dos o más suscriptores sin reservar la conexión y
solo utiliza ancho de banda si se tienen datos para transmitir. Esto se logra a través de la
digitalización de las señales de audio encapsuladas en paquetes mediante el Protocolo de
Transporte en Tiempo Real (RTP, Real-Time Transport Protocol) y enviándolas en redes
que emplean el protocolo IP, que al llegar a su destino se desencapsulan y reproducen.
Si bien esta tecnología surgió como una aplicación más de Internet, hoy en día está
sujeta a investigación y desarrollo por parte de diversas organizaciones de estándares y
fabricantes de equipo de telecomunicaciones. El impacto de VoIP se puede apreciar en el
incremento constante de sus aplicaciones, que han evolucionado desde el entretenimiento y
el ahorro doméstico en llamadas de larga distancia hasta las aplicaciones corporativas,
originando una revolución en las compañías prestadoras de servicios de telecomunicaciones
II.2.2 Aspectos de calidad de servicio
La tecnología del transporte de voz a través las redes de paquetes de datos se
encuentra en sus inicios y por consiguiente existen algunos factores negativos que están
siendo atacados mediante el desarrollo de nuevos estándares.
En VoIP resulta prácticamente imposible garantizar la calidad de servicio (QoS,
Quality of Service), es decir, no existe manera de asegurar que todos los paquetes lleguen
sin errores y en el orden correcto a su destino. Este problema puede ser minimizado al no
utilizar la red pública de Intemet y utilizar redes privadas, donde sí es posible garantizar
cierta QoS debido a que se tiene un mayor control sobre la red incluyendo software y
hardware.
Pero, ¿cuáles son los factores críticos que determinan la calidad del audio recibido?,
básicamente dos: la tecnología de codificación de la voz y la latencia en la red.
El algoritmo de codificación de la voz debe ser capaz de trabajar en tiempo real
proporcionando “calidad suficiente”, es decir, la voz debe ser entendible por el otro
suscriptor. Además, el algoritmo debe incluir un método para la reconstrucción de paquetes
perdidos. La pérdida puede deberse a congestión en la red o al término del tiempo de vida
del paquete IP. El mecanismo para comunicaciones de voz y video tiempo real es diferente
al de datos: cuando un paquete se pierde no es retransmitido, ya que llega demasiado tarde
para ser reproducido. Por lo tanto, el sistema final que recibe los paquetes debe generar
audio durante el tiempo que el paquete perdido debía ser reproducido, lo que evita
22
anterior al perdido en un volumen más bajo, otro método es obtener una interpolación entre
el paquete anterior y posterior al perdido para reponer el faltante.
Otro de los problemas inherentes a las redes de paquetes es la latencia. Si la latencia
en la red es alta, resulta dificil comunicar a los suscriptores y mantener una conversación
normal, su cadencia disminuye conforme se incrementa la latencia en la red.
La máxima latencia tolerable por el odio humano es aproximadamente 300 ms, para
procurar mantener los retardos por debajo de este umbral la IEFT (Internet Engineering
Task Force) desarrolló el Protocolo de Reservación de Recursos (RSVP, Resource
ReSer Vation Protocol).
II.2.3 Protocolos
La Telefonía IP requiere una diversidad de protocolos: los que realizan las funciones
de transporte de datos en tiempo real a través de la red, protocolos para reservación de
recursos. Además, requiere un medio para que los suscriptores establezcan un enlace entre
ellos y envíen mediante señales el deseo de comunicarse. Esta fimcionalidad se conoce
como señalización de Telefonia IP [Schulzrinne, 1998].
Todas estas funcionalidades están siendo desarrolladas por diversas organizaciones
de estándares, fabricantes de equipo y otras organizaciones relacionadas con las
telecomunicaciones, de ahí que son cada vez más las los protocolos relacionados con esta
tecnología y, en consecuencia, los problemas de incompatibilidad entre equipos.
En la Figura 9 se presentan algunos de los protocolos más difundidos de esta
tecnología. Este estudio se enfoca a la descripción de los protocolos ilustrados en el nivel
Transporte
Señalización Calidad de Servicio de carga útil
(Haze) ( siP\) (Rise) ( Revia) Cifzfcï)
Q RIP )
í_LJ›` A .__ _. V V , ,`_ _
TCP _) ì L UDP J
i
l
Apii¢a<=io«i_›
P
iPv4, iPvs
j
ranaEmeRei/Nr_\1::Íüi-u<~
`°
aii
x/
i E
-
(Mia/4) (Aki)
Iiliiì l
\
--Figura 9. Protocolos empleados en VoIP.
11. 2.3.1 Señalización en redes para VoIP
La necesidad de las funciones de señalización distingue a la Telefonía IP de otros
servicios multimedia como difusión y servicios bajo demanda. Esta señalización debe ser
capaz de establecer y gestionar las llamadas.
Uno de los problemas de la telefonía IP es el localizar a los suscriptores para una
llamada telefónica. La movilidad personal, la degradación de la llamada, la disponibilidad y
el deseo de comunicarse hace al proceso de señalización aim más complejo. Para esto se
emplea el protocolo H.323 que ha emergido de la ITU-T, similar al Protocolo de
Inicialización de Sesión (SIP, Session lnitiation Protocol), que es parte de la pila de
protocolos de la IETF (Internet Engineering Task Force). Estos protocolos establecen la
conexión entre dos sistemas finales, traducen direcciones de la capa de aplicación,
gestionan las llamadas y cuando fmalizan, indican que los recursos han sido liberados. Los
mensajes enviados por estos protocolos también son transmitidos en paquetes IP a través de
24
menores que aquellos paquetes que contienen datos en tiempo real y por lo tanto pueden
admitir altas latencias.
H.323
H.323 es una recomendación de la ITU-T que establece un conjunto de estándares
para comunicaciones multimedia sobre redes basadas en conmutación de paquetes. La pila
de protocolos H.323 se presenta en la Figura 10.
El estándar incluye dispositivos aislados (stand-alone) y tecnología de
computadoras personales, así como conferencias punto a punto y punto-multipunto. H.323
controla el direccionamiento de llamadas, gestiona los servicios multimedia y el ancho de
banda así como las interfaces entre redes de área local (LAN, Local Area Network) y otras
redes.
Audio Video Datos Control
G.71 1
G.722 H.261 Control Control Control
G.723 H.263 T.120 de RAS H.245
G.728 llamada H.225
G.729 H.225
RTP/RTCP
UDP UDP 0 TCP
IP Capa 2 (varia) Capa 1 (varia)
Figura 10. Pila de protocolos H.323.
H.323 utiliza tanto comunicaciones confiables como no confiables. Las señales de
control y datos requieren transporte confiable debido a que las señales deben recibirse en el
orden en el cual fueron enviadas y no toleran pérdidas. En cambio, las señales de audio y
utilidad para el usuario final y se considera como un paquete perdido, por lo tanto las
señales de audio y video utilizan el transporte no confiable.
La transmisión confiable de los mensajes utiliza el modo orientado a conexión para
la transmisión de datos. En la pila de protocolos IP, este tipo de transmisión se realiza
mediante el Protocolo para Control de Transmisión (TCP, Transmission Control Protocol).
La transmisión confiable garantiza la secuenciación, la transmisión libre de errores y el
flujo controlado de la transmisión de paquetes, pero puede retardar la transmisión y
disminuir el caudal eficaz (throughput). H.323 utiliza los servicios TCP para el canal de
control H.245, el canal de datos T.120 y el canal de señalización de llamada.
Dentro de la pila de protocolos IP, los servicios no confiables están provistos por el
Protocolo de Datagrama de Usuario (UDP, User Datagram Protocol). La transmisión no
confiable es un modo no orientado a conexión que realiza entregas tipo “mejor esfuerzo”,
esto significa que los paquetes que no sean recibidos o que tengan errores simplemente se
descartarán. UDP cumple con las características anteriores por lo que ofrece un control
mínimo de la infonnación. H.323 utiliza UDP para audio, video y canal
Registro/Admisión/Estado (RAS, Registration/Admission/Status).
Arquitectura
H.323 define cuatro componentes principales para rm sistema de comunicaciones
basado en red: terminales, gateways, gatekeepers y Unidades de Control Multipunto (MCU,
LAN corporativa
WE
ii
¡_¡_323 Gateeper
Q
_ H.323
E
¡É
PC H.323
(Conectada via PPP)
l Gateway
. .
Internet f PSTNIISDN
~ l »tt
Teléfono
Unidae Control
Multipunto
il
E
_
H.320
í (Sobre ISDN)
H.324
(sobre Psrii)
Figura 11. Componentes principales de una arquitectura H 323
Terminales
Las terminales son puntos finales en una LAN que proveen comunicación
bidireccional en tiempo real. Todas las terminales deben soportar comunicaciones de voz y
video (los datos son opcionales). H.323 especifica los modos de operación requeridos en las
diferentes terminales de audio, video y/o datos para operar de forma conjunta.
Todas las terminales H.323 deben soportar la recomendación H.245, la cual se
utiliza para negociar el uso y capacidades del canal. Además, se requieren tres protocolos
adicionales: Q.93 l para señalización y configuración de llamadas,
Registro/Admisión/Estado (RAS - Registration/Admission/Status) para la comunicación
con los gatekeepers y RTP/RTCP para secuenciación de paquetes de audio y video.
Gateways
El gateway es un elemento opcional en una conferencia H.323 que provee una gran
variedad de servicios, el más común es la traducción de funciones entre los puntos finales
entre formatos de transmisión y la traducción entre procedimientos de comunicaciones (por
ejemplo: H.245 a H.242). Además, el gateway traduce entre compresores de audio y video
y ejecuta la configuración y liberación de llamadas tanto en el extremo de la LAN como de
la red de conmutación de circuitos.
' Las funciones principales de los gateways son:
- Establecer enlaces con terminales analógicas de la PSTN.
- Establecer enlaces con terminales remotas H.323 sobre redes de conmutación de
circuitos basadas en RDSI.
- Establecer enlaces con terminales remotas H.324 sobre redes PSTN.
En caso de no ser necesaria la conexión con otras redes, no se requerirán los
gateways, debido a que los puntos finales pueden conectarse directamente con otros sobre
la misma LAN. Las terminales se comunican con los gateways utilizando los protocolos
H.24s y Q.931.
Gatekeepers
El gatekeeper es el componente más importante de una red que soporta H.323, actúa
como el punto central para todas las llamadas dentro de su zona y provee servicio de
control de llamadas a los puntos fmales registrados. En varios aspectos, actúa como un
comnutador virtual.
Los gatekeepers efectúan dos funciones de control de llamadas importantes: la
primera es la traducción de direcciones alias de terminales y gateways a direcciones IP, y la
segimda es la gestión del ancho de banda, ambas diseñadas dentro del RAS.
Por ejemplo, si un administrador de red ha especificado un umbral para el número
28
más conexiones una vez que el umbral se ha alcanzado. El propósito es limitar el ancho de
banda total de conferencia a una fracción del total disponible, dejando el resto para correos
electrónicos, transferencia de archivos y otros protocolos. i
La colección de todas las terminales, gateways y MCUs administrados por un
gatekeeper se conoce como Zona H.323. Los fabricantes pueden incorporar funcionalidades
de gatekeepers en las implementaciones físicas de los gateways y MCUs ya que los
gatekeepers están lógicamente separados de los puntos finales H.323,
Un gatekeeper es un componente opcional en un sistema H.323, sin embargo, al
estar presente, las terminales deben hacer uso de sus servicios. RAS define estos servicios
como traducción de direcciones, control de admisiones, control de ancho de banda y
gestión de zona.
Unidades de Control Multipunto
Las Unidades de Control Multipunto (MCU) soportan conferencias entre tres o más
puntos finales. Un MCU consiste de un Controlador Multipunto (MC, Multipoint
Controller) y procesadores multipunto (MP, Multzpoint Processors) (opcionales). El MC
maneja negociaciones H.245 entre todas las terminales para detenninar las capacidades
comunes de audio y procesamiento de video. El MC también controla los recursos de la
conferencia determinando cual de las transmisiones de audio o video será multicast.
El MC no interactúa directamente con el medio, independientemente del que se
trate, ya que esto es función del MP que combina, conmuta y procesa los bits de audio,
video y/o datos. Las capacidades de MC y MP pueden incorporarse en un dispositivo
Protocolo para Inicio de Sesión (SIP)
El Protocolo de Inicio de Sesión (SIP, Session Initiation Protocol) es otro protocolo
de señalización que permite establecer, modificar y terminar sesiones multimedia. Una
llamada realizada a través de un teléfono IP se considera como un tipo de sesión
multimedia en la cual se intercambia voz entre los suscriptores.
SIP soporta movilidad personal y negociación de las capacidades de los usuarios
finales. Además, soporta servicios de seguridad fundamentales como lo son la
autentificación, control de acceso, confidencialidad e integridad [Handley et al., 1999].
SIP es un protocolo basado en texto (igual que HTTP, Hypertext Protocol), opera
sobre TCP o UDP. Si se utiliza UDP, los mecanismos que proveen las retransmisiones y
detección de pérdidas de paquetes deben ser implementados en las capas superiores.
SIP es un protocolo cliente-servidor. El cliente envía solicitudes y los servidores
responden a estas peticiones. La versión actual de SIP (SIP 2.0) contiene seis tipos de
peticiones, las cuales se conocen como métodos, brevemente descritas en la Tabla V.
Tabla V. Tipos de peticiones en SIP.
i Petición Descripción
INVITEI Se utiliza para preguntar por la presencia de un cierto suscriptor en una sesión multimedia. Este
método permite la negociación de los parámetros de la sesión como el puerto por el que se recibirá la información o que estándar de codificación se empleará.
ACK Se envia para reconocimiento de una nueva conexión. Puede contener una descripción de la sesión
puntualizando los parámetros para la transmisión de información.
OPTIONS Se utiliza para obtener información acerca de las capacidades de un servidor. El servidor regresa los
métodos que soporta.
REGISTER informa a un seniidor sobre la posición actual de un usuario. De esta forma el usuario puede ser alcanzado donde este conectado en ese momento.
CANCEL Finaliza búsquedas paralelas. Cuando un seniidor está intentando alcanzar a un usuario, puede tratar en varias ubicaciones. Cuando el usuario es localizado el resto de las búsquedas son canceladas.
30
Cuando un servidor recibe una solicitud envía una repuesta de retomo. Cada tipo de
respuesta está identificada por un número de código. Los seis principales tipos de
respuestas se muestran en la Tabla VI.
Tabla VI. Tipos de respuestas en SIP.
Respuesta Significado
l›o< informativo
2›o< Exitoso
3›o( Redirección I
4›o< Petición de falla
5xx Falla del servidor
6›o< Falla global
El servidor mantiene al cliente informado del estado de las llamadas con los
mensajes de respuesta.
Modos de operación
SIP tiene dos modos de operación cuando se utilizan servidores: mediante un
servidor proxy o mediante tm servidor redirector.
El servidor proxy, mostrado en la Figura 12, se encarga de determinar la ubicación
del usuario, por lo tanto el proceso es transparente al usuario.
1. INVITE 2. INVITE
Agente de Usuario _S", 5. Acx ServidorS", _ Agente de Usuarios.i\ci< S",
El servidor redirector, mostrado en la Figura 13, localiza al usuario y responde con
su ubicación. El cliente debe emitir una segunda invitación, ahora direccionada hacia la
nueva ubicación.
1. iuvire [É _
2. 3xx
Servidor 3. Acx
@
A
sip
Agente de Usuario 4. iiivire ,_
sin
i*
ã
¡ 5. zxx
Agente de Usuario
Figura 13. Operación SIP en modo Redirector.
Existe otro modo de operación en el cual no se utilizan servidores. El agente de
usuario envía peticiones directamente a otro agente de usuario. Aún cuando en el primer
intercambio de mensajes entre los suscriptores se utiliza un servidor SIP, los intercambios
subsecuentes pueden ser direccionados al agente de usuario sin pasar por ningún servidor.
II. 2.3.2 Protocolo de Reservación de Recursos (RSVP)
Como su nombre lo indica, RSVP (ReSource ReSerVation Protocol) se utiliza para
reservar recursos de una sesión en redes IP; está diseñado para proveer un desempeño
garantizado mediante la reservación de los recursos necesarios en cada máquina que
participa en el soporte del flujo del tráfico (como video o audioconferencia).
IP es un protocolo no orientado a conexión que no establece rutas para el flujo de
tráfico, RSVP está diseñado para establecer dichas rutas y así mismo, para garantizar el
ancho de banda en ellas, no provee operaciones de enrutamiento, pero emplea IPv4 o IPv6
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RSVP opera con procedimientos unicast o multicast e interopera con los protocolos
multicast actuales. Al igual que IP, RSVP utiliza los servicio de las tablas de enrutamiento
para determinar las rutas de sus mensajes.
RSVP requiere que los receptores de tráfico soliciten QoS para el flujo. La
aplicación anfitrión del receptor debe determinar el perfil de calidad de servicio, la cual es
transmitida a RSVP. Después del análisis de la solicitud, se envían mensajes de solicitud a
todos los nodos que participan en el flujo de datos mediante RSVP.
Módulos de control de tráfico
Los RFCs relacionados con RSVP1 describen los procedimientos para solicitar la
reservación de recursos pero no determinan claramente la manera en que los enrutadores
implementarán los mecanismos de prioridades que garantizarán la QoS, solo identifican
unidades funcionales que cada emutador que soporte RSVP debe implementar, presentadas
I
Control
RS\lP'”>f
de politica
admision
Clasiflcador
Planificador
de paquetes
de paquetes
Figura 14. Módulos RSVP para control de tráfico. en la Figura 14.
Demonio RS VP
Es el módulo principal que maneja el algoritmo de reservación con la asistencia de
los otros módulos. Es responsable de consultar el permiso para configurar una reservación a
los módulos de “Control de política” y “Control de admisión”, en caso de que el permiso
sea otorgado, el demonio RSVP fija los parámetros en el “Clasificador de paquetes” y en el
“Planificador de paquetes” para obtener la QoS deseada.
Control de Política
Este módulo gestiona el aspecto administrativo, es decir, a quien se le permite hacer
reservaciones y que tipo de QoS puede reservar. Actualmente la especificación RSVP
define un mecanismo para transportar información de políticas sobre las reservaciones, sin
embargo no define las políticas en sí. En caso de que la solicitud no sea aprobada por este
módulo, los recursos no serán reservados y el usuario recibirá un mensaje de error.
Control de admisión
Determina si el nodo tiene suficientes recursos disponibles para satisfacer las
necesidades de la solicitud de reservación. Si el control de admisión falla en cualquier
nodo, RSVP regresa un indicador de error ala aplicación que originó la petición.
Clasífícador de paquetes
Si el control de política y admisión regresan una decisión positiva, el demonio
transfiere los paquetes de datos a tm clasificador de paquetes que determina la ruta y la
clase de QoS para cada paquete. El clasificador de paquete puede combinarse con la
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Planificador de paquetes
Los paquetes se introducen a una línea de espera con manejo de prioridad según se
requiera en el planificador de paquetes, que asigna los recursos para la transmisión en un
enlace particular (también puede asignar otros recursos del sistema como tiempo de CPU
y/0 buffers). Este módulo es el responsable de alcanzar el compromiso de QOS.
II. 2.3. 3 Protocolo de Transporte en Tiempo Real (R TP)
El protocolo RTP (Real-Time Transport Protocol), es tm protocolo de
encapsularniento diseñado para soportar tráfico en tiempo real, el cual se encuentra en el
campo de datos del paquete RTP y su encabezado contiene información acerca del tipo de
tráfico que está transportando, asi como información de sincronía con la aplicación
receptora [Schulzrimre et al., 1996].
La Unidad de Datos de Protocolo (PDU, Protocol Data Unit) de RTP se transporta
en los PDUs del Protocolo de Datagrama de Usuario (UDP, User Datagram Protocol) y del
protocolo IP, con los encabezados de estos protocolos como parte de la unidad de datos
total, representados en la Figura 15. Finalmente se tiene un paquete con un
sobreencabezado de 40 bytes, mientras que su carga útil generalmente varía entre 20 y 80
bytes. Es notoria la cantidad excesiva de información de control a la carga útil de los
paquetes por lo que la IETF desarrolló técnicas para compresión de cabecera RTP (CRTP)
diseñadas particularmente para enlaces de baja velocidad (hasta 2 Mbps).
EncabezadolP Encabezado UDP Encabezado RTP Carga úliIRTP Í
20 bytes 8 bytes 12 bytes varía
