Introdução ao VoIP Codecs

Introdução ao VoIP
Codecs
Carlos Gustavo A. da Rocha
Tecnologia para Integração de Serviços
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Introdução ao VoIP
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Relembrando
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Telefonia analógica usa frequências captadas como
voz humana na faixa de 0 a 4000Khz
Para digitalizar a voz é necessário obter amostras
como o dobro da maior frequência encontrada
(teorema de Nyquist)
PCM (pulse code modulation)
–
–
Conversão analógico digital, com perda desprezível
Codecs mais elaborados irão reduzir o consumo de
banda, inserindo perda de qualidade
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Introdução ao VoIP
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PCM – Codec G.711
●
µ-law (EUA e Japão), a-law (Europa, Américas)
–
Codifica amostras usando 8000 amostras por segundo, e
8 bits em cada amostra, gerando 64kbps
G.711
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01101101 ...
Introdução ao VoIP
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Telefonia Tradicional
●
Conversão analógica ↔ digital nas centrais
–
–
Em cada ligação ativa a voz trafega em um circuito
digital dedicado de 64kbps
Comutação por circuito, sem filas ou atrasos
intermediários
G.711
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01101101 ...
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Telefonia Tradicional
●
Conversão analógica ↔ digital nas centrais
001101100
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Introdução ao VoIP
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Telefonia Tradicional
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Vantagens
–
–
–
Disponibilidade >= 99,9999%
Um bom projeto garante uma taxa de chamadas
completadas virtualmente de 100%
Excelente qualidade de voz (telefonia fixa)
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Introdução ao VoIP
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Telefonia Tradicional
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Serviços Complementares do PABX
–
–
–
–
Chamada em espera
Transferência, encaminhamento
Secretária eletrônica, conferência
Identificação de chamador
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Quais são
realmente
utilizados?
Introdução ao VoIP
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A tecnologia de Voz sobre IP
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Amostras de voz são acumuladas em datagramas
IP e enviadas pela Internet
–
–
De 20 a 100 kbps são necessários para uma chamada
de voz, dependendo de fatores que vão do codec
utilizado ao tipo de enlace da rede
Supressão da transmissão de “intervalos de silêncio”
pode reduzir bastante a banda necessária
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A tecnologia de Voz sobre IP
Mic
Phones
A/D
Codificador
D/A
Decodificador
Buffer / Dejitter
Pilha
RTP/UDP/IP
Rede IP
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A tecnologia de Voz sobre IP
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Um “telefone IP” pode ser desde um software
rodando em um computador até um hardware
dedicado
–
–
Pacotes estarão sujeitos a filas, retardo, jitter, perdas etc
Cada um destas problemas, ou a sua combinação pode
comprometer a qualidade da ligação
Rede
Local 1
Internet
Rede
Local 2
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Cenários de Voz sobre IP
Internet
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Introdução ao VoIP
●
Cenários de Voz sobre IP
RTFC
Pública
Gateway VoIP
Internet
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Cenários de Voz sobre IP
PABX
Institucional
Gateway VoIP
Internet
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Cenários de Voz sobre IP
Gateway VoIP 1
Internet
PABX
Institucional 1
RTFC
Pública
Gateway VoIP 2
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●
Cenários de Voz sobre IP
RTFC
Pública
Gateway VoIP 1
Internet
RTFC
Pública
Gateway VoIP 2
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Introdução ao VoIP
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Cenários de Voz sobre IP
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O último cenário utiliza a rede VoIP para completar
uma ligação entre dois telefones tradicionais,
ambos na rede pública de telefonia
–
–
–
Tecnicamente possível de ser implementada
Considerada ilegal no Brasil, pois por regulamentação
da Anatel apenas as operadoras de telefonia podem
completar uma ligação entre dois telefones da rede de
telefonia pública
Existe uma “brecha” legal caso a instituição possua seu
próprio PABX, dado que, para a Anatel, os ramais
internos não fazem parte da rede de telefonia pública
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Introdução ao VoIP
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Vantagens para usuários de Voz sobre IP
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Mobilidade
–
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Telefone pode ser um software instalado em seu
computador, podendo ser utilizado de qualquer lugar
com conectividade Internet
Flexibilidade
–
–
Mudança pode ser imperceptível ao usuário comum
Incorpora os serviços já existentes, possibilita a criação
de novos integrado à Internet
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Introdução ao VoIP
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Vantagens para usuários de Voz sobre IP
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Tendência tecnológica a médio prazo
–
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No Brasil é necessário a formação de recursos humanos
Redução de custos
–
Tarifas telefônicas de longa distância (DDD e DDI) tem
caído, mas ainda são muito caras
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Codecs
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Codec = codificador + decodificador
●
●
Comprime um fluxo de informação, eliminando
informações consideradas redundantes ou
previsíveis
Pode implementar estratégias avançadas como
supressão de silêncio + geração de “ruído de
conforto”
A/D
01101101
11001100
CODEC
00110110
11100110
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11100110
10101100
Codecs
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Codecs de áudio
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Coletam amostras durante um tempo chamado de
tempo de quadro (t_quadro)
–
●
Em geral com duração entre 10 a 30ms
Para melhor compressão precisam analisar um
conjunto de amostras (t_amostras)
–
Codecs complexos requerem muito processamento,
tendem a obter maior compressão, mas geram maiores
atrasos. (t_processamento)
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Codecs
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Atrasos inseridos pelo codec
●
Na codificação
–
●
Na decodificação
–
●
(t_quadro * t_amostras) + t_processamento
t_processamento
A soma dos dois é chamada de atraso do codec
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Codecs
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Alguns Codecs de Áudio
●
G.711
–
–
–
Duas versões: µ-law (EUA, Japão), A-law (Europa)
Comprime amostras PCM, gerando 64kbps
Por questões históricas e de compatibilização com a
rede de telefonia convencional, é implementado em
praticamente todos equipamentos da rede VoIP
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Codecs
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Alguns Codecs de Áudio
●
G.729
–
–
–
Gera quadros com 2 ou 8 bytes a cada 10ms
Tráfego total de 8kbps
● Conjugate Structure – Algebraic Code-Excited Linear
Prediction (CS-ACELP)
Bastante utilizado
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Codecs
●
Alguns Codecs de Áudio
●
G.723.1
–
–
–
–
Gera quadros com 24, 20 e 4 bytes a cada 30ms
Quadro de 4 bytes → ruído de conforto
Quadro de 24 bytes → tráfego total de 6,4 Kbps
● Multi-Pulse Maximum Likelihood Quantization (MPMLQ)
Quadro de 20 bytes → tráfego total de 5,3 Kbps
● Algebraic Code-Excited Linear Prediction (ACELP)
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Codecs
●
Alguns Codecs de Áudio
●
ILBC – Internet Low Bit Rate Codec
–
–
Qualidade semelhante ao G.729 com complexidade
equivalente
● Tráfego de 13.33kbps (quadros a cada 30ms) ou
15.20kbps (quadros a cada 20ms)
Iniciativa para implementação de um Codec de código
aberto, isento de royalties - http://ilbcfreeware.org
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Codecs
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Qualidade da voz
●
Apesar de um pouco subjetiva existe uma métrica
utilizada a décadas pelas redes de telefonia para
medir a qualidade da voz em uma ligação telefônica
chamada de “Mean Opinion Score” - MOS
–
–
Provê uma indicação numérica da qualidade percebida
pelo usuário por meio de um valor, que varia de 1 a 5
O MOS de um codec é dado pela média dos valores
atribuídos, por um conjunto de usuários, à qualidade da
voz percebida quando se escuta uma série de frases
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Codecs
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“Mean Opinion Score” - MOS
MOS
Qualidade
Perca percebida
5
Excelente
Imperceptível
4
Boa
Perceptível mas não irritante
3
Média
Pouco irritante
2
Ruim
Irritante
1
Péssima
Muito Irritante
Curiosidade – Frases “padrões”em inglês:
- You will have to be very quiet.
- There was nothing to be seen.
- They worshipped wooden idols.
- I want a minute with the inspector.
- Did he need any money?
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Codecs
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Outras medições da qualidade da voz
●
Avaliações subjetivas
–
●
Mean Opinion Score – MOS
Avaliações objetivas
–
–
–
E-model (ITU-T G.107)
Perceptual Speech Quality Measure (ITU-T P.861)
Perceptual Evaluation of Speech Quality (ITU-T P.862)
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Codecs
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Comparação de Codecs
Codec
Processamento
Taxa
MOS
G.711
desprezível
64Kbps
4.1
G.729
alto
8Kbps
3.9
G.723.1
médio
5,3Kbps
3.9
ILBC
alto
13,33Kbps
3.9
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Codecs
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Transporte da voz fim-a-fim
●
Saída do Codec é enviada usando a pilha
RTP/UDP/IP
–
–
–
–
Cabeçalho RTP = 12 bytes
Cabeçalho UDP = 8 bytes
Cabeçalho IP = 20 bytes
→ Overhead é MUITO grande ←
Situação com apenas um quadro de voz por datagrama:
Eth
26 bytes
IP
20 Bytes
UDP
RTP
8 Bytes 12 Bytes
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G.723 (dados)
24 Bytes
Eth
4 Bytes
Codecs
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Protocolo RTP
●
RTP e RTCP (RFC 3550) são usados para
transporte e controle de mídias usadas por
aplicações multimídia
–
–
●
RTP = Real Time Protocol
RTCP = Real Time Control Protocol
RTP e RTCP não evitam nem corrigem atrasos,
jitter, perdas etc, mas fornecem parâmetros
suficientes para que uma aplicação possa
compensar os seus efeitos
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Codecs
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Protocolo RTP
●
Principais funcionalidades
–
–
–
–
●
Sincronismo entre origem e destino através de
timestamps
Sequenciamento de pacotes
Identificação do tipo de mídia transportada
…
Como os fluxos RTP normalmente transportam
mídias de tempo real, é preferível o uso de UDP na
camada de transporte
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Codecs
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Protocolo RCTP
●
Provê informações sobre
–
–
–
–
●
Quantidade de bytes enviados
Número de pacotes recebidos e esperados (permite
estimar a perda)
Jitter entre chegadas de pacotes
Atraso total de ida e volta (RTT)
Aplicações utilizam estas informações para ajustar
dinamicamente seu funcionamento com base do
estado da rede
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Codecs
●
Fatores impactantes da qualidade
●
Perda de pacotes
–
–
–
–
Insere falhas na conexão
Em alguns codecs a perca de 2 pacotes seguidos já
implica na diminuição da qualidade da voz
Percas isoladas são bem melhores que em “rajadas”
Ideal é < 1%, alguns codecs suportam < 2%
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Codecs
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Fatores impactantes da qualidade
●
Atrasos → inseridos por (devem ser somados):
–
–
–
–
–
–
Processo de codificação
Buffers de compensação de jitter
Filas em roteadores
Propagação no meio físico
…
O ITU-T G.114 especifica um atraso máximo de 150ms
(em cada direção) para uma conversa interativa
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Codecs
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Fatores impactantes da qualidade
●
Variação de atraso (jitter)
–
–
●
Variação máxima tolerável entre 20 e 50ms, dependendo
do codec
Impacto depende dos buffers de compensação
Largura de Banda
–
Baixo consumo, variando em função do codec
Conclusão: mecanismos de QoS nas camadas 2 e
3 são essenciais, principalmente em links lentos
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Consumo real de banda
●
●
Para o enlace ethernet
–
G.711 → ≈ 93kbps
–
G.729 → ≈ 37kbps
Por razões de segurança a mídia pode (deve) ser
criptografada
–
–
Necessário processamento e banda extras
Insere novos atrasos
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Protocolos de sinalização VoIP
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ITU-T → H.323
–
–
●
IETF → SIP (Session Initiation Protocol)
–
–
●
Padronizado pela comunidade de telecomunicações
Preocupação com interoperabilidade (com a rede de
telefonia convencional), controle, tarifação etc
Padronizado pela comunidade da Internet – RFC 3261
Preocupação com flexibilidade e facilidade de integração
com outros serviços da Internet
Outros → Skype, MGCP, IAX
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