Telefonía por Internet.

Telefonía por Internet.

Telefonía por Internet

En los últimos años, el mundo ha visto un rápido aumento en el número de usuarios de Internet. Su popularidad se explica por una amplia gama de servicios y capacidades: correo electrónico (correo electrónico), World Wide Web (WWW), conferencias en red (NNTP), correo de voz (correo de voz), telefonía por Internet (IT) y otros.

Este artículo está dedicado a las perspectivas y problemas del desarrollo de TI basado en pasarelas telefónicas (red de pasarela telefónica). Con su ayuda, un teléfono normal se convierte en un medio de acceso a una red telefónica global construida en Internet. Una red de este tipo es más inteligente en comparación con una red telefónica convencional, ya que todas las funciones de los conmutadores telefónicos las realizan computadoras.

Hasta hace poco se podía decir que la información digital y analógica se transmite a través de canales de comunicación. Con el desarrollo de Internet, la línea entre estos dos tipos de información comienza a desdibujarse y, tal vez, después de un tiempo desaparecerá por completo.

Para transferir diferentes tipos de información, por regla general, se requieren diferentes tecnologías de red. Así, en Internet se utilizan los siguientes protocolos de transferencia de datos: TCP/IP, X.25, Frame Relay, PPP, ISDN, ATM, etc. Como resultado, surgen muchas dificultades técnicas, organizativas y económicas en el diseño y gestión de redes, por ejemplo, cuando se integran redes basadas en diferentes principios (redes de conmutación de circuitos y de paquetes; redes orientadas a la conexión y redes de difusión). Existen problemas asociados con la recepción, procesamiento y distribución de mensajes telefónicos y de fax, multiplexación de voz y datos, calidad y demoras en la transmisión de voz, capacidad de canales y fijación de precios de nuevos servicios.

Antes de 1995, la TI no era tan conocida. Había programas separados de distribución gratuita (dominio público), creados por programadores de investigación sin perspectivas de su uso generalizado, ya que se consideraba imposible obtener una conexión de voz de alta calidad a través de Internet. VocalTec, que lanzó el programa Internet Phone en febrero de 1995, demostró lo contrario. Instalado en una computadora personal (486/33 MHz o superior), equipado con multimedia (tarjeta de sonido, micrófono, parlantes) y conectado a Internet (Fig. 1), el programa Internet Phone le permite hablar con otro usuario de PC en cualquier lugar de el mundo.

Figura 1. Configuración de ordenadores personales para VoIP

A finales de 1995, el número total de usuarios activos de TI ya se estimaba en 500 mil (los usuarios activos recurren constantemente a TI, a diferencia de aquellos que, habiendo la oportunidad de trabajar con TI, no la aprovecha.) La mayor parte del mercado de TI (94%) la ocuparon los productos VocalTec.

Inicialmente, los usuarios de TI eran personas que mantenían conversaciones telefónicas a través de Internet a grandes distancias entre sí o realizaban pequeños experimentos en aplicaciones empresariales de Internet. El futuro potencial de la tecnología es el comercio electrónico interactivo, las comunicaciones dentro de las empresas, las comunicaciones telefónicas internacionales a través de Internet.

Actualmente, la TI se está desarrollando activamente. Según las previsiones de IDC, a finales de 1999 el número de usuarios de TI de todas las categorías debería aumentar hasta los 16 millones. Decenas de empresas han lanzado productos de software que proporcionan conexiones de voz a través de Internet en tiempo real (los más famosos se enumeran en). Tabla 1).

Tabla 1. Productos de software para VoIP

Los productos ofrecidos varían en calidad de voz, desde comparable a una conexión telefónica estándar (Digiphone) hasta una voz apenas audible (Netphone). Actualmente, la mayoría de los programas proporcionan una calidad de transmisión de voz aceptable incluso con una conexión por módem a Internet a una velocidad de 28,8 kbit/s. La calidad de las llamadas cae significativamente a 14,4 kbps.

La desventaja de todos los productos enumerados es que los usuarios finales deben tener computadoras con tarjetas de voz, conexión a Internet y el mismo tipo de software. El siguiente paso en el desarrollo de TI son las tecnologías computadora-red-teléfono y teléfono-red-teléfono con la capacidad de conectarse a Internet utilizando un teléfono normal.

IDT anunció Net2 Phone, el primer servicio comercial que permite a los usuarios de Internet en los Estados Unidos realizar llamadas telefónicas nacionales. Hasta ahora, en la mayoría de las ciudades de EE. UU., este sistema proporciona solo una conexión computadora-teléfono, cuando la persona que llama se comunica a través de una computadora conectada a Internet y el suscriptor llamado responde a través de un teléfono normal (Fig. 2).

Fig.2. Tecnología Net2Phone

IDT anunció su intención en 1998 de brindar a los usuarios de Internet la posibilidad de realizar llamadas desde cualquier parte del mundo a los Estados Unidos.

Aunque este servicio aún no está disponible, se espera que la tarifa no supere los 0,1 $/min. También está previsto prestar servicios del tipo teléfono-red-teléfono, cuando el abonado que llama no necesita disponer de un ordenador.

En marzo de 1996, VocalTec y Dialogic unieron fuerzas para desarrollar Internet Telephony Gateway (ITG). El resultado es un nuevo producto de software: VocalTec Telephony Gateway (VTG), que admite hasta 30 conexiones de voz simultáneas. En Rusia, su presentación tuvo lugar en la exposición Komtek-97. Actualmente ya se han instalado varias líneas de comunicación corporativa vía VTG entre las principales ciudades rusas: Moscú, Novosibirsk, Samara, San Petersburgo, etc.

Las posibilidades de comunicación a través de una red de pasarelas telefónicas son prácticamente ilimitadas. Estas puertas de enlace son capaces de conectar redes telefónicas públicas locales (PSTN) en diferentes ciudades, redes telefónicas privadas (PBX) y redes informáticas locales (Ethernet) a través de Internet. Hacen que la telefonía por Internet sea realmente conveniente, ya que un suscriptor puede llamar a cualquier número de teléfono en otra ciudad o país (Fig. 3). Una llamada vía Internet llega a la ciudad y pasa a través de un servidor a las líneas telefónicas de la ciudad. El equipo terminal puede ser una computadora personal o un teléfono normal con marcación por tonos.

Fig.3. Tecnología de red VoIP

El procedimiento para establecer una conexión a través de Internet para un suscriptor prácticamente no difiere del de una llamada internacional normal. El suscriptor levanta el teléfono, marca el número ITG local, realiza la autorización, marca el número ITG remoto y el número del suscriptor llamado. Después de que el suscriptor haya llegado al ITG local a través de PSTN o PBX, haya pasado la autorización, haya marcado el código de país y ciudad, ITG solicita al servidor (LDAP Directory Server) la dirección IP del ITG remoto mediante su número de teléfono. Una vez determinada la dirección IP del ITG más cercano al abonado llamado, el ITG local establece una conexión con él a través de Internet. El ITG remoto, a su vez, llama a su abonado a través de PSTN o RWH corporativo. Cuando el abonado cuelga, el ITG interrumpe la conexión con el ITG remoto y realiza todas las cuentas necesarias sobre el tiempo de conexión, etc.

Utilizando pasarelas telefónicas, son posibles los siguientes tipos de llamadas (Fig. 4.5):

Fig.5. Conexión de teléfono a teléfono a través de la red

La llamada pasa a través de la red telefónica pública conmutada (PSTN) o directamente desde una centralita digital (PBX) de oficina hasta el ITG más cercano. Luego, después de una indicación automática, la persona que llama marca el número final en el teclado del teléfono. Una llamada a través de Internet va a ITG, que está más cerca del suscriptor. Desde aquí la llamada se enruta al suscriptor a través de ITG o PBX de oficina.

Para enviar un fax, simplemente programe la máquina de fax para que marque automáticamente el número ITG y el número requerido. El fax llega al ITG más cercano a través de una PBX o PBX de oficina. Luego, vía Internet, el fax llega al ITG más cercano al fax del abonado, y desde allí se envía a su destino.

Si llamas desde un teléfono a una computadora , entonces la llamada es vía PBX o a través de una mini-PBX de oficina se dirige al ITG más cercano. Después de una indicación automática del sistema de voz, se ingresa la dirección de Internet del suscriptor usando el teclado de marcación del teléfono y la llamada se enruta a la computadora deseada.

Fig.4. Conexión de un ordenador a un teléfono

Una llamada desde un ordenador a través de Internet llega al ITG más cercano al abonado y desde allí, a través de una centralita o mini-PBX de oficina, se envía al llamado abonado.

En los dos primeros casos se utilizan dos pasarelas telefónicas, en los dos últimos una. El coste de una llamada en todos los casos viene determinado por el coste de conexión a Internet más los posibles costes de uso de la red telefónica pública.

Para conectarse a un usuario de Internet, necesita conocer la dirección IP o el nombre de dominio de su computadora host. Las pasarelas telefónicas solucionan el problema de direccionamiento, ya que en este caso basta con conocer únicamente el número de abonado. A cada puerta de enlace telefónica se le puede asignar un plan de marcación específico. La tabla de correspondencia entre números de teléfono y direcciones IP de las puertas de enlace se almacena en el servidor telefónico (LDAP Directory Server). La secuencia para establecer una conexión de voz a través de Internet se muestra en la Fig. 6.

Fig.6. Secuencia de establecimiento de conexión VoIP

El funcionamiento de la puerta de enlace telefónica se ilustra en la Tabla. 3. Una interfaz (FXS, FXO, E&M, E1/T1) está conectada a la red telefónica y la otra a Internet (Ethernet, Frame Relay, ATM). ITG recibe la señal telefónica, la digitaliza (si es analógica), la comprime, la divide en paquetes IP y la envía al router. ITG convierte los paquetes provenientes del enrutador nuevamente en una señal telefónica. Esto asegura una conexión full duplex. La gran mayoría de los ITG se gestionan mediante SNMP utilizando cualquier administrador SNMP, como HP Open View.

Tabla 3. Esquema funcional de una pasarela telefónica

La función de ITG también incluye la eliminación del eco (Figura 7) que se produce en los sistemas telefónicos debido a la reflexión de la señal, por ejemplo, al cambiar de una línea de dos a cuatro hilos. El efecto del eco es evidente al realizar llamadas telefónicas de larga distancia; cuando el retraso de la señal es alto, para las llamadas locales no es necesario eliminar el eco en el sistema telefónico; En TI, los sistemas telefónicos se utilizan únicamente para llamadas locales, por lo que la función de cancelar el eco de la conexión recae en ITG.

Fig.7. Eliminación del eco en los sistemas informáticos

Los problemas surgen al transmitir señales DTMF (multifrecuencia de doble tono) a través de Internet. La segmentación en paquetes IP los hace indistinguibles en el extremo remoto. El ITG debe reconocer los DTMF, abortar la transmisión y generarlos en el extremo remoto.

Una cuestión clave al utilizar TI en aplicaciones empresariales es la calidad de la voz transmitida y la latencia. La calidad de la transmisión de voz ha mejorado significativamente en comparación con versiones anteriores de productos de software de TI y se ha eliminado la distorsión. Esto se logró mejorando los mecanismos de codificación y recreando paquetes perdidos.

La latencia superior a 250 ms degrada significativamente la calidad de la conexión. El protocolo IP no fue diseñado pensando en la transmisión de voz en tiempo real. A diferencia de la red telefónica, que se basa en el principio de conmutación de circuitos, Internet utiliza el principio de conmutación de paquetes. Se producen retrasos importantes cuando los paquetes de voz IP se transmiten por diferentes rutas y se altera la secuencia de su recepción. El protocolo IP no predice estos retrasos.

Los estándares internacionales son importantes para el desarrollo de TI. En 1996, la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) desarrolló la recomendación H.323 (Fig. 8). Define estándares para la transmisión de tráfico de datos, video y voz, cuando una o más secciones de la conexión de red son redes locales IP, así como el estándar de teleconferencia T. 120. La UIT recomienda el uso de RTP/RTCP (Tiempo Real). Protocolo/Protocolo de control en tiempo real) para gestionar el tráfico de audio y vídeo. H.323 define cómo al tráfico de audio de latencia crítica se le da mayor prioridad en Internet que a otros tipos de tráfico (H.324 se refiere a líneas arrendadas, H.320 a RDSI).

Fig.8. Especificación H.323

La organización IETF (Internet Engineering Task Force), junto con los mayores proveedores de servicios de Internet, propone utilizar el Protocolo de reserva (RSVP) al transmitir voz a través de Internet. RSVP le permite reservar ancho de banda y proporciona lo que se llama calidad de servicio (QoS). Sin embargo, llevará tiempo hasta que todos los enrutadores existentes admitan RSVP.

La Recomendación H.323 también incluye el estándar de compresión de voz G.729, aprobado por la UIT en noviembre de 1995. La mayoría de las redes telefónicas del mundo utilizan modulación de código de pulsos por diferencia adaptativa (ADPCM) con una capacidad de canal de 32 kbit/s (definida por el estándar G. 724). El algoritmo de compresión ADPCM se basa en la codificación de las diferencias entre niveles de señal, así como en el ajuste dinámico en función del nivel de la señal de entrada.

El nuevo algoritmo de compresión permite alcanzar el mismo nivel de calidad al transmitir voz a una velocidad de 8 kbit/s que al transmitir utilizando ADPCM a una velocidad de 32 kbit/s. El nuevo estándar se basó en el algoritmo CS-ACELP (predictivo lineal excitado por código algebraico estructurado conjugado). CS-ACELP genera paquetes de voz de 10 bits cada 10 ms basados ​​en 80 patrones del estándar PCM-1 (64 kbps). El algoritmo garantiza una transmisión de voz de alta calidad con retrasos mínimos en los procesadores DSP (procesadores de señal digital).

Un ejemplo de implementación práctica de G.729 es la tecnología ClearVoice de Micom. ClearVoice empaqueta tramas de voz G.729 para que, junto con la sobrecarga, ocupen aproximadamente 9 kbps de una línea arrendada o 10,6 kbps de una conexión Frame Relay. El ahorro de ancho de banda del canal también se logra mediante el método de supresión de pausas: en una conversación a través de un canal, las pausas se llenan con voz o datos digitalizados de otros canales. Como lo confirma la investigación, el tráfico de voz consta de un 50-70% de pausas, lo que reduce los requisitos de rendimiento promedio del canal a 4 kbit/s, por lo que el método de supresión de pausas es muy efectivo.

Debido a su rentabilidad, la tecnología ClearVoice le permite organizar una mayor cantidad de canales de voz en una conexión de menor ancho de banda, garantizando una transmisión de voz de alta calidad. Éstos son sólo algunos ejemplos:

— Utilizando la tecnología MicroBand ATM, se pueden formar dos canales de voz de alta calidad en una línea arrendada a una velocidad de 19,2 kbit/s, dejando entre 10 y 12 kbit/s para la transmisión de datos.

— En un canal Frame Relay CIR de 64 kbit/s, puedes organizar 7 canales de voz de alta calidad.

—Un conjunto de 30 canales de voz en una línea E1 se puede comprimir a 256 kbps transmitidos a través de una línea arrendada o una conexión Frame Relay.

El principal equipo para TI son las tarjetas de expansión de computadoras, que incluyen: tarjetas de voz, fax y conmutación, tarjetas de reconocimiento de comandos de voz, tarjetas de conversión de texto a voz y de tono de pulso. Dependiendo de los requisitos funcionales y del número de líneas telefónicas, se instala en el ordenador el número necesario de tarjetas de ampliación conectadas a través del bus SCbus. SCbus es un bus multiplexado bidireccional de alta velocidad con una capacidad de hasta 1024 canales full-duplex y la capacidad de conmutar dos canales cualesquiera. A través de SCbus se pueden conectar varios ordenadores con placas Dialogic.

Las tarjetas de voz son un elemento central de los sistemas de TI. Proporcionan conexión a través de líneas telefónicas e interacción de voz. Las tarjetas de voz se basan en procesadores DSP especializados que realizan una serie de funciones (digitalización, compresión, reproducción de voz, reconocimiento de tonos) sin acceder al procesador central. Además, con su ayuda, se implementan comandos de usuario al presionar secuencialmente las teclas de un teléfono con marcación por tonos. El número de canales atendidos es de 2 a 30.

Las tarjetas de fax son responsables de recibir y enviar mensajes de fax (según una lista, previa solicitud), convertir archivos de texto en imágenes de documentos y codificarlos para enviarlos por fax. Estructuralmente, estas placas pueden diseñarse como dispositivos independientes o complementos de las placas de voz. Número de canales del 1 al 30.

Las tarjetas de conmutación están diseñadas para la conmutación inteligente de canales de voz de líneas locales y externas y para la organización de conferencias con un número de participantes de 2 a 8.

Las tarjetas de reconocimiento de comandos de voz son necesarias para percibir los comandos de voz del suscriptor y se utilizan en los casos en los que es imposible emitir un comando desde el teclado del teléfono (por ejemplo, si el dispositivo no admite marcación por tonos).

Los tableros de conversión de texto a voz le permiten sintetizar un mensaje de voz a partir de un archivo de texto y se utilizan para crear un sistema de menú de voz.

Las tarjetas de conversión de pulso a tono convierten las señales de marcación por pulsos en señales de marcación por tonos, asegurando su reconocimiento por las tarjetas de voz.

Este conjunto de tarjetas de expansión para sistemas TI es una tecnología abierta basada en la arquitectura SCSA (Signal Computing System Architecture) desarrollada por Dialogic. SCSA define un estándar para hardware y software que permite la construcción de sistemas de telefonía informática flexibles. Alrededor de 300 fabricantes de hardware de TI, desarrolladores de software y fabricantes de telecomunicaciones han anunciado su apoyo a SCSA.

Una de las principales ventajas de la TI es la capacidad de transmitir simultáneamente datos, voz, mensajes de fax y tráfico de la red informática local a través de los mismos canales de comunicación. Gracias a ello se maximiza la capacidad del canal y, dado que se trata del recurso de telecomunicaciones más caro, se consiguen importantes ahorros de costes.

Existen varias tecnologías de multiplexación que tienen sus propias ventajas y desventajas (consulte la Tabla 4).

Tabla 4. Principales características de las diversas tecnologías de multiplexación

La tecnología de multiplexación por división de tiempo (TDM — Time Division Multiplexing) se basa en dividir todo el ancho de banda del canal en intervalos de tiempo fijos (intervalos de tiempo), a cada uno de los cuales se le asigna un cierto intervalo de tiempo para trabajar en la red. Al proporcionar una latencia muy baja, la tecnología TDM es más adecuada para la transmisión de voz y vídeo. Sin embargo, TDM tiene una baja eficiencia de red porque si hay una brecha en la transmisión de datos en uno de los canales, ningún otro canal puede utilizar su capacidad. Para la transmisión de datos y voz, la eficiencia TDM promedia entre el 10% y el 25%.

La multiplexación estadística de paquetes (SPM) incorpora principios X.25 y tecnología de multiplexación estadística. SPM proporciona ancho de banda solo a los canales activos y asigna dinámicamente ancho de banda entre ellos.

Utilizando un multiplexor, los datos activos se convierten en un paquete, al que se le añade un identificador y una suma de comprobación necesarios para la corrección de errores y el enrutamiento. La transmisión de paquetes a través de la red se realiza según el principio de «almacenamiento y reenvío», que establece que el paquete comienza a transmitirse al siguiente nodo solo después de que se haya recibido por completo en el nodo actual.

SPM resuelve los principales problemas de TDM, pero tiene sus propias desventajas: aumenta el retraso cuando los datos pasan a través de la red y también complica la predicción de este retraso. El propio principio de almacenamiento directo aumenta la latencia de transmisión, y el proceso de corrección de errores y el tamaño variable del paquete hacen que su tiempo de llegada sea impredecible.

La multiplexación rápida de paquetes (FPM) conserva todas las ventajas de SPM (rango dinámico) y TDM (baja latencia de tráfico). FPM proporciona detección/corrección de errores en toda la red, lo que reduce significativamente los retrasos en los paquetes. Cuando se utiliza FPM, solo es necesario recibir unos pocos bytes de un paquete antes de que el paquete se enrute a la siguiente red.

FPM resuelve los problemas de latencia de red inherentes a SPM, pero no proporciona información de predicción del tiempo de llegada. Los paquetes FPM varían en longitud desde unas pocas decenas hasta miles de bytes. Un paquete de voz urgente esperará hasta que se complete la transmisión de un paquete de datos largo.

Un ejemplo de implementación de FPM es la tecnología Frame Relay (FR) relativamente económica y popular en el mundo. A diferencia de ATM, que está diseñado como una red integrada altamente inteligente para transmitir varios tipos de información, FR está diseñado para un intercambio de datos con conmutación de paquetes rentable.

La tecnología FR asigna diferentes prioridades a diferentes tipos de tráfico, teniendo el tráfico de voz la máxima prioridad. Dado que el sistema de prioridad de la red FR no garantiza el tiempo de entrega, solo podemos hablar de reducir el tiempo probable de entrega de los paquetes por todos los medios posibles. Generalmente se supone que hay como máximo dos paquetes de datos en la cola entre dos paquetes de voz.

Durante la transmisión de información de voz, se puede activar el llamado modo de segmentación de paquetes, cuando los datos se dividen en paquetes muy cortos, con un tiempo de transmisión de cada paquete que oscila entre 5 y 10 ms. De esta forma, es posible reducir los intervalos entre paquetes de voz.

Una de las tecnologías de red modernas y prometedoras es el método de transferencia asíncrona (ATM). El uso de ATM nos permite resolver uno de los principales problemas en las redes de conmutación de paquetes: el problema de los retrasos variables en el proceso de transmisión de información de todo tipo.

Los conmutadores de cajeros automáticos se conectan entre sí mediante troncales, a través de las cuales se pueden transmitir datos, voz y vídeo simultáneamente. La tecnología ATM se basa en el uso de celdas de longitud fija (53 bytes), que se hace efectiva en canales con velocidades superiores a 2 Mbit/s (Tabla 5). A velocidades más bajas, se puede utilizar la tecnología de cajero automático Micro Band.

Tabla 5. Tarifas de transmisión estándar para canales de cajeros automáticos

Cuando se utiliza ATM, antes de que comience la transmisión de datos, se establece una conexión virtual entre la fuente y el receptor, las células se transmiten solo a lo largo de esta ruta y su secuencia no se altera. Además, ATM utiliza el concepto de “calidad de servicio”: el equipo responsable de la conexión solicita ciertas prioridades para el tráfico transmitido a través de un canal virtual determinado. Es posible configurar cuatro niveles de servicio: CBR (Velocidad de bits constante), VBR (Velocidad de bits variable), ABR (Velocidad de bits disponible), UBR (Velocidad de bits no especificada). CBR de alta prioridad proporciona velocidad garantizada y se utiliza para la transmisión de voz.

Para canales de comunicación de baja velocidad, se ha desarrollado la tecnología MicroBand ATM (M-ATM), que es una combinación de multiplexación rápida de paquetes y conmutación de células. MATM le permite aumentar la eficiencia del uso del ancho de banda del canal al 90-95%.

Tabla 6. Características comparativas de las tecnologías ATM y ATM MicroBand

MicroBand ATM distribuye dinámicamente el alcance, proporcionándolo solo a usuarios activos. Al igual que los cajeros automáticos, la tecnología M-ATM es entre 5 y 10 veces más eficiente que TDM, pero no requiere canales costosos ni de alta velocidad (Tabla 6).

Muchos factores influyen en el desarrollo de TI. Actualmente, el ancho de banda de Internet es insuficiente para el uso generalizado de TI en todo el mundo. Es más probable que la TI se propague en intranets corporativas y redes extranet comerciales, donde un único operador puede controlar el ancho de banda de la red.

Otro elemento importante del desarrollo de TI es la evolución del ITG de una plataforma de computadora personal a un conmutador especializado capaz de manejar cientos de conexiones de voz simultáneamente. Estos conmutadores combinan datos, voz y vídeo en un único canal de comunicación. En este caso, IP actúa como una capa intermedia unificada entre la aplicación y la capa física subyacente (línea arrendada, Frame Relay, ATM).

Una tendencia notable en el desarrollo de TI es el uso de tecnología ATM para construir redes troncales por parte de los ISP más grandes.

En los próximos años, el aumento de las velocidades de los canales y de la eficiencia de su uso puede convertir la telefonía por Internet en un servicio tan extendido y cómodo como lo es hoy el correo electrónico.