Atenção: esse artigo tem um vídeo complementar. Clique e assista!
Neste artigo serão apresentadas as diferenças entre a telefonia IP e a voz sobre IP, além das características e as vantagens destas tecnologias. Também serão descritos os desafios e as limitações impostas pela utilização das redes de dados IP para o transporte da voz digitalizada. Por fim, serão expostas algumas soluções comerciais atualmente disponíveis no mercado, destacando suas funcionalidades principais e custos.
Para que serve:
As tecnologias de voz sobre IP estão em crescente expansão e popularização. Assim, este artigo procura esclarecer as diferenças, características e vantagens de sua utilização e implementação. Com isso, os profissionais e demais usuários da área de Tecnologia da Informação poderão compreender melhor como integrar e extrair os benefícios da adoção destas soluções em suas empresas.
Em que situação o tema é útil:
Os conceitos apresentados têm por objetivo fornecer a fundamentação teórica básica para que profissionais e usuários compreendam as características principais das soluções de voz sobre IP, possibilitando a escolha e a implementação do produto mais adequado às suas necessidades e de suas empresas, aproveitando todos os benefícios destas novas tecnologias.
A popularização e a disponibilização crescente de acessos banda larga aos usuários domésticos, bem como a redução nos custos para contratação de enlaces privativos junto às operadoras de telecomunicações (mercado corporativo) e o aumento da capilaridade da infraestrutura das redes de dados IP têm muito contribuído para expansão das tecnologias de telefonia IP e voz sobre IP.
Neste sentido, neste artigo serão abordadas inicialmente as diferenças entre estas tecnologias, pois ainda que ambas utilizem as funcionalidades do protocolo IP, existem importantes particularidades em suas características. Também serão destacadas as vantagens da adoção da telefonia IP e da voz sobre IP em relação aos sistemas de telefonia convencionais. A seguir, serão descritos os principais modelos de implementação da telefonia IP, analisados conforme o nível de resiliência desejado (redundância e segurança), e os desafios da conversão da voz em sinais digitais – formato utilizado para transmissão em redes de dados IP. Finalmente, será exposta uma tabela comparativa com as principais características e custos de algumas soluções atualmente disponíveis no mercado.
Telefonia IP versus VoIP (voz sobre IP)
Uma dúvida muito comum, mesmo entre os profissionais da área de tecnologia da informação, é sobre a diferença entre telefonia IP e voz sobre IP (VoIP). Muitas vezes estes termos são empregados como sinônimos. Embora ambas as tecnologias utilizem as funcionalidades do protocolo IP (Internet Protocol), suas características são substancialmente diferentes.
Os sistemas VoIP são aqueles que convertem o sinal analógico, gerado normalmente por sistemas de telefonia convencional, para um sinal digital (sequência de zeros e uns) que é transportado pelo protocolo IP. Este, hoje em dia, está presente em praticamente todas as redes de comunicação de dados, ou seja, os sistemas de voz sobre IP podem ser implementados tanto em linhas de dados privadas, por empresas que interligam suas filiais a matrizes (Figura 1), quanto em redes públicas, como a Internet.
Figura 1. VoIP sobre linha de dados privada.
Mas, como aproveitar um telefone comum em um sistema de voz sobre IP? Existem diversas maneiras: a solução mais simples é usar um dispositivo chamado ATA (Analog Telephone Adapter – adaptador de telefone analógico). Para as empresas que possuem o PABX (Private Automatic Branch eXchange) convencional, existem diversos módulos que permitem a conversão da voz para o sinal digital, permitindo a utilização das tecnologias VoIP.
Já as soluções de telefonia IP substituem o PABX convencional por novos equipamentos, totalmente baseados em voz sobre IP, que implementam serviços semelhantes como: transferência entre ramais, conferência de usuários, desvios (siga-me), espera de chamadas, entre outros. Os telefones também são substituídos por equipamentos digitais com comunicação IP nativa. A Figura 2 ilustra as diferenças entre VoIP e telefonia IP: observe que esta última também utiliza a voz sobre IP.
Figura 2. Comparação entre VoIP e telefonia IP.
O PABX IP, como é chamado este novo equipamento, utiliza o hardware de um servidor padrão (como aquele empregado para disponibilizar um site web ou uma plataforma de e-mail) no qual é instalado o software que implementa as funcionalidades de uma central telefônica. Neste ponto, estão algumas das vantagens da telefonia IP, pois, por se tratar de um servidor comum, o hardware possui custo reduzido.
A expansão do número de usuários (ramais) também se torna uma tarefa simples, dependendo apenas da atualização de recursos como memória RAM (Random-Access Memory) e processador. Além disso, é possível aumentar gradativamente o número de servidores que desempenham esta função. Quando utilizado um PABX convencional, a expansão fica restrita ao número máximo de módulos suportado pelo gabinete do equipamento, que é compartilhado por placas para ramais e troncos (Figura 3).
Figura 3. Mix de placas para ramais e troncos.
A telefonia IP também é especialmente interessante para empresas com perspectiva de expansão de seus escritórios ou filiais. Ao empregar esta tecnologia, não é necessário o investimento em equipamentos PABX, como ocorre quando utilizada a tecnologia convencional, desde que haja comunicação de dados entre todos os escritórios. Assim, é possível aproveitar o PABX IP já existente na matriz da empresa e realizar apenas o investimento nos telefones IP. Estes podem compartilhar os mesmos recursos implementados para os demais telefones IP já instalados. A solução é totalmente transparente para os usuários (Figura 4) e a expansão pode ser realizada com investimentos reduzidos.
Figura 4. Expansão das filiais utilizando o PABX tradicional e o PABX IP.
A operação de um PABX IP também é bastante simplificada, pois diversas soluções permitem o acesso remoto através de interfaces web amigáveis e intuitivas. É possível realizar o gerenciamento, a configuração e a manutenção a partir de qualquer localidade da empresa. Caso a empresa disponha do recurso de VPN (Virtual Private Network – rede privada virtual), o acesso pode ser realizado a partir de qualquer local com conectividade à Internet. Deste modo, são reduzidos os custos de viagem e deslocamento, e as ativações de novas filiais também são realizadas muito mais rapidamente.
Diversos modelos de telefones IP são clientes DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol), ou seja, estes podem ser configurados automaticamente, sem a necessidade de intervenção manual. Desta maneira, para ativar uma nova filial, basta enviar os equipamentos para a localidade e solicitar sua instalação ao suporte local. A maior parte dos modelos permite o uso de um único ponto de rede: este é conectado ao telefone IP e deste, existe uma ligação à estação do usuário. Assim, não são necessários investimentos para expandir o número de pontos de rede. Alguns equipamentos sequer necessitam de fonte de alimentação, porque suportam PoE (Power over Ethernet – alimentação elétrica enviada pelo switch através da conexão de rede). A partir daí, o administrador do PABX IP pode realizar a configuração e os testes remotamente.
Outro recurso atraente oferecido pelas soluções de telefonia IP é a mobilidade. Os usuários podem utilizar seu ramal para receber ou realizar ligações a partir de qualquer localidade da empresa. Quando empregada a telefonia convencional, existe a necessidade de conexão física entre o telefone e o PABX, limitando a mobilidade do usuário. Esta restrição deixa de existir na telefonia IP, pois basta conectividade através da rede de dados com o PABX IP.
De tal modo, suponha um profissional de uma empresa contratado para trabalhar na matriz em São Paulo; este trabalha na área comercial e divulga para os clientes o número (11) 7777-2000. Semanalmente, este profissional realiza reuniões com toda a equipe na filial em Campinas. Com a mobilidade, este profissional pode ter seu ramal ativo em qualquer telefone IP instalado na filial. As ligações recebidas através do STFC (Serviço Telefônico Fixo Comutado) em São Paulo serão encaminhadas através da rede de dados IP até Campinas (Figura 5). Tanto para o profissional quanto para seus clientes, não existem diferenças devido à localização geográfica. Cabe mencionar também que já existem no mercado diversos telefones IP wireless, compatíveis com o padrão WIFI (Wireless Fidelity) que possibilitam aos usuários se deslocarem por qualquer local da empresa que possua cobertura da rede de dados sem fio.
A mobilidade também pode ser empregada quando a empresa oferece o recurso de VPN para seus profissionais. Através deste, é possível a partir de qualquer local com conectividade à Internet utilizar um telefone IP (hardphone). É importante destacar que estes usuários remotos ainda podem usar soluções de softphones (softwares aplicativos que emulam as mesmas funcionalidades de um telefone IP).
Figura 5. Mobilidade dos usuários.
Por fim, a telefonia IP possibilita a integração com meios de comunicação como correio de voz, e-mail e fax em um único repositório (Figura 6). É possível receber as mensagens do correio de voz através de e-mails, acessíveis a partir de qualquer computador conectado à Internet. Por outro lado, os e-mails também podem ser lidos através de qualquer telefone (inclusive externamente à empresa). Os faxes podem ser enviados por intermédio de um simples e-mail com os arquivos anexados, bem como os ramais dos usuários podem ser divulgados como receptores de faxes, que são encaminhados automaticamente por e-mail ao destinatário.
Figura 6. Integração da telefonia IP com correio de voz, e-mail e fax.
São inúmeras as vantagens da telefonia IP em relação aos sistemas convencionais de telefonia. A implementação desta solução pode seguir filosofias distintas: processamento centralizado, centralizado e sobrevivência, descentralizado, entre outras. Cada modelo oferece diferentes níveis de segurança e redundância (resiliência), conforme será exposto na sessão a seguir.
Modelos de implementação
Existem diversos modelos que podem ser utilizados para a implementação de uma solução de telefonia IP. Estes devem ser analisados conforme o nível de resiliência desejado (redundância e segurança):
• Processamento centralizado: Neste modelo, o PABX IP é instalado em um ponto central, geralmente a matriz da empresa, onde está localizado o datacenter e existe boa infraestrutura para a rede de dados, elétrica e de ar-condicionado. Usualmente todos os enlaces de dados com as filiais também estão concentrados neste local. Conforme apresentado anteriormente, nesta implementação, a administração é centralizada e possibilita a rápida expansão de novas filiais, pois somente será necessária a aquisição de novos telefones IP (Figura 7). A mobilidade estará disponível para os profissionais da empresa em todas as localidades. É interessante observar que neste tipo de implementação também é possível criar um plano de numeração unificado que permite realizar uma chamada para qualquer filial discando somente o ramal do usuário;
Figura 7. PABX IP instalado na matriz da empresa (ponto central).
• Processamento centralizado e sobrevivência: Este modelo possui as mesmas características do modelo anterior, com a exceção da instalação de equipamentos de sobrevivência nas filiais. Nas soluções de alguns fabricantes como Avaya e Cisco Systems, esta funcionalidade geralmente é implementada pelo hardware (também chamado de gateway) no qual são conectados os canais de voz (E1s). Caso ocorra a indisponibilidade na comunicação de dados com as filiais, este entra em modo de contingência automaticamente. Neste modo, somente as funções básicas do PABX IP são oferecidas;
• Processamento descentralizado: Neste modelo, existe a redundância geográfica para os equipamentos que compõem a solução de telefonia IP. Tantos os servidores com a função de PABX IP, quanto a conexão com STFC estão distribuídos entre duas ou mais localidades, formando um cluster descentralizado (Figura 8). Caso ocorra a indisponibilidade na comunicação de dados entre as localidades, o PABX IP local manterá operacionais todos os recursos. Neste modelo descentralizado, a administração permanece centralizada (alterações podem ser realizadas a partir de uma interface web única para qualquer localidade), a expansão continua simplificada (não é necessário instalar um PABX IP em todas as localidades) e os usuários podem se locomover por qualquer uma das filiais mantendo seus ramais (mobilidade), além do plano de numeração unificado.
Figura 8. PABX IP instalado em duas localidades (redundância geográfica).
Independentemente do modelo adotado, as soluções de telefonia IP têm grande dependência das redes de dados, pois os sinais analógicos de voz são convertidos para sinais digitais, os quais são transmitidos através desta infraestrutura. As características nativas destas redes impõem grandes desafios às tecnologias que utilizam voz sobre IP, pois estas apresentam requisitos quanto às perdas de pacotes, atrasos e jitter, conforme será apresentado na sessão a seguir.
Desafios das tecnologias que utilizam voz sobre IP
A conversão do sinal analógico de voz para digital possibilitou sua transmissão através das redes de comunicação de dados. A primeira codificação digital de voz data de 1928, na área militar, mas somente na década de 1970 houve aplicação em outras áreas. A técnica inicialmente empregada foi a PCM (Pulse Code Modulation), que implementava os seguintes passos básicos:
1. Amostragem do sinal analógico: Nesta etapa, são retiradas amostras periódicas do sinal de voz, que o discretizam no tempo;
2. Quantificação das amostras: Após a amostragem do sinal, é necessário transformar os valores infinitos das amostras em finitos, para que estes possam ser representados pelo sistema binário;
3. Codificação em valores binários: Os valores transformados precisam ser codificados em sequências de bits, pois um sinal digital binário somente pode assumir dois valores diferentes: 0 ou 1.
As técnicas para converter os sinais de áudio para a forma digital evoluíram e passaram a realizar a compressão das amostras para redução da largura de banda necessária para transmissão. Estas também são conhecidas como codecs (codificador-decodificador), destacando-se os seguintes:
• G.711: Lançado em 1972, consiste em 8000 amostragens do sinal de voz por segundo, representadas por um valor discreto em 8 bits, resultando na necessidade de um canal digital de 64 kbps para transmissão de cada canal de voz. Existem dois algoritmos básicos definidos como padrão: o algoritmo mu-law (mais comum na América do Norte e no Japão) e o algoritmo a-law (utilizado na Europa e no resto do mundo);
• G.729: Codec mais comum, pois necessita uma pequena largura de banda (8 kbps). Compacta o áudio em partes de 10 milissegundos. Músicas, tons DTMF (Dual-Tone Multi-Frequency) e faxes não podem ser transportados confiavelmente por este codec, devendo ser usado o codec G.711 ou outro que utilize mais banda para transportar estes tipos de sinais.
Como cada tipo de codec possui uma exigência de largura de banda, a qualidade do sinal de voz resultante apresenta diferentes níveis de qualidade. O método de classificação mais comum emprega uma pontuação entre 1 e 5, onde um grupo de pessoas escuta amostras de voz decodificadas (sendo as mais variadas e envolvendo proporcionalmente vozes masculinas e femininas).
A média das pontuações gera um valor denominado MOS (Mean Opinion Score), cujo valor médio é 4,3 para o codec G.711 e 3,92 para o G.729. O valor do MOS entre 4,4 e 4,5 é considerado equivalente à qualidade obtida em uma chamada na STFC, já o MOS em 4,0 ainda é considerado aceitável para a maioria dos usuários. A maior parte das chamadas de dispositivos móveis (celulares) possui MOS entre 3,8 e 4,0 (a voz do originador e o reconhecimento de palavras já podem ser afetados).
Desta maneira, um fator relevante para a implementação das redes de voz sobre IP é o planejamento de sua capacidade, visto que cada codec requer uma determinada largura de banda para cada chamada que será estabelecida (Tabela 1).
Tabela 1. Largura de banda necessária para diferentes codecs.
Deste modo, o uso das tecnologias de voz sobre IP tem como grande desafio as limitações das redes de dados. O protocolo IP é conhecido como best effort (melhor esforço), ou seja, as transmissões dos diversos usuários da rede são concorrentes entre si, resultando no compartilhamento da largura de banda disponível entre todos os fluxos de dados; caso ocorram congestionamentos na rede, os pacotes excedentes são descartados.
Este comportamento é indesejável para aplicações em tempo real (real time), como a voz sobre IP, porque estas requerem uma largura de banda mínima e constante. O protocolo IP também não é orientado à conexão, logo não existe a definição de um caminho único entre emissor e receptor; os pacotes de dados podem passar por enlaces de dados e roteadores com capacidades totais díspares e, consequentemente, níveis de congestionamento e processamento diferentes (Figura 9).
Figura 9. Múltiplos caminhos entre emissor e receptor.
Neste contexto, as redes de dados IP devem ser capazes de atender aos seguintes requisitos das tecnologias de voz sobe IP:
• Perda de pacotes: Ocorre quando a qualidade da rede é ruim ou se existe congestionamento em algum ponto desta, pois nestes casos os pacotes excedentes são descartados; degrada a qualidade da voz e provoca perdas no áudio transmitido – cortes no sinal de voz (Figura 10);
Figura 10. Representação gráfica da perda de pacotes.
• Atraso: Também chamado de atraso fim-a-fim, consiste em dois componentes principais: atraso fixo de rede (processamento dos pacotes nos roteadores e propagação do sinal) e atraso variável de rede (congestionamentos e serialização dos pacotes de dados). As aplicações de voz toleram, tipicamente, até 150 milissegundos de atraso sem que a qualidade da chamada seja degradada (sem percepção dos usuários). O efeito é semelhante ao observado em ligações internacionais, quando um usuário aguarda alguns instantes até que sua mensagem chegue ao destinatário e este envie sua resposta (Figura 11);
Figura 11. Representação gráfica do atraso.
• Jitter: Corresponde à variação entre a chegada prevista para um pacote IP e o tempo em que este efetivamente foi recebido (variação no atraso devido aos congestionamentos). Para os usuários, o efeito é semelhante ao observado no item anterior (Figura 12).
Figura 12. Representação gráfica do jitter.
Para tanto, alguns mecanismos foram criados com o objetivo de melhorar as características nativas do protocolo IP em relação aos requisitos das tecnologias IP. O protocolo RTP (Real-time Transport Protocol) foi projetado para permitir a compensação do jitter e da desordenação de pacotes introduzida pelos múltiplos caminhos nas redes IP; contudo não garante a entrega dos pacotes nem a qualidade de serviço (QoS).
O RTP é executado sobre o UDP (User Datagram Protocol), um protocolo rápido, simples, sem conexão e que provê o transporte fim-a-fim dos dados multimídia, fazendo uma interface entre a camada de aplicação e de transporte.
Os cabeçalhos dos protocolos de transporte não fornecem nenhuma informação sobre o tempo de transmissão dos pacotes. O RTP possui em seu cabeçalho campos específicos para as informações de tempo (timestamp) e numeração de sequência, que são usadas para determinar o jitter e problemas com a ordenação dos pacotes. Outros serviços implementados são: identificação do tipo de payload (dados transportados) e entrega monitorada.
Outro mecanismo criado é a compressão do cabeçalho, pois a soma dos cabeçalhos dos protocolos IP (20 bytes), UDP (8 bytes) e RTP (12 bytes) resulta em 40 bytes. Pode-se observar que a relação entre a quantidade de bytes de dados (parte útil) e de controle (cabeçalhos) é muito alta, pois, por exemplo, o codec G.729 gera somente 20 bytes de dados para serem transmitidos. Assim, uma técnica adotada é a compressão dos cabeçalhos para 2 ou 4 bytes, dependendo do uso de checksumpelo UDP (Figura 13). A ideia básica é que após a transmissão do primeiro pacote descomprimido, vários campos dos pacotes seguintes possam ser suprimidos, sendo remontados no destino.
Figura 13. Compressão do cabeçalho RTP.
São grandes os desafios das tecnologias que utilizam voz sobre IP. Entretanto, é possível observar sua importância à medida que diversas empresas sólidas na área de telecomunicações já oferecem soluções de telefonia IP, entre as quais, Cisco, Avaya, Nortel e Siemens. A sessão a seguir descreverá as principais características e custos destes produtos.
Algumas soluções de telefonia IP
A seguir são apresentadas algumas soluções de telefonia IP atualmente disponíveis no mercado (segundo o site especializado VoIP-News):
• Fornecedor: Cisco.
o Produto: Unified Communications Manager 6.0 com servidor da família MCS 7800;
o Clientes: Médias e grandes empresas;
o Plataforma: Baseada em Intel;
o DAC (Distribuidor Automático de Chamadas): Sim – opcional;
o URA (Unidade de Resposta Audível): Sim – opcional;
o Redundância de hardware: Sim;
o Suporte a aplicações de terceiros: Sim;
o Instalação: Sistema complexo;
o Custo: A partir de US$ 400,00 por usuário (dependendo da solução escolhida).
• Fornecedor: Avaya.
o Produto: Communication Manager 5.0 com servidor S8730 e Media Gateway G650;
o Clientes: Médias e grandes empresas;
o Plataforma: Servidor Intel Xeon;
o DAC (Distribuidor Automático de Chamadas): Sim;
o URA (Unidade de Resposta Audível): Sim – opcional;
o Redundância de hardware: Sim;
o Suporte a aplicações de terceiros: Sim, através do Application Enablement Services ou do Avaya DeveloperConnection Program;
o Instalação: Simplificada;
o Custo: A partir de US$ 15.000,00.
• Fornecedor: Nortel.
o Produto: Communication Server 1000 Release 5.0;
o Clientes: Médias e grandes empresas;
o Plataforma: Proprietária;
o DAC (Distribuidor Automático de Chamadas): Sim;
o URA (Unidade de Resposta Audível): Sim;
o Redundância de hardware: Sim;
o Suporte a aplicações de terceiros: Sim, através Nortel Partner Program;
o Instalação: Oferece interfaces web e diversos assistentes de configuração;
o Custo: A partir de US$ 250,00 por usuário (dependendo da solução escolhida).
• Fornecedor: Siemens.
o Produto: HiPath 8000;
o Clientes: Médias e grandes empresas;
o Plataforma: Servidor IBM System x3650 T;
o DAC (Distribuidor Automático de Chamadas): Sim – opcional;
o URA (Unidade de Resposta Audível): Sim – opcional;
o Redundância de hardware: Sim;
o Suporte a aplicações de terceiros: Sim, baseada em SIP;
o Instalação: Pré-instalação com DVD e assistentes de configuração;
o Custo: A partir de US$ 42.250,00.
Conclusões
A telefonia IP é uma tecnologia que utiliza voz sobre IP. Nesta, todos os componentes da infraestrutura, como o PABX IP, os telefones IP, os gateways que recebem os canais de voz (E1s), entre outros, suportam nativamente o protocolo IP. Portanto, a telefonia IP difere-se das soluções comumente conhecidas como VoIP pelo fato de ser mais abrangente: as soluções de voz sobre IP continuam a empregar o PABX e os telefones convencionais (geralmente no ambiente corporativo) ou restringem-se à comunicação ponto-a-ponto entre usuários (Skype, MSN, UOL VoIP, entre outros) ou se limitam à integração com a rede pública de telefonia – STFC – possibilitando que as chamadas originadas em softphones, telefones IP e dispositivos ATA sejam encaminhadas para telefones convencionais (Skype, UOL VoIP etc.).
São inúmeras as vantagens da telefonia IP, entre elas: investimento reduzido no hardware do PABX IP (a maior parte das soluções usa servidores comuns), escalabilidade (expansão de recursos como memória, processador ou inclusão de novos servidores), expansão de filiais (somente é necessário adquirir novos telefones IP), administração centralizada, mobilidade dos usuários, utilização de softphones e hardphones, e integração com sistemas de correio de voz, e-mail e fax. Diversas empresas sólidas na área de telecomunicações já oferecem soluções de telefonia IP, entre as quais, Cisco, Avaya, Nortel e Siemens.
O grande desafio do uso destas tecnologias são as limitações das redes de dados. O protocolo IP é conhecido como best effort (melhor esforço), ou seja, as transmissões dos usuários são concorrentes entre si, resultando no compartilhamento da largura de banda disponível, e consequentemente, influenciando na qualidade da voz transmitida. Entretanto, diversos mecanismos já foram implementados e mostraram-se eficazes para contornar as limitações do protocolo IP. A maior prova disto está no sucesso e na grande aplicabilidade observada nos dias atuais.
VoIP News – Large Enterprise PBX Comparison Guide
http://www.voip-news.com/whitepaper/pdf/VoIP-News_Enterprise_PBX_Comparison_Guide_03_08.pdf
Artigo “Voz sobre IP: Uma visão
geral”, escrito por Nelson Luiz Leal Fernandes
http://mailhost.ravel.ufrj.br/arquivosPublicacoes/nelson_voip.pdf
