“ MONOGRAFIA ACERCA DE LA TRANSMISIÓN DE VOZ SOBRE LOS PROTOCOLOS FRAME RELAY E IP” TRABAJO DE GRADUACIÓN PREPARADO PARA LA FACULTAD DE INGENIERIA PARA OPTAR AL GRADO DE: INGENIERO EN ELECTRÓNICA PRESENTADO POR: ALEJANDRO REYES OBANDO MARZO DE 2003 SOYAPANGO, EL SALVADOR, CENTROAMÉRICA AUTORIDADES DE LA UNIVERSIDAD DON BOSCO ING. FEDERICO MIGUEL HUGHET RIVERA RECTOR UDB PADRE VICTOR BERMÚDEZ, sdb VICERRECTOR UDB LIC. MARIO RAFAEL OLMOS ARGUETA SECRETARIO GENERAL UDB ING. CARLOS GUILLERMO BRAN DECANO DE LA FACULTAD DE INGENIERIA ING. OSCAR DURAN VIZCARRA DIRECTOR ESCUELA INGENIERIA ELECTRONICA JURADO EVALUADOR DEL TRABAJO DE GRADUACIÓN INGENIERO HERBERT ASCENCIO JURADO INGENIERO JUAN CARLOS CASTRO JURADO INGENIERO CARLOS GIOVANNI VÁSQUEZ ASESOR DEDICATORIAS A Dios Todopoderoso, por estar siempre cerca de mi, y por permitirme alcanzar esta meta. A mis padres, Isabel y Alejandro, por su amor y por darme la oportunidad de forjarme un futuro a través de la educación. A mi querida esposa, Judith, por su amor incondicional y por apoyarme en todo momento. A mis adorados hijos, César y Carlitos, por el tiempo que les he tomado prestado para alcanzar mi meta, y que recompensaré con creces. A mi estimada suegra, Teresita, por darme su apoyo cuando la he necesitado. A todos mis familiares y amigos por brindarme su colaboración. Alejandro. INDICE. CONTENIDO PÁGINA. CAPITULO I 1 INTRODUCCIÓN 1 1.1 OBJETIVOS 5 1.1.1 Objetivos General 5 1.1.2 Objetivos Específicos 5 1.2 ALCANCES Y LIMITACIONES 6 1.2.1 Alcances 6 1.2.2 Limitaciones 6 CAPITULO II 2 REDES DE VOZ 7 2.1 TELEFONIA ANÁLOGA 7 2.1.1 Elementos de la Telefonía Análoga 7 2.1.1.1 Teléfono 9 2.1.1.2 Bucle Local 10 2.1.1.3 Conmutador o Switch 11 2.1.1.4 Troncales 13 2.1.2 Señalización en Sistemas Análogos 13 2.1.2.1 Señalización de Supervisión 14 2.1.2.2 Señalización de Direccionamiento 15 2.1.2.3 Señalización entre Centrales y Toma de Línea 16 2.2 TELEFONÍA DIGITAL 20 2.2.1 Conversión de Voz Análoga-Digital 22 2.2.2 Señalización en Sistemas Digitales 26 2.2.2.1 ISDN 27 2.2.2.2 QSIG 28 2.3 RESUMEN 29 CONTENIDO PÁGINA. CAPITULO III 3 INTEGRACIÓN DE VOZ Y DATOS 30 3.1 PROBLEMAS DE INTEGRACIÓN 31 3.2 MÉTODOS DE CODIFICACIÓN Y COMPRESIÓN 35 3.2.1 Compresión por codificación de Forma de Onda 36 3.2.2 Compresión Híbrida 37 3.3 RESUMEN 41 CAPITULO IV 4 INTRODUCCION AL PROTOCOLO FRAME RELAY 42 4.1 GENERALIDADES DEL PROTOCOLO 42 4.2 TRAMA FRAME RELAY 45 4.3 FUNCIONAMIENTO DEL PROTOCOLO 48 4.3.1 Circuitos Virtuales 48 4.3.1.1 PVC 48 4.3.1.2 SVC 48 4.3.2 Parámetros de Dimensionamiento de PVC 49 4.3.2.1 Tasa de Información Comprometida 49 4.3.2.2 Ráfaga Comprometida 49 4.3.2.3 Ráfaga en Exceso 49 4.3.3 Señalización 51 4.3.3.1 Gestión y Prevención de Congestión 52 4.3.3.2 Bits FECN y BECN 53 4.3.3.3 Bit DE 53 4.3.4 Acceso a la Red 53 4.4 RESUMEN 54 CONTENIDO PÁGINA. CAPITULO V 5 TRANSPORTE DE VOZ SOBRE FRAME RELAY 55 5.1 ESQUEMAS DE ENCAPSULACIÓN 56 5.1.1 Información de Usuario Principal 56 5.1.2 Información de Señalización 57 5.2 SUBTRAMAS Y MULTIPLEXACIÓN 59 5.2.1 Formato de la Subtrama VoFR 60 5.2.2 Ejemplos de Subtrama 64 5.3 INTER-OPERATIVIDAD 65 5.3.1 Dispositivos Clase 1 65 5.3.2 Dispositivos Clase 2 66 5.4 PROBLEMAS EN LA IMPLEMENTACIÓN VOFR 67 5.4.1 Retraso, Fluctuación de Fase y Latencia 67 5.4.2 Priorización 68 5.4.3 Fragmentación 70 5.4.3.1 Fragmentación de usuario a red 71 5.4.3.2 Fragmentación de Red a Red 71 5.4.3.3 Fragmentación Punto a Punto 72 5.4.3.4 Formato de Trama Fragmentada 73 5.4.3.5 Procedimiento de Fragmentación y Reensamble de Tramas 75 5.5 RESUMEN 77 CAPITULO VI 6 INTRODUCCION AL PROTOCOLO IP 78 6.1 GENERALIDADES DEL PROTOCOLO 80 6.2 DATAGRAMA IP 82 6.3 DIRECCIONAMIENTO IP 88 CONTENIDO PÁGINA. 6.4 PROTOCOLOS DE ENRUTAMIENTO 89 6.5 PROTOCOLOS DE TRANSPORTE IP 90 6.5.1 Protocolo TCP 91 6.5.1.1 Segmento TCP 93 6.5.2 Protocolo UDP 97 CAPITULO VII 7 TRANSPORTE DE VOZ SOBRE IP 99 7.1 RTP y RTCP 101 7.1.1 RTP 102 7.1.2 RTCP 104 7.2 PROTOCOLOS DE SEÑALIZACIÓN 108 7.3 EL ESTÁNDAR H.323 108 7.3.1 Componentes H.323 110 7.3.2 Mecanismos de Control y Señalización 113 7.3.2.1 H.245 RAS 113 7.3.2.2 H.225 Señalización de Control de Llamada 115 7.3.2.3 H.245 Control de Medios 116 7.4 SIP 119 7.4.1 Componentes SIP 120 7.4.2 Mensajes SIP 121 7.4.3 Direccionamiento 121 7.5 MGCP/megaco 124 7.6 RESUMEN 128 CONTENIDO PÁGINA. CAPITULO VIII 8 CALIDAD DE SERVICIO 130 8.1 COMPRESIÓN DE CABECERA RTP 131 8.2 GESTIÓN DE COLAS 133 8.2.1 FIFO 133 8.2.2 WFQ 133 8.2.3 CQ 135 8.2.4 PQ 136 8.2.5 CB-WFQ 137 8.2.6 LLQ 137 8.3 CLASIFICACIÓN DE PAQUETES 138 8.3.1 Precedencia IP 138 8.3.2 Políticas de Enrutamiento 139 8.3.3 RSVP 141 8.3.4 IP RTP Reserve 143 8.3.5 IP RTP Priority 143 8.4 MEDICIÓN Y CONTROL DE TRÁFICO 144 8.4.1 CAR 144 8.4.1.1 Aplicaciones 145 8.4.2 Formación de Tráfico. 150 8.4.3 Anulación de Congestión 151 8.4.3.1 RED y WRED 151 8.5 RESUMEN 153 CAPITULO IX 9 EJEMPLOS DE APLICACIÓN 154 9.1 LA TECNOLOGÍA VOFR Y VOIP EN EL PAÍS 154 9.2 ESCENARIO INICIAL 155 9.3 SOLUCION CON MULTIPLEXORES 159 CONTENIDO PÁGINA. 9.4 SOLUCION VOFR 163 9.4.1 Consideraciones de Configuración 165 9.5 SOLUCION VOIP 170 9.5.1 Solución VoIP con Interfaz E1 y E&M 170 9.5.1.1 Consideraciones de Configuración 172 9.5.2 Solución VoIP con Interfaz Ethernet 175 9.5.2.1 Consideraciones de Configuración 178 9.6 RESUMEN 179 CAPITULO X 10 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 181 10.1 CONCLUSIONES 181 10.2 RECOMENDACIONES 184 APENDICES 188 11.1 Apéndice A. Modelo de Referencia OSI 188 11.2 Apéndice B. Anexo de acuerdo de Implementación FRF.11.1 192 BIBLIOGRAFÍA 206 1 CAPITULO I INTRODUCCIÓN La comunicación es una parte vital en el desarrollo de la vida del ser humano, en toda actividad, el hombre necesita comunicarse con su entorno, con los demás, para obtener lo que necesita para vivir y desarrollarse como ser humano. En toda época, el hombre ha buscado la manera de comunicarse de la mejor forma posible, en primer instancia paso de los gestos a las palabras, para comunicarse con su entorno inmediato, luego aprendió a comunicarse a través de símbolos y formas; nació entonces la escritura. Posteriormente surgió la necesidad de comunicarse a distancia y así pasando desde las señales de humo, los mensajeros, el correo, el telégrafo, el teléfono, la radio, la televisión, el satélite, el correo electrónico y la videoconferencia, el hombre ha encontrado la forma de comunicarse prácticamente desde cualquier parte del mundo y fuera de él. Hoy en día no se concibe ninguna actividad laboral cotidiana sin dos elementos básicos: el teléfono y la computadora; en su forma más simple y se puede afirmar que una parte muy importante en el éxito de una empresa, cualquiera que sea su actividad, está en sus medios de comunicación, ya que éstos ayudan entre otras cosas, a optimizar el rendimiento de su personal, mejorar el procesamiento de la información y la toma de decisiones, obtener una mejor ventaja competitiva, y en general estar siempre en constante comunicación con sus empleados, clientes y proveedores, lo cual en términos globales se traduce en un incremento de la productividad y por ende, en una empresa competitiva y exitosa. De esta forma la calidad, tamaño, tipo y funcionalidad de los recursos tecnológicos con que cuenta toda institución o empresa determinan parte del éxito de la misma. Por otro lado, una parte muy representativa de los recursos financieros de cualquier empresa, esta destinado a costear sus medios de comunicación, que usualmente están divididos en dos rubros, la telefonía y la red de datos. 2 El primer rubro incluye la Central Telefónica, los teléfonos, el cableado, las líneas telefónicas análogas o digitales y el tráfico de llamadas. El segundo esta compuesto por las computadoras, servidores, conmutadores, el cableado, los enlaces dedicados a otras dependencias, los servicios como Internet y correo electrónico entre otros. Ambos sistemas por lo general necesitan de personal y mantenimiento diferente. En los últimos años se ha venido gestando una nueva forma de tecnología, orientada a la integración de estos dos sistemas, que tradicionalmente han estado desarrollándose de forma separada. Esta nueva tendencia se menciona como integración de voz y datos, y busca, entre otras cosas, unificar ambos servicios en una sola red, utilizando el mismo cableado, equipos activos, enlaces y protocolos. Esto es posible gracias a la tecnología actual que permite la creación de chips y procesadores más rápidos y con funciones especificas, equipos más robustos y de mejor desempeño, enlaces digitales de alta velocidad más confiables y económicos, aprobación de estándares que permiten a los fabricantes el desarrollo de equipo especifico para estas alternativas de comunicación. Estas tendencias se han estado desarrollando sobre la base de protocolos de red ya existentes y conocidos como son Protocolo Internet, IP (Internet Protocol), Frame Relay y Modo de Transferencia Asíncrona; ATM (Asynchronous Transfer Mode). A los desarrollos e implementación de integración de voz en cada uno de estos protocolos se les ha llamado Voz sobre IP, Voz Sobre Frame Relay y Voz sobre ATM. Cada uno tiene sus propias ventajas y problemas de implementación, que ha de considerarse a la hora de pensar utilizar cualquiera de ellos. Un factor que es importante abordar es el hecho que la voz al ser digitalizada y transmitida por un medio especifico, se ve afectada de forma distinta a los datos, ya que no tiene el mismo comportamiento al ser transmitida por un enlace de datos. Por ejemplo, la voz es muy sensible al retraso, en cambio los datos pueden admitir cierta cantidad de retraso, sin ningún inconveniente. Este problema representa uno de los 3 principales retos para estas tecnologías a la hora de tratar de hacer converger ambos tráficos. En este sentido, el presente compendio tiene como objetivo principal brindar un documento de referencia teórico, que pueda ser utilizado por los estudiantes y profesores de las carreras de Ingeniería de la Universidad Don Bosco y cualquier otra Institución, así como por profesionales del área de las Telecomunicaciones y Redes de Datos, para entender como funcionan las tecnologías de voz sobre redes de datos, y puedan ser capaces de afrontar el reto de administrar o implementar estas nuevas tecnologías, que ya están siendo aplicadas en el ámbito tecnológico del país. El desarrollo del documento abordará específicamente los temas de Voz sobre Frame Relay y Voz sobre IP, por ser las tecnologías más comunes en las redes del país y por ser también en las que más esfuerzo y desarrollo se ha generado para la integración, ya que los respectivos protocolos no fueron originalmente creados para el transporte de voz. Con el fin de no cargar el documento ni abrumar al lector con la teoría de telefonía y redes de datos, a un nivel exhaustivo, se introducirá al lector a estos temas con la teoría básica necesaria para tener un marco de referencia claro y poder entender el desarrollo posterior de los temas de voz sobre redes de datos. Se iniciará el documento con el desarrollo teórico referente a las redes de voz tradicionales, tanto la telefonía análoga como la telefonía digital, donde se mencionarán los elementos, señalización y características de ambos sistemas. Posteriormente se abordará el tema de la integración de voz y datos, donde se verá el procesamiento de la voz, digitalización, compresión y algunos de los problemas, que resultan al momento de transportar voz sobre redes de datos y que afectan la calidad de la voz, como son el retraso, perdidas de paquetes, fragmentación, eco, supresión de silencios, etc. 4 Una vez cubierto este marco teórico, que servirá de referencia en lo posterior del documento, se abordarán los temas de Voz sobre Frame Relay y Voz sobre IP. En primer lugar, se desarrollará en cada uno de ellos, una introducción básica al protocolo, no pretendiendo ser ésta, demasiado exhaustiva, sino lo suficiente, para que el lector que no tenga un conocimiento previo de los protocolos IP y Frame Relay, pueda entender clara y sencillamente como éstos funcionan. Posteriormente al desarrollo del protocolo, se pasará a estudiar como cada uno ellos inserta y le da el tratamiento adecuado a los paquetes de voz, basándose en las normas y acuerdos de implementación, así como las características, ventajas y problemas en el transporte de la voz, sus elementos y aplicaciones. Al final del trabajo, se desarrollarán casos de aplicación práctica, para ejemplificar la implementación, solución y problemas de cada una de las tecnologías en estudio. 5 1.1.1 OBJETIVOS 1.1.1 Objetivo General Proporcionar un documento de consulta técnico para la comunidad de la Universidad Don Bosco, específicamente en el área de ingeniería, sobre el tema de la transmisión de voz sobre los protocolos IP y Frame Relay. 1.1.2 Objetivos Específicos.  Desarrollar dos de las tecnologías de transporte de voz sobre redes de datos más utilizadas: Voz sobre Frame Relay y Voz sobre IP.  Estudiar los problemas de transporte de voz que se presentan en estas tecnologías, así como su solución.  Estudiar las técnicas utilizadas para el tratamiento de la voz en cada tecnología.  Presentar ejemplos y ambientes de implementación, para ejemplificar la aplicación de cada tecnología. 6 1.2 ALCANCES Y LIMITACIONES 1.2.1 Alcances.  Se tratarán y desarrollaran los temas de Telefonía Tradicional Digital y Análoga, con la profundidad suficiente, para que el lector se ubique en el marco teórico necesario para entender los temas de tratamiento de la voz  Se desarrollaran algunos conceptos básicos de redes, que servirán de marco teórico para el desarrollo de los temas de voz sobre Frame Relay e IP.  Se desarrollaran casos de aplicación práctica, en base a una investigación de la disponibilidad de estas tecnologías en el país.  El desarrollo del trabajo es orientado a un estudio teórico, con casos de aplicación, y no a un desarrollo práctico o de implementación. 1.2.2 Limitaciones.  No se cubrirá el tema de Voz sobre ATM ya que no es una tecnología que se utilice ampliamente en el país.  Como parte del trabajo no se contempla la elaboración de software o implementación practica de ninguna clase. 7 CAPITULO II REDES DE VOZ Las redes de voz actuales pueden transportar la voz, tanto en forma análoga como en forma digital, esto depende de la infraestructura existente en el proveedor de servicios y de los servicios mismos que éste presta a sus usuarios. Las líneas telefónicas que llegan a la mayoría de usuarios residenciales, son líneas análogas de dos hilos, o líneas tróncales que interconectan las centrales telefónicas de empresas y oficinas, con la central pública del proveedor de servicios. Sin embargo, también existen los servicios digitales como la Red Digital de Servicios Integrados, RDSI o por sus siglas en ingles ISDN (Integrated Services Digital Network) que se proporcionan sobre los mismos hilos de cobre, pero en forma digital, y que se presenta bajo dos formas, la primera llamada Acceso Básico, BRI (Basic Rate Interface) y la segunda; Acceso Primario, PRI (Primary Rate Interface). A continuación se presentarán y describirán los elementos o componentes que integran la telefonía análoga en general, así como las distintas señalizaciones utilizadas para establecer una llamada, a través de la Red Pública de Telefonía Conmutada, PSTN (Public Switched Telephone Network). Posteriormente se analizará la telefonía digital, su señalización y conversión entre la telefonía análoga y digital. 2.1 TELEFONÍA ANÁLOGA. 2.1.1 Elementos de la Telefonía Análoga. Para poder realizar una llamada en una red telefónica análoga se necesitan dos elementos básicos: la señalización y el hardware. En esta sección se analizará ambos elementos. El hardware de una red telefónica, es toda aquella infraestructura entre el proveedor de servicios telefónicos local y nuestra casa u oficina. 8 Esta infraestructura consiste en:  El Aparato Telefónico o Teléfono.  El Bucle Local (Local Loop).  La Línea Troncal.  El Conmutador o Switch de Voz (Central Pública o Privada). En la Figura 1 se muestran estos elementos. Figura 1. Elementos de la Red Pública Análoga. 9 2.1.1.1 El Teléfono. El teléfono es el aparato con el cual nos conectamos a la red, este consta de varias partes esenciales para poder transmitir y recibir una comunicación de voz. En la figura 2 podemos observar estos componentes. Convertidor HIBRIDO 2 a 4 hilos Transmisor ORQUILLA Receptor RINGERTECLADO CONMUTADOR DE OFICINA CENTRAL TELEFONO BUCLE LOCAL Figura 2. Elementos de un teléfono.  Auricular (Handset): Es la parte del teléfono que sostenemos en la mano y en donde se encuentra el transmisor y receptor.  Orquilla (Switch Hook): Es la parte del teléfono que abre o cierra un circuito cuando el auricular está colgado (on-hook) o descolgado (off-hook) respectivamente. Cuando el auricular es levantado, la orquilla es liberada, se cierra el circuito que va desde la Oficina Local hasta el teléfono y una corriente fluye, debido al voltaje de –48 Voltios, que se encuentra al otro lado del circuito en el conmutador de la Oficina Central. Al liberarse la orquilla, en el auricular se escucha el tono de marcado. Esta orquilla puede ser un simple interruptor mecánico que cierra y abre el circuito, un interruptor magnético o incluso puede 10 estar compuesto de un emisor y receptor de luz, que se interrumpe al colgar o levantar el auricular.  Convertidor Híbrido de 2 a 4 hilos: Del auricular provienen cuatro hilos, de los cuales un par esta destinado a la transmisión y el otro a la recepción. Sin embargo, del lado del proveedor de servicios telefónicos, provienen solamente dos hilos, este elemento del teléfono es el que se encarga de la conversión de 2 a cuatro hilos. Este es un punto donde se pueden generar problemas como eco debido al cambio de 2 a 4 hilos.  Teclado (Dialer): Consiste propiamente de la matriz de teclas o el disco rotatorio, que presionamos para marcar un número especifico. Esta acción de presionar las teclas o girar el disco rotatorio es la forma de indicar a la compañía telefónica local a donde deseamos llamar, el número de destino, enviando una serie de pulsos o tonos a través de las líneas.  Timbrado (Ringer): Cuando alguien marca nuestro número, asignado por la compañía telefónica local, nuestro teléfono emite un sonido de alerta que es emitido por el Ringer que se activa cuando se recibe un voltaje de advertencia a través de los dos hilos de cobre que provienen desde la Oficina Central (Central Office). 2.1.1.2 Bucle Local. La conexión física entre la compañía telefónica local y nuestro teléfono se realiza a través de dos hilos de cobre, denominados comúnmente, cada uno de ellos, como Tip y Ring. Este par de hilos conforman el Bucle Local (Local Loop) y son el medio físico para la ruta de señalización y de comunicación entre la compañía telefónica y nuestra casa, a la que se le denomina línea telefónica. 11 2.1.1.3 Conmutador o Switch de Voz. Resulta obvio, que no es posible conectar permanentemente y en forma dedicada un par de hilos de cobre entre todos y cada uno de los usuarios que desean comunicarse, aunque así fueron los inicios de la Telefonía, esto ahora no es viable. Durante los primeros pasos de la Telefonía, después de la primera transmisión de voz realizada por Alexander Graham Bell en 1876 y a medida que se fue expandiendo este servicio, se necesitó de un operador humano que realizara la función de conectar la llamada de un usuario que deseaba comunicarse con otro. Los usuarios llamaban al lugar donde se ubicaba este operador y le daban el nombre del otro usuario, con el que deseaban comunicarse, esta es la acción de conmutar una llamada. La conmutación se realiza hoy en día por medio de equipos electrónicos diseñados especialmente para esta función. Este equipo recibe el nombre precisamente de Conmutador o Central (Switch de Voz). El Switch identifica, direcciona y asegura una ruta entre dos usuarios para establecer una llamada. Mientras la llamada esté en curso, se reserva esa conexión y no es liberada hasta que uno de los usuarios cuelga. El medio físico, los hilos de cobre, siempre están disponibles, sin embargo la ruta entre un usuario y otro solo se establece en el momento de la llamada y cabe la posibilidad que la ruta no este disponible en un momento dado. De acuerdo a la función que desempeñe el Switch este se puede clasificar en tres tipos:  Switch de Oficina Central (Central Office Switch).  Switch Tándem o Intermedio (Tandem Switch).  PBX (Private Branch Exchange). Los dos primeros tipos de Switch se conocen mejor por el nombre de Centrales Públicas y la PBX como Central Privada. 12 Al Switch de Oficina Central están conectados todos los usuarios residenciales y algunas Centrales Privadas . Este tipo de Central Pública también se le conoce como Switch de clase 5 y posee capacidad de poder conectar varios cientos de miles de abonados. Los Switches de Oficina Central están conectados entre sí o a los Switches Intermedios para poder transferir llamadas a usuarios que no se encuentran conectados en el mismo Switch. El Switch tipo Tandem se encarga de direccionar las llamadas entre Switches de Oficina Central o a otras compañías telefónicas. A este Switch se le conoce también como Switch de clase 4. Una PBX es una central telefónica ubicada y administrada por la empresa propietaria de la misma, brinda una serie de facilidades para la comunicación empresarial como llamada en espera, conferencia múltiple, retención y desvío de llamadas, etc. Una PBX posee un determinado número de líneas internas llamadas extensiones, con las cuales los empleados se comunican entre sí, dentro de la empresa. Esta Central Privada conmuta las llamadas internas sin necesidad de direccionarlas a la red pública, lo cual de otra forma sería muy costoso. Sin embargo, algunas compañías telefónicas ofrecen un servicio llamado CENTREX para empresas cuya necesidad de extensiones no sea muy grande, el servicio consiste en brindar un número determinado de líneas desde la Oficina Central de la empresa telefónica quien las administra. Las llamadas entre los empleados se manejan como llamadas de extensión a extensión (en realidad para la Central Pública estas líneas se comportan como extensiones). Con Centrex los empleados usualmente marcan 4 dígitos en lugar de los 7 dígitos que normalmente marcan para salir a la red pública. Este servicio brinda algunas de las facilidades que brinda la PBX sin embargo, el servicio deja de ser atractivo a medida que le número de extensiones crece ya que el costo por línea se incrementa demasiado. 13 2.1.1.4 Tróncales. Las tróncales son el medio de conexión entre Centrales. Estos enlaces o líneas tróncales pueden ser una simple línea de dos hilos que conecta una pequeña PBX con la Oficina Central o un enlace digital T1/E1 entre Centrales Públicas. Al enlace entre Centrales Privadas se le llama enlace Troncal Privado o Línea Tie, éste suele ser arrendado a la empresa telefónica pública por un costo mensual o puede ser una línea totalmente privada, cuya infraestructura es propiedad de la misma empresa. Los enlaces tróncales entre los Switches de Oficina Central o incluso entre estos y PBX´s a menudo suelen ser enlaces que agrupan mas de un circuito de voz, es decir, mas de una llamada simultanea, generalmente estos enlaces son digitales. 2.1.2 Señalización en Sistemas Análogos. Para que una llamada telefónica pueda iniciarse, establecerse y completarse se necesita una serie de reglas a seguir entre las Centrales, las tróncales y los aparatos telefónicos, estas reglas a seguir son la señalización de la red. Existe tanto señalización para establecer la comunicación entre una Central Telefónica y otra (señalización de red a red) como para establecer la comunicación entre el teléfono del usuario y la Central (señalización de usuario a red). La señalización entre el teléfono y la Central es de dos tipos:  Señalización de Supervisión.  Señalización de direccionamiento. 14 2.1.2.1 Señalización de Supervisión. La señalización de supervisión se necesita para conocer el estado de la línea y teléfono antes y después de iniciar una llamada. Esta comprende tres señalizaciones:  Señalización de Colgado (On-Hook). Como se describió en la sección anterior, mientras la orquilla está presionada por el auricular, el circuito del bucle local que va desde el Switch de la Oficina Central hasta el teléfono, está abierto, por lo que no hay circulación de corriente (la corriente es limitada ya que existe un capacitor entre la línea del lado del teléfono) y de esta forma el Switch sabe que ese número de telefónico, está libre y puede ser llamado.  Señalización de Descolgado (Off-Hook). Cuando el auricular se levanta, la orquilla se libera y el circuito del bucle local se cierra, con lo que circula una corriente que indica al Switch de la Oficina Central que en ese circuito se va a iniciar una llamada, el Switch entonces pone sobre el bucle un tono continuo de marcado. Este tono tiene una frecuencia que varia de país a país pero tiene valores entre los 270Hz y 450 Hz, el tono desaparece al presionarse el primer digito del teclado o después de cierto tiempo sin marcar nada, usualmente 10 segundos. Mientras el bucle está cerrado se dice que el número está ocupado y no puede entrar otra llamada hasta que el bucle se abra de nuevo. En líneas digitales como las líneas BRI, la notificación de una segunda llamada es factible e incluso puede ser tomada.  Timbrado. Cuando una llamada es dirigida hacia nuestro número telefónico, el Switch notifica este evento, enviando por el bucle local, un voltaje alterno entre 60 y 90 voltios a 20Hz, proporcionado por el generador de tonos del Switch, lo que hace que el ringer de nuestro teléfono timbre. Al mismo tiempo, el Switch envía un tono de aviso al teléfono de la persona que llama, para notificarle si el número de teléfono al que está llamando está timbrando o está ocupado, este tono es 15 denominado tono de retorno (Ring Back Tone), ambos tonos usualmente no son los mismos. El tono de retorno cambia de un país a otro, y utilizan frecuencias entre los 384 y 480 Hz para el tono de llamando y entre 480 y 620Hz para el tono de ocupado. Los tonos de timbrado en general se diferencian uno de otro además de la frecuencia, en la duración de los periodos entre pulso y pulso. 2.1.2.2 Señalización de direccionamiento. El otro tipo de señalización necesaria, es la utilizada por la Central para determinar a donde queremos realizar la llamada. Existen dos formas, la señalización por Pulsos y la señalización de Doble Tono Multifrecuencia, DTMF (Dual Tone Multifrequency). La primera, que todavía es utilizada aunque con menos frecuencia, es la que se ve en los teléfonos de disco o marcador rotativo, en este tipo de teléfonos se generan una serie de pulsos que abren y cierran el bucle local un determinado número de veces de acuerdo al número marcado. La mayoría de teléfonos de matrix de teclado traen incluido un interruptor que selecciona la generación de pulsos o tonos DTMF al marcar. La generación del doble tono multifrecuencia se produce debido a que cada número del teclado tiene asociada una frecuencia alta y otra baja expresada en HZ, tal como muestra la figura 3. Al presionar un número específico se generan ambos tonos relacionados por la fila y columna en la posición de la tecla marcada, de esta forma la Central identifica el número marcado. Los dos tipos de señalizaciones de teléfono a red que se han visto, tanto la de supervisión como la de direccionamiento, son conocidas como señalizaciones dentro de banda debido a que utilizan la misma ruta que utiliza la voz para transportarse, el bucle local. Existe también la señalización fuera de banda la cual utiliza una ruta para la voz y otra para la señalización. 16 Figura 3. Disposición de frecuencias para la marcación DTMF 2.1.2.3 Señalización entre Centrales y Toma de Línea. Además de la señalización de supervisión y direccionamiento entre el abonado residencial (Teléfono) y la Central Telefónica de Oficina Central o la PBX, existe la señalización para la toma de línea o troncal, y la señalización entre centrales. La señalización de toma de línea se complementa con la señalización de teléfono a Central en el caso del Bucle Local y la señalización de Central a Central en el caso del enlace o línea Troncal. A continuación se mencionaran los diferentes tipos de señalizaciones en la telefonía análoga.  Tono de Frecuencia Única. Básicamente utilizado para señalización entre enlaces tróncales entre PBX, para detectar los estados desocupado(on-hook) y ocupado (off-hook). Se utiliza un tono de 2,600 Hz para diferenciar entre ambos estados, el tono esta presente 17 cuando el enlace esta desocupado y es suprimido cuando el enlace es tomado. Es una señalización dentro de banda.  Tonos Multifrecuencia. Señalización dentro de banda que utiliza una combinación especifica de frecuencias. Constituye la base de diversas señalizaciones entre enlaces de Centrales, para indicar toma, liberación, respuesta, reconocimiento y transmisión de información de direccionamiento (el número marcado). Esta señalización es utilizada por ejemplo en los sistemas de lo antes fue el Comité de Consultoría Internacional para Telefonía y Telegrafía, CCITT (Consultative Committee for International Telegraph and Telephone) ahora llamado Sector de Estandarizaciones de Telecomunicaciones de la Unión Internacional de Telecomunicaciones, ITU-T (International Telecommunication Union - Telecommunication Standardization Sector), estos sistemas son conocidos como el CCITT N5, R1 y R2. Para la señalización de supervisión se utiliza el tono de frecuencia único y para la señalización de dirección se utilizan una combinación de dos frecuencias incluyendo dos señales para reconocer el inicio y finalización de los números de dirección. Señal Frecuencias (Hz) Dígito 1 700 y 900 Dígito 2 700 y 1100 Dígito 3 900 y 1100 Dígito 4 700 y 1300 Dígito 5 900 y 1300 Dígito 6 1100 y 1300 Dígito 7 700 y 1500 Dígito 8 900 y 1500 Dígito 9 1100 y 1500 Dígito 0 1300 y 1500 KP(inicio) 1100 y 1700 ST(final) 1500 y 1700 Cuadro 1. Señales de Dirección del Sistema Multifrecuencia (MF) de Bell System. 18  Inicio en Bucle (Loop Start). Es la señalización para toma de línea más simple. Básicamente es el mismo método de señalización que se utiliza entre el teléfono y la Central Pública, es decir, la señalización para Bucle Local. No se utiliza como señalización para línea troncal ya que presenta el inconveniente que se pueda tomar simultáneamente ambos extremos de la línea, esto es común que suceda en el bucle de abonado y no representa un problema serio, sin embargo en la toma de troncal entre Centrales sí lo es. Este fenómeno es llamado colisión.  Inicio en Tierra (Ground Start). Constituye una modificación del inicio en bucle y corrige el problema de la colisión que se genera en el método anterior por medio de una detección de corriente en ambos extremos. Se utiliza para la señalización entre PBX. La señalización igual que en el método anterior viaja sobre la misma ruta de la voz, los hilos Tip y Ring.  Señalización E&M. Esta es una señalización entre Centrales, fuera de banda, ya que la voz y la señalización, viajan por rutas distintas. Para la señalización se utilizan 2 hilos llamados E y M (el significado de estas letras según algunos autores es Ear y Mouth ó Earth y Magneto ó TransMit y RecEive). La señalización E&M comprende 5 tipos denominados Tipo I, II, III, IV y V. De estos los mas utilizados son el tipo I y el tipo V, el primero se utiliza frecuentemente en equipos Norteamericanos y el segundo en equipos Europeos. También suele referirse como E&M de 2 o 4 hilos. La diferencia entre 2 hilos y 4 hilos se debe a que en uno se tiene 2 hilos de audio y en el otro cuatro hilos. Como parte de la señalización E&M se tienen señales de supervisión de toma de línea específicos, estas son:  Wink Start  Delay Start  Inmediate Start 19  Sistemas de Señalización Asociados al Canal, CAS (Channel Associated Signaling). Este sistema de señalización se utiliza tanto en sistemas análogos, de 2 o 4 hilos, como en sistemas digitales. En este tipo de sistema, la señalización se transporta en un canal o frecuencia asociado al canal de voz, es decir por cada canal de voz hay implícito un canal de señalización asociado. Forman parte de este métodos los siguientes sistemas:  Señalización CCITT N5 Utilizado comúnmente en enlaces Tróncales Internacionales de larga distancia, inclusive en enlaces satelitales. La señal de supervisión se realiza por medio de dos frecuencias que se transportan individualmente o combinadas, estas frecuencias son 2400 Hz y 2600 Hz. Para la señal de dirección se utiliza señalización multifrecuencia, ocupando las mismas frecuencias que el sistema MF de Bell System pero adicionando tres señales más.  Señalización R1 Muy similar al sistema de señalización MF de Bell System, es utilizado únicamente en enlaces telefónicos Norteamericanos.  Señalización R2 Es un sistema de señalización utilizado internacionalmente por lo cual existen varias variantes y una versión internacional reconocida como CCITT-R2, usado principalmente en enlaces Internacionales de corta distancia, utiliza una banda de voz de 300 a 3400Hz y una banda para señalización de 3825Hz por lo que es una señalización fuera de banda, aunque viajen por el mismo cable.  Señalización por Canal Común, CCS (Common Channel Signaling). En estos sistemas la vía de voz está separada de la vía de señalización, se utiliza un enlace o canal común, para transportar la señalización de varios 20 circuitos de voz. Actualmente esta señalización es puramente digital y se conoce como Sistema de Señalización N 7 (SS7: Signaling System 7). Sin embargo, se incluye acá, porque este sistema derivó de otro sistema llamado SS6, desarrollado a finales de los años sesenta, en el cual había señalización para circuitos análogos en donde un circuito o canal de 4Kbps se utilizaba para señalización. 2.2 TELEFONÍA DIGITAL. Hace poco mas de treinta años, aprovechando el desarrollo electrónico de la integración de circuitos, el programa almacenado y la rapidez de procesamiento, se inicio en Estados Unidos la migración de las redes análogas a redes digitales de telefonía, tanto en equipos como en transmisión. En la actualidad la mayor parte de la infraestructura telefónica Norteamericana y de países desarrollados es digital. En nuestro país, las líneas de abonado residencial siguen siendo en su mayoría análogas, aunque una buena parte de los enlaces telefónicos empresariales y casi la totalidad de los enlaces entre las Oficinas Centrales de los proveedores de Telefonía son digitales. Cuando los volúmenes de tráfico de voz se incrementaron, se vio la necesidad de poder transmitir mas de una señal de voz simultáneamente por una misma línea, sobre todo en los enlaces tróncales y de larga distancia. Uno de los primeros métodos utilizados para realizar esto fue la Multipexación por División en Frecuencia, FDM (Frequency División Multiplex), método por el cual una banda de frecuencias, usualmente arriba de los 60kHz se subdivide en bandas adyacentes de 4kHz, luego modulando las señales de voz con señales senoidales denominadas portadoras, se lleva una señal de voz por cada una de las frecuencias portadoras para transmitirla. Posteriormente se demodulan en el lado receptor, utilizando las mismas señales portadoras. Este método de trasmisión de señales de voz sigue siendo análogo, aparte de la modulación, no hay una transformación de la señal. 21 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 60 108 KHz 12 Subfrecuencias de 4KHz Figura 4. Multiplexación por División en Frecuencia Posteriormente al método FDM surgió el método de Multiplexación por División en el Tiempo, TDM (Time División Multiplex), el cual consiste en transmitir simultáneamente, varias señales de voz, asignándoles un intervalo de tiempo determinado, en periodos sucesivos. 1 2 3 . . . . . . . . . . . . . . 28 29 30 31 32 0 125 useg t Subdivisión de 12 Intervalos de Tiempo Figura 5. Multiplexación por División en el Tiempo El método TDM se utiliza en conjunto con la técnica del “muestreo”, la cual consiste en tomar muestras de una señal, en intervalos determinados de tiempo y transmitir solamente estas muestras y no la envolvente completa, posteriormente se puede regenerar la envolvente con las muestras tomadas. Esta técnica se basa en el teorema de Nyquist, el cual establece que para poder reproducir la forma original, sin pérdidas de información, de una señal analógica, la frecuencia mínima de muestreo debe de ser, por lo menos, igual o mayor a 2 veces la frecuencia mas alta contenida en la señal analógica. Con el muestreo se genera una serie de impulsos, cuya magnitud es proporcional a la amplitud instantánea de la señal muestreada. Uniendo las amplitudes o puntos 22 máximos de estos impulsos se puede reconstruir la señal original. Este método se llama Modulación por Amplitud de Pulsos, PAM (Pulse Amplitude Modulation). Debido a que los intervalos de tiempo entre las distintas muestras tomadas, son suficientemente largos, se utiliza este tiempo para transmitir mas de una señal PAM, es decir, que pueden transmitirse sucesivamente las muestras de varias señales en forma cíclica. Figura 6. Gráfico representativo de una Señal PAM 2.2.1 Conversión de voz análoga-digital. Dos procedimientos estrechamente relacionados al método TDM, es la “cuantificación” y “codificación” de estos impulsos para convertirlos en pulsos codificados, es decir, convertirlos en una señal digital. La principal ventaja de la “digitalización” de la señales análogas es la inmunidad al ruido de línea, que en la contraparte análoga resulta ser un problema serio si se presenta, y generalmente esta expuesta al ruido en todo su trayecto. Además las señales se degradan a medida que aumenta las distancias entre transmisor y receptor, por lo que se hace necesario amplificarlas, sin embargo, también se amplifica el ruido. 23 Otras ventajas son la facilidad de mantenimiento e instalación, mayor nivel de integración y confiabilidad. La conversión de señales de voz análogas a digitales se realiza en mediante los siguientes pasos: 1. Filtrado. 2. Muestreo. 3. Cuantificación. 4. Codificación. 5. Compresión (opcional) A continuación se detallan cada uno de estos pasos:  Filtrado. A pesar que el oído humano es capaz de escuchar sonidos que van desde los 200 Hz hasta aproximadamente los 20,000 Hz, y que la voz humana se encuentra entre los 250 Hz y los 10,000 Hz, la infraestructura y condiciones que las líneas telefónicas tendrían que tener, para transportar voz en su rango completo, sería muy exigente y costoso. Por esta razón debe limitarse el rango de frecuencias a transmitir, siempre y cuando se garantice una calidad de voz aceptable. El filtrado es el procedimiento a través del cual se limitan las señales sonoras al rango de frecuencias de 300 a 3400Hz, por medio de filtros pasa banda.  Muestreo. Una vez se ha filtrado la señal, se procede a muestrearla en intervalos fijos de tiempo. Como la banda de frecuencias en la mayoría de sistemas telefónicos es de 300Hz a no más de 4000Hz, se ha definido una frecuencia de muestreo de 8000Hz (dos veces la frecuencia mas alta, según el teorema de Nyquist), lo cual implica un periodo de muestreo de 125s (1/8000Hz), es decir, que cada 125s se toma una muestra de la señal, el resultado es la señal PAM. 24  Cuantificación. Posteriormente la señal PAM debe ser cuantificada, lo cual consiste en asignar un valor a cada pulso de acuerdo a su amplitud y posición. Los valores se asignan a partir de intervalos de cuantificación definidos con valores positivos y negativos, dentro de una división más grande llamada “segmentos”. Como el valor máximo de los pulsos pueden situarse entre dos valores de los intervalos, se le asigna el valor medio del intervalo, por esta razón la señal digital del lado receptor, reconstruida a partir del código tendrá distorsiones de cuantificación, ya que no puede reconstruirse el valor exacto de la señal de transmisión al ser convertida de nuevo, lo que se manifestará como ruido superpuesto a la señal original. Para minimizar esta distorsión los intervalos de cuantificación deben ser lo suficientemente pequeños, así también, mientras más intervalos existan menos distorsión habrá. Normalmente se utilizan 256 intervalos de cuantificación desiguales, donde los segmentos cercanos a la referencia tienen mas intervalos de cuantificación y por lo tanto, están mas unidos, de esta forma se evita variaciones grandes en las señales de magnitud pequeña, a medida que los intervalos se alejan de la referencia, se hacen menos en cantidad y más grandes. A este método se le llama Cuantificación no uniforme o cuantificación no lineal. El CCITT especificó dos normalizaciones que describen la cuantificación no uniforme conocidas como líneas características (las líneas que definen las muestras), estas recomendaciones aplican para la norma ITU-T, G.711, que se define mas adelante. Las dos normalizaciones son:  La característica de 13 segmentos conocida como ley a, aplicado en el sistema de transmisión PCM30, utilizado en Europa y la mayoría del resto del mundo.  La característica de 15 segmentos conocida como ley , aplicado en el sistema de transmisión PCM24, utilizado en Estados Unidos. 25  Codificación. Como se dijo antes, se utilizan 256 intervalos para cuantificar la señal, 128 positivos y 128 negativos. Una vez la señal a sido cuantificada se procede a codificar estos intervalos mediante la asignación o representación de las magnitudes de amplitud de la señal por un código binario o palabras de 8 bits, este método se denomina Modulación por Pulsos Codificados, PCM (Pulse Code Modulation). En cada código PCM el primer bit define si el intervalo de cuantificación codificado es positivo “1” o negativo “0”. En el caso más básico, sin compresión de voz, se tienen 8000 muestras por segundo y 8 bits por muestra, lo que genera una señal de 64,000 bits por segundo, esto es la norma G.711, que constituye el formato de voz digital más común en las redes telefónicas públicas. Estos circuitos de 64Kbps se asocian en grupos de 24 canales o 30 canales de voz para su transmisión.  Compresión (Opcional). La compresión de voz es un procedimiento opcional en la telefonía digital y surgió a partir de la necesidad de poder transportar mas cantidad de canales sobre un mismo enlace básico de 64Kbps. Es utilizada para economizar ancho de banda en enlaces digitales a nivel de WAN. Los enlaces WAN entre oficinas suelen utilizarse, además de transmitir datos, para transmitir voz y es aquí donde se necesita economizar el ancho de banda que generalmente es limitado, estos enlaces comúnmente son de 64Kbps a 256Kbps los cuales en la mayoría de los casos son arrendados a una de las compañías telefónicas locales por un costo mensual. Utilizar 64Kbps para una llamada de voz, es en muchos casos, inadmisible cuando se tiene un tráfico de datos critico y pesado, por otro lado, mantener un circuito exclusivamente para uno o dos canales de voz entre dos oficinas resulta más costoso que realizar la llamada nacional o internacional a través del Operador Telefónico Local. Existen diversos métodos de compresión de voz, cada uno de ellos con características y procedimientos distintos. Obviamente la compresión presume 26 una perdida en la calidad de voz original. Recordemos que el espectro de frecuencias de voz se ha reducido y luego codificado para poder transmitirlo en PCM a 64Kbps. La compresión reduce aun más el número de bits utilizados para representar un segundo de voz, y por lo tanto, una disminución en la calidad de la voz. En telefonía digital usualmente se utiliza la codificación PCM de 64 Kbps, como se menciono anteriormente, este formato es llamado G.711 y constituye el formato por defecto de la red telefónica pública y privada. Los operadores telefónicos utilizan multiplexores TDM para transportar varios circuitos de voz simultáneamente, como se verá mas adelante. Estos equipos enlazan oficinas centrales del operador u oficinas entre operadores Internaciones por medio de enlaces T1 o E1 y para aprovechar al máximo estos enlaces suelen utilizar compresión de voz a 32, 16 o inclusive 8 Kbps. En el capitulo siguiente, en la sección, “Integración de Voz y Datos”se abordará cada uno de estos métodos de compresión y sus características. 2.2.2 Señalización en Sistemas Digitales. Por las razones y ventajas antes expuestas de la telefonía digital sobre la telefonía análoga, el desarrollo de los sistemas digitales de voz ha sido considerable y la señalización digital es por ende una de las mas utilizada hoy en día en los sistemas de telecomunicaciones. Las señalizaciones digitales incluyen los sistemas CAS, R1, R2, ISDN, QSIG, etc. Al igual como las señales PAM que pueden transmitirse mas de una simultáneamente, las señales PCM también pueden transmitirse sucesivamente en forma cíclica, esto es llamado multiplexado. El multiplexado es el método utilizado en la tecnología TDM, ampliamente utilizada hoy en día por para las transmisiones de voz en la Red Publica de Telefonía Conmutada. 27 En la tecnología TDM los servicios se transportan en unidades denominadas Time Slot. Un Time Slot es el tiempo que tarda en transmitirse una palabra PCM, que como ya se definió, es un arreglo de 64 Kbps. Existen dos sistemas de transmisión digital definidos por el CCITT, asociados a la cuantificación y codificación no lineal, la primera es la recomendación G.732 asociado al sistema PCM30, que funciona a 2.048 Mbps y consta de 30 canales de voz y dos canales para señalización y sincronización, es decir, 32 intervalos de tiempo por trama, es decir, 32 Time Slot. Este sistema también es conocido en Telefonía y enlaces de datos como un E1. Este sistema de señalización es el utilizado en la mayoría de equipos de origen europeo. La segunda recomendación es la G.733, asociada al sistema PCM24 y que funciona a 1.544 Mbps y consta de 24 time slot, y es el sistema de señalización utilizado normalmente en EE.UU, Canadá y Japón. 2.2.2.1 ISDN (RDSI) La red digital de servicios integrados RDSI, esta disponible desde 1980 y fue definida por el CCITT. Este sistema es compatible con la señalización SS7, lo que permite que los usuarios puedan tener acceso a las mismas capacidades y servicios que SS7. Las PBX pueden conectarse a través de ISDN a la red pública e incluso crear redes privadas virtuales. ISDN brinda servicios tanto de voz como de datos que pueden ser transmitidos simultáneamente sobre el mismo circuito. En este tipo de red se utilizan canales separados para la señalización y para el tráfico de voz y datos. Dos métodos de acceso están disponibles:  Interfaz de Acceso Básico, BRI (Basic Rate Interface) En donde se tienen dos canales de transmisión de 64 Kbps cada uno denominado canales B y un canal de 16 Kbps para la señalización, llamado canal D. Generalmente utilizado en oficinas pequeñas y residenciales. 28  Interfaz de Acceso Primario, PRI (Primary Rate Interface). Corresponden a velocidades de 1.544 Mbps conocido en el sistema americano como T1 y consta de 23 canales B de 64 Kbps y un canal D de 64 Kbps. Para el sistema europeo la velocidad del acceso primario es de 2.048 Mbps, conocido como E1, este consta de 30 canales B y un canal D también de 64 Kbps. En nuestro país se utiliza el acceso primario E1, debido a que la mayoría de equipo que se instaló para la telefonía pública es de origen europeo, el sistema T1 se utiliza sobre todo en enlaces Internacionales de los Carriers hacia estados Unidos. ISDN ofrece servicios adicionales como identificación de llamada, marcación cerrada, llamada en espera, reenvío y retención de llamadas entre otros. 2.2.2.2 QSIG Es un sistema de señalización igual a igual, utilizado en las redes de voz privadas, se le conoce también como sistema de señalización privado N 1 o también PSS1. Es un estándar abierto basado en las recomendaciones de la serie Q.9xx de la ITU-T para servicios básicos y suplementarios. Es muy utilizado en la señalización de enlaces privados entre PBX. Este sistema de señalización es compatible con ISDN tanto privada como pública. 29 2.2.3 RESUMEN. Las redes de voz son hoy en día muy extensas y ofrecen una variedad de servicios a los usuarios, tanto residenciales como para pequeñas y grandes empresas, así también la cantidad de empresas que ofrecen estos servicios son muchas y variadas. Los servicios análogos de voz han permanecido desde sus inicios hasta la fecha sin cambios significativos, en cuanto a su forma de operar y servicios prestados. El sector residencial es sobre todo el que utiliza a gran escala estos servicios. Así también aun hay muchas empresas sobre todo pequeñas y medianas que utilizan estos servicios pero la mayoría de ellas, principalmente las grandes empresas, han cambiado sus redes de voz del sistema análogo al digital utilizando circuitos E1 para sus enlaces de PBX y enlaces BRI para sus oficinas pequeñas. Debido al auge de la Internet, algunos Proveedores del servicio telefónico están ofreciendo desde hace un par de años, servicios digitales al sector residencial, en donde ofrecen un enlace BRI para el acceso a Internet y sobre la misma línea el circuito de voz, además de los servicios de valor agregado que el medio permite. 30 CAPITULO III INTEGRACIÓN DE VOZ Y DATOS. Aunque se ha escuchado mucho de este tema, aparentemente existen pocas implementaciones en el país, de esta tecnología, debido en parte, a que constituye una tecnología relativamente nueva y en desarrollo y por otra parte, a la desconfianza de los administradores de red en invertir en una tecnología que desconocen y de la que hay poca información en el medio. Además las soluciones actuales parecen actualmente no justificar económicamente el cambio. Los administradores de red siguen confiando en que resulta mejor tener dos redes separadas para datos y para voz, aunque esto supone ciertas desventajas técnicas y de gestión. Muchas empresas cuentan con un personal especifico para administrar y mantener la red de datos y otro personal distinto para la red de voz, lo que implica obviamente además del recurso humano, mayor cantidad de recursos tanto económicos como de infraestructura. De hecho, disponer de una infraestructura común para voz y datos, así como un sistema único de gestión son parte de las ventajas que la integración supone, ya que es el mismo personal que administra tanto la red de datos como la de voz, que en este caso es una sola. La integración, precisamente es eso, unificar los servicios y funciones en una sola red. Existen sistemas y servicios que operan con los dos tipos de infraestructura pero que convergen en un momento dado en el puesto de trabajo de una persona y específicamente convergen en su computadora, por ejemplo, los Centros de Llamadas, Call Center, utilizan software y hardware para poder ver en sus pantallas información de los clientes que llaman, a través de enlaces digitales, como un enlace E1 que entra por la PBX, un equipo especial conecta y distribuye esta llamada hasta las operadoras que pueden identificar el número de la persona que llama y si este se encuentra en su base de datos pueden tener una variedad de información adelantada sobre el cliente. 31 Estos sistemas pueden aun converger más, si se piensa que la llamada que entro por una PBX tradicional, puede conectarse directamente a un servidor que hará las funciones de la PBX, es decir, el control y direccionamiento de las llamadas, este servidor se conectará directamente a la red LAN, interactuando inmediatamente con el sistema de Call Center. Además los teléfonos tradicionales serán sustituidos por teléfonos IP, con un puerto de red. Pueden tenerse también integrados otros sistemas como las contestadoras automáticas, servidores de Fax, Sistemas Interactivos de Respuesta de Voz, IVR (Interactive Voice Response), y otros más. Existen además otras razones que justifican el creciente desarrollo de las tecnologías de voz por paquetes, entre ellas se encuentran el desarrollo de Software de aplicaciones múltiples, aplicaciones que incluyen multimedia, voz y datos, la reducción de los costos en llamadas de larga distancia, simplificación de las redes en infraestructura y administración, unificación de servicios, etc. 3.1 PROBLEMAS DE LA INTEGRACIÓN. Pero para que la voz pueda ser transmitida a través de las redes de datos, de manera eficaz y con una calidad tal, que no quede duda de su aplicación y uso, se necesita superar ciertos inconvenientes, para lo cual se han definido nuevas especificaciones y recomendaciones con el fin de impulsar esta tecnología ampliamente, y superar los problemas que se presentan en el transporte de la voz cuando comparte los recursos con el tráfico de datos. Uno de los problemas típicos en las redes, es el retraso (Delay). Mientras que las aplicaciones de datos pueden soportan estos retrasos sin mayores molestias, que las quejas de los usuarios, porque la red esta lenta y no pueden bajar una pagina de la web, con la rapidez que ellos esperan, esto no representa ninguna perdida de información, pero en una comunicación de voz esto es fatal. 32 También se tienen otros inconvenientes como son congestión en la red, limitaciones de ancho de banda, interoperatividad entre equipos y proveedores, etc. Estos son algunos de los retos a superar, para poder implementar la integración de voz sobre redes de datos y que obviamente justifiquen su implementación, sobre todo si se piensa que competirá con la calidad de voz que se tiene por las redes tradicionales. A continuación se detallará algunos de estos problemas a los que se enfrenta la paquetización de voz.  Retraso (Delay) La voz a diferencia de los datos es más susceptible al retraso, una transmisión de voz en tiempo real se ve claramente afectada si en el canal de transmisión hay retrasos considerables. La recomendación G.114 del ITU-T, sugiere por ejemplo que debe de haber menos de 150ms de retraso en una conexión punto a punto de una vía, para una conversación de buena calidad, para llamadas internacionales, el retraso de una vía de hasta 300ms es aceptable sobre todo si se tiene una vía satelital. Estos retrasos se deben a factores tales como la propagación misma de las señales a través de los cables físicos, los procesos de digitalización, codificación, decodificación y compresión de la señal. Además influyen otros factores como el número de saltos entre conmutadores del proveedor de servicios, carga y congestión de la red. A continuación se ejemplifica la cantidad de retraso acumulado en una comunicación punto a punto, tomando como codificador de voz el estándar G.729 que comprime a 8 Kbps. 33 Causa Retraso Fijo Retraso Variable Retraso de Codificador G.729 (5 ms Look Ahead) 5 ms Retraso de Codificador G.729 (10 ms por trama)* 20 ms Retraso de empaquetamiento (Incluido en el anterior) Retraso de Gestión de cola. 64 Kbps Troncal 6 ms Retraso de serialización 64 Kbps Troncal 3 ms Retraso de propagación (líneas privadas) 32 ms retraso de red buffer de fluctuación de fase 2-200 ms Total (asumiendo un buffer de fluctuación de fase de 50 ms) 110 ms * dos tramas Cuadro 2. Retraso de una vía Punto a punto.  Fluctuación de Fase o Retardo diferencial (Jitter) y Latencia. El retardo diferencial o mejor conocido como Jitter se define como el retardo variable entre un paquete y otro al llegar a su destino, en otras palabras, es la variación del tiempo de llegada entre paquetes consecutivos. Este retraso variable es generado por factores como la cogestión en la red, las ráfagas de datos de las aplicaciónes, que en un momento dado pueden acaparar el puerto de salida y el ancho de banda, las tramas o paquetes de datos demasiado grandes, que pueden hacer esperar mas tiempo a las tramas de voz, entre otros. A la suma del retraso fijo y el Jitter se le llama Latencia.  Limitación de Ancho de Banda (Compresión de voz). Uno de los propósitos de la Voz por Paquetes, es disminuir los costos de llamadas de larga distancia o entre oficinas regionales del sector industrial y empresarial, y es posible hacerlo cursando el tráfico de las llamadas que usualmente salen a la Red Telefónica Publica, por los enlaces de datos existentes, pero estos enlaces usualmente son de ancho de banda reducido y son utilizados primariamente por software de aplicación vitales para las empresas, facturación, consultas en línea, trasferencias, etc. 34 Una conversación de voz por una línea telefónica normal consume 64 Kbps, como ya se explicó anteriormente, esto esta bien para los circuitos residenciales o los circuitos internos (extensiones) de las PBX, pero si se va a transmitir voz a través de los enlaces WAN públicos o privados, esto resulta ser un serio problema. Entonces es necesario reducir el consumo de ancho de banda por llamada, esto es, se necesita utilizar métodos de compresión.  Cancelación de Ecos. La cancelación de eco es necesaria ya que siempre que existe un paso de dos a cuatro hilos, entre un sistema y otro, como sucede entre los equipos de acceso a la red WAN, como routers, conmutadores, multiplexores, teléfonos y Centrales, se genera el efecto de reflexión de la señal de voz desde un extremo a otro, lo cual dificulta una conversación clara entre los interlocutores. Este efecto es incrementado mientras más distancia o retardo hay entre un extremo y otro. El retraso en la señal de voz tiene dos efectos perceptibles al oído del interlocutor. Primero, si el retraso es mínimo (menos de 150ms), y no existen mecanismos de cancelación de eco, el interlocutor escuchará su propia voz después de que habla. Segundo, si el retraso si es significativo (mayor a 150ms) la conversación normal se ve afectada ya que la voz proveniente de un extremo a otro del canal llega muy retrasada , lo que causa que las conversaciones se superpongan una a la otra, y esto se percibe como interrupciones o cortes en la voz de ambos interlocutores.  Supresión de Silencios. A diferencia de los datos, en una conversación de voz sobre un sistema Full Duplex, solamente alrededor del 50% del tiempo es conversación efectiva el otro 50% son periodos de silencio. Esto es porque mientras una persona habla la otra escucha. Esto es tiempo que puede aprovecharse para transmitir mas datos. La solución a estos problemas será abordada en cada uno de los capítulos de Voz sobre Frame Relay y Voz sobre IP. 35 3.2 METODOS DE CODIFICACIÓN Y COMPRESION. Un factor importante a considerar cuando se transmite voz sobre los enlaces de datos, es hacer un uso eficaz del ancho de banda. Generalmente se desea establecer comunicación entre oficinas y reducir los costos de las llamadas entre ellas, utilizando las tecnologías de voz por paquetes abordadas aquí, específicamente, VoFR y VoIP. Estas tecnologías deben utilizar compresión de voz, de lo contrario cada llamada entre oficinas utilizaría 64Kbps del enlace WAN existente y por lo general, estos enlaces son reducidos y transportan datos de suma importancia o de aplicaciones de misión critica como facturación, consultas en línea, etc. Los métodos de compresión de voz mas utilizados en Telefonía, Voz sobre Frame Relay y Voz sobre IP, pertenecen a dos grandes categorías: la compresión por forma de onda y la compresión Híbrida, esta última es una combinación de la compresión por forma de onda y la compresión por “Codificadores de Voz”, Vocoders ( Voice Coders). La codificación por Vocoders requiere un proceso electrónico y de procesamiento inteligente muy complicado y robusto, es una técnica de voz sintetizada y aunque produce una señal con poco consumo de ancho de banda, la calidad de la voz es muy baja, el sonido producido es lo que comúnmente se llama un sonido “robotizado” que hace difícil identificar al interlocutor. Esto se debe a que los Vocoders no reproducen la forma de onda original, en su lugar el codificador construye un conjunto de parámetros que son enviados al receptor para modelar la voz en base a solamente las variaciones en la frecuencia producidos por la interacción de la lengua, labios y dientes al articular las palabras: los fonemas. Esto significa que se necesita una serie de patrones de la voz humana, previamente reconocidos y almacenados para poder codificar efectivamente las palabras humanas. Un ejemplo de codificación por Vocoders es la Codificación con Predicción Lineal, LPC (Linear Prediction Coding) que deriva parámetros de la voz proveniente de un filtro digital variable en el tiempo, el cual modela la salida sonora del tracto vocal del interlocutor en base a los fonemas sonoros y no sonoros. 36 La ITU-T ha normalizado los métodos de codificación y compresión en lo que se denomina recomendaciones de la serie G. A continuación se describirán cada uno de ellos. 3.2.1 Compresión por Codificación de Forma de Onda.  Norma G.711, Codificación por Pulsos Codificados (PCM). La compresión por forma de onda está directamente relacionada a la codificación PCM y comprende el método PCM propiamente dicho, en el cual no hay compresión adicional a la codificación de 64 Kbps que es la utilizada en los circuitos digitales telefónicos como se menciono anteriormente. Este método tiene dos formatos relacionados con la cuantificación de la señal, la cuantificación no uniforme, que se explicó en la sección 2.2.1 “Conversión de la voz Análoga - Digital”. Estos formatos son la ley a y la ley  , ambos utilizan una compresión logarítmica de la señal, es decir, para la cuantificación de la señal se utiliza una escala logarítmica. La ley  tiene un mejor rendimiento en la relación señal a ruido.  Norma G.726 y G.727, Codificación por Pulsos Codificados Diferencial y Adaptable. ADPCM. ADPCM (Adaptive Differential Pulse Code Modulation) incluye varios niveles de compresión tales como 40 Kbps, 32 Kbps, 24 Kbps y 16 Kbps. Este método, a diferencia de PCM que codifica directamente la amplitud de la señal de voz, codifica las diferencias de amplitud, y la velocidad de cambio de la amplitud. En ADPCM se muestrea la señal a la misma velocidad de 8000 veces por segundo pero se codifica solamente la diferencia de amplitud entre la cuantificación de la muestra actual y la anterior por tal razón se llama diferencial. La primera versión de este método fue la de 32Kbps, la cual utiliza palabras de 4 bits para codificar la señal de voz, en lugar de 8 bits como en PCM, el primer bit se utiliza para representar si el cambio de amplitud incrementó o disminuyó desde la ultima muestra, los tres bits restantes representan el valor del cambio. 37 La versión de 40 Kbps utiliza palabras de 5 bits, la de 24 Kbps utiliza 3 bits y la de 16 Kbps utiliza solamente 2 bits. Obviamente mientras menos bits se utilizan para la codificación de la señal mas se degrada la calidad de la voz resultante. 3.2.2 Compresión Híbrida. La compresión Híbrida aprovecha las principales características de la compresión por forma de onda y la compresión por Vocoders, y produce una compresión de voz de muy buena calidad y bajo consumo de ancho de banda. Estos métodos procesan la señal enviando solamente información paramétrica simplificada sobre la vibración y modulación de la voz original. Se les conoce también como codecs de origen (Source Codecs). Los codificadores Híbridos utilizan una técnica llamada Análisis por Síntesis, AbS (Analysis by Synthesis). En esta técnica, un filtro es excitado continuamente por una señal proveniente de la diferencia entre la señal de entrada de la fuente de voz original y la salida del filtro mismo, buscando minimizar el error entre la señal de entrada y la voz sintetizada. La señal de voz original de entrada es dividida en tramas, generalmente de unos 20 ms (milisegundos) de duración, para cada trama el filtro de síntesis determina los parámetros los cuales también excitan de nuevo al filtro, se determinan númerosas aproximaciones hasta lograr minimizar el error. En la figura 7 de la siguiente página, se puede observar un modelo de bloques del Codec AbS. 38 Generación de Excitación -Filtro de Sintesis Minimización de Error Evaluacion de Error Entrada de Voz CODIFICADOR Filtro de Sintesis Generación de Excitación Voz Reproducida DECODIFICADOR S(n) S' (n) e (n) e w (n) u (n) u (n) S' (n) Figura 7. Diagrama de Bloques ejemplificando el CODEC AbS. Posteriormente se introdujo una mejora al método AbS, que consiste en utilizar una fuente de códigos almacenados en memoria llamada “libro de códigos” (Codebook), donde a cada código le corresponde una forma de onda, de los diferentes sonidos que la voz humana puede producir, el código es binario. A esta técnica se le llama Cuantificación por vector, VQ (Vector Quantization). Utilizando el principio de LPC y combinando la técnica VQ con AbS, da origen al método de Predicción Lineal con Excitación por Código, CELP (Code Excited Linear Prediction). En este método cuando una señal de voz es recibida, la forma de onda es muestreada y comparada con el código almacenado. El código que más se 39 asemeja a la forma de onda de entrada, es el que se envía al canal de comunicación. Para obtener una aceptable calidad de voz procesada, se necesita un procesamiento muy robusto, así como una buena cantidad de memoria para los códigos, sin embargo, el proceso de comparación con el libro de códigos causa un retardo apreciable en el proceso total. CELP tiene dos variantes, una es llamada Predicción Lineal con excitación por código de bajo retraso, LD-CELP (Low Delay CELP), este método construye la fuente o libro de códigos directamente de la señal de voz entrante en lugar de utilizar las formas de onda almacenadas, como resultado se tiene un retraso de procesamiento mas corto y una mejor representación de la voz. La otra variante de CELP esta conformada por la adición de los Procesadores de Señal Digital, DSP (Digital Signal Processors), los cuales son microprocesadores especializados que realizan múltiples operaciones en un corto periodo de tiempo. A esta variante se le llama Predicción Lineal con Excitación por Código Algebraico de Estructura Conjugada, CS-ACELP (CS-ACELP), y fue desarrollada mejorando el método LD-CELP y adicionando DSP´s. En este método se realizan procesos matemáticos complejos para evaluar y codificar la señal. El libro de código es mas adaptativo y a diferencia del método original CELP cuyo libro de código fue diseñado usando sonidos del Ingles Americano, el libro de código de CS-CELP tiene la capacidad de adaptar sus formas de onda a muchas variaciones de la voz humana del lenguaje que este siendo hablado. En general los codificadores de voz que utilizan Análisis por Síntesis y Predicción Lineal, pertenecen al grupo de codificadores denominados Codificadores de Predicción Lineal y Análisis por Síntesis, LPAS (Linear Prediction Analysis by Syntesis), y son los que logran compresiones de 16 Kbps hasta 4.8 Kbps. Los métodos de digitalización y compresión Híbridos son los más utilizados en las aplicaciones de VoIP y VoFR. 40  Norma G.723.1 Esta norma brinda dos formatos de compresión, uno a 5.3 Kbps y otro a 6.3 Kbps. Ambos son ampliamente usados para codificar componentes de señales de audio o voz en aplicaciones multimedia como lo es Videoconferencia, forma parte de la familia de normas H.324. Este codificador de voz utiliza el mismo filtrado del espectro de voz del ancho de banda telefónico y toma muestras igualmente a 8000 veces por segundo. El sistema codifica las señales de voz en tramas de acuerdo a la codificación LPAS, las tramas constan de 240 muestras de voz, lo que genera una trama de 30 ms. Además, realiza un muestreo adelantado de 7.5 ms, por lo que el retraso total generado por el algoritmo es de 37.5 ms. La compresión a 5.3 Kbps se realiza por medio del método ACELP, en cambio la compresión a 6.3 Kbps se realiza por medio del método llamado Cuantificación Multipulso-Multinivel, MP-MLQ (MultiPulse-MultiLevel Quantization).  Norma G.729 y G.729A Este método esta diseñado para aplicaciones donde se necesita bajo retraso. El tamaño de trama es de 10 ms y el retraso de procesamiento es de otros 10 ms, el muestreo adelantado es de 5 ms, obteniéndose un retraso total de 25 ms. Este bajo retraso, hace del método una buena elección para utilizarse en aplicaciones de voz a través de Internet. Además la compresión de voz que se obtiene en este método es de 8 Kbps. La versión inicial G.729 corresponde a una codificación CS-ACELP, y ofrece una calidad de voz tan buena como 32 Kbps de ADPCM. La segunda versión a la cual se llamó G.729 anexo A, también utiliza CS-CELP, sin embargo es menos compleja que la primera. Existen dos variantes mas de este método, G.729B y G.729AB, ambas comprimen también a 8 kbps, pero adicionan un algoritmo llamado Detección de Actividad de Voz, VAD (Voice Activity Detection), con la cual se logra un ahorro de ancho de banda adicional. 41  Norma G.728 Constituye la norma de compresión a 16 Kbps utilizando LD-CELP 3.3 RESUMEN. Con la rapidez que las redes de datos han crecido en los últimos años, el desarrollo de nuevos estándares y el auge que Internet ha tenido, nuevos servicios y productos han sido desarrollados y lanzados al mercado, incluso cuando éste no se encontraba preparado para ello. Pero esta tecnología se está abriendo camino y aunque todavía hay escepticismo en el ambiente, muchas empresas han empezado a utilizar estos servicios y productos. Los grupos encargados del desarrollo de estándares, también están trabajando para poder integrar ambos mundos de la mejor manera, y poder solventar varios problemas que se generan al convivir la voz, en los medios que originalmente fueron desarrollados para los datos. La voz paquetizada es una tecnología que brinda muchas ventajas como el ahorro en costos en comunicación y gestión administrativa de los medios, el cual ha sido el caballo de batalla para lograr su aceptación de parte de los usuarios empresariales y aunque todavía hay que solventar los problemas de ancho de banda y calidad de servicio, su implementación en este sector es ya un hecho, muchas empresas han migrado sus servicios de voz tradicionales hacia la voz paquetizada, utilizando los enlaces de datos con que ya contaban. Productos y servicios han sido ya implementados en nuestro país, Call Centers, IVR’s, voice mail, fax server son algunos de ellos. 42 CAPITULO IV INTRODUCCIÓN AL PROTOCOLO FRAME RELAY. Una de las tecnologías más populares y recientes en redes WAN, para el transporte de datos, es precisamente Frame Relay, debido a su bajo costo y desempeño ha encontrado un mercado muy amplio. Muchos operadores, sobre todo en Estados Unidos proveen Frame Relay como medio principal de enlaces privados y redes corporativas. Mas nuevo aún, son los esfuerzos encaminados al transporte de voz, y que ha tenido así también muy buena aceptación. En este capitulo se examinará las características que hacen de FR una de las dos principales tecnologías de aplicaciones de paquetización de voz . 4.1 GENERALIDADES DEL PROTOCOLO. Frame Relay es un protocolo de WAN que fue definido originalmente para operar sobre interfaces ISDN en 1984, por el comité en aquel entonces llamado CCITT, ahora ITU-T, también el ANSI desarrolló trabajos sobre Frame Relay en esa época. Durante los años 80´s esta tecnología no tuvo mayor desarrollo, a principios de los 90´s un grupo de compañías se unieron para formar un consorcio y enfocar el desarrollo y acelerar la introducción de productos específicos interoperables que trabajasen con este protocolo. Las especificaciones desarrolladas por este consorcio se basaron en las originales definidas por ANSI y el ITU-T pero introdujeron facilidades adicionales para trabajar en entornos complejos de red. Posteriormente estas dos organizaciones normalizaron y ampliaron dichas especificaciones a las que se les conoce colectivamente como Interfaces de Dirección Local, LMI (Local Management Interface). Frame Relay es un protocolo de conmutación de paquetes orientado a conexión, que opera en las capas física y de enlace de datos, multiplexa estadísticamente la información, dividiéndola en paquetes o tramas de longitud variable, a velocidades que generalmente van desde 56Kbps hasta 2 Mbps, pero incluso puede llegar hasta 45 43 Mbps. La multiplexación estadística es una técnica utilizada en la tecnología de conmutación de paquetes, para controlar el acceso a la red haciendo un uso más flexible y eficiente del ancho de banda disponible. Como la mayor parte del tráfico que circula entre LAN´s es tráfico a “ráfagas”, es decir, que en un momento dado se transmite una gran cantidad de datos, los cuales requieren de todo el ancho de banda disponible seguido de momentos de inactividad o baja tasa de flujo de datos, un solo enlace o acceso a la red puede ser utilizado por varias aplicaciones e interfaces a la vez y enviar sus datos a destinos distintos, la múltiplexación estadística se vale de este fenómeno, alternando el envío de datos de las distintas interfaces y aplicaciones de acuerdo al flujo de datos de cada aplicación en un momento dado para hacer un uso dinámico del ancho de banda disponible. Frame Relay establece comunicación entre nodos o puntos finales por medio de conexiones lógicas llamadas Circuitos Virtuales. Estos circuitos son rutas lógicas bidireccionales que unen un equipo transmisor en un extremo y un receptor en el otro, el enlace puede ser punto a punto o una malla llamada comúnmente “nube”. Cada circuito virtual tiene una dirección asociada, que se define dentro de la trama, para que los dispositivos de la red determinen el destino de los paquetes o tramas. Los circuitos virtuales pueden ser de dos tipos: Circuitos Virtuales Permanentes, PVC (Permanent Virtual Circuits) y Circuitos Virtuales Conmutados, SVC (Switched Virtual Circuits), los cuales se definirán y explicaran mas adelante en el capitulo. Frame Relay es utilizado ampliamente hoy en día para interconectar LAN´s y transmitir trafico TCP/IP, IPX, tráfico asíncrono como SNA, voz e incluso como acceso a Internet. Su éxito consiste en que es un protocolo “rápido”, flexible y de bajo costo, además provee conectividad “todos con todos”, interfaces estándares y simplicidad en la gestión. Algunas de estas ventajas se explican a continuación:  Bajo costo. Ya que soporta múltiples aplicaciones como TCP/IP, SNA, voz, etc., no es necesario el uso de múltiples líneas privadas para soportar cada aplicación. 44 Además, el acceso a la red Frame Relay se logra a través de un único puerto o interfaz, para alcanzar diferentes destinos las aplicaciones utilizan puertos virtuales en lugar de puertos físicos reduciendo la cantidad de equipo necesario en cada sitio. Otro factor que contribuye a reducir los costos de comunicación es el uso dinámico del ancho de banda por medio de la multiplexación estadística.  Protocolo de Alta Velocidad y Bajo Retardo. La trama Frame Relay utiliza un “overhead” de solamente 2 a 5 bytes lo cual significa que la mayor parte del ancho de banda será utilizado para transportar mas datos de usuario y menos overhead. No existe retransmisión de mensajes, ya que el protocolo no incluye mecanismos para la corrección de errores ni control de flujo, por lo que los “delays” o retardos se reducen.  Flexible y escalable. Debido a que las conexiones físicas en las oficinas del usuario final son simples, (un solo puerto) y que la topología de la red puede ser cambiada fácilmente con solo agregar o quitar circuitos virtuales, para que un sitio se comunique con otro, las redes Frame Relay son más flexibles y escalables que las redes punto a punto, además existe la posibilidad de interoperar con otros protocolos como ATM. Las ventajas de Frame Relay sin embargo se obtienen si se cumplen dos condiciones importantes, que de no cumplirse afectan considerablemente el desempeño de este protocolo:  La línea de transmisión debe ser de muy buena calidad, es decir, libre de error. Frame Relay no funcionará eficientemente si la tasa de error del medio físico es alta.  Los nodos conectados a Frame Relay no deben ser terminales tontos, sino que deben ser nodos que corran sus propios protocolos de control de flujo y 45 corrección de errores, es decir, deben estar corriendo un protocolo inteligente de capa superior. 4.2 TRAMA FRAME RELAY 1 Bytes 2 Bytes Longitud Variable 1 Byte 2 Byte 8 7 6 5 4 3 2 1 8 7 6 5 4 3 2 1 1er Byte 2do Byte Figura 8. Detalle de la Trama Frame Relay La trama Frame Relay consta de los siguientes campos:  Flag: Bandera. Es un indicador que delimita el inicio y final de la trama. El valor de este campo es siempre el mismo y se representa por el número binario 01111110, o en hexadecimal 7E.  Dirección o Cabecera (Header): Llamado también Header o Encabezado, consta de los siguientes subcampos:  DLCI (Data Link Connection Identifier): Indentificador de Coneccion de Enlace de Datos. Es un campo de 10 bits utilizado para representar la conexión virtual entre dos equipos de una red Frame Relay, es la dirección del destino próximo. Este DLCI es único para cada conexión virtual dentro del mismo enlace o puerto físico. Sin embargo, en una nube Frame Relay (el termino nube es utilizado para referirse a una red grande de Flag Dirección INFORMACION FCS Flag DLCI C/R EA DLCI FECN BECN DE EA 46 dispositivos interconectados entre si, usualmente pertenecen al proveedor de servicios), los equipos finales o extremos pueden tener DLCI distintos, aunque hagan referencia al mismo circuito virtual, ya que este valor tiene un significado local, es decir, que son idénticos solamente entre dos equipos conectados a través del enlace físico local. Como este campo es de 10 bits se pueden multiplexar hasta 1024 circuitos virtuales por enlace físico. 976 DLCI’s están disponibles para los usuarios, del número 16 al 991, el resto se utiliza para administración de la red o están reservados.  C/R (Command/Response Field Bit): Bit de Campo Comando/Respuesta. Es un bit de aplicación específica, que no es modificable por la red. No está definido aun.  EA (Extended Address): Dirección Extendida. Es el ultimo bit (el menos significativo) de cada byte del Header o Campo de Dirección. Se utiliza para determinar o indicar si el byte al que pertenece es el ultimo del encabezado. Si el bit tiene el valor de cero indica una extensión al próximo byte, si el valor es uno indica que es el ultimo byte. Actualmente todas las implementaciones de Frame Relay utilizan encabezados de 2 Bytes, pero este campo permite utilizar encabezados de 3 y 4 bytes, lo cual permitirá expandir el número de direcciones DLCI.  FECN (Forward Explicit Congestion Notification): Notificación de Congestión Explicita hacia delante. Es un campo de un bit que se pone al valor de 1 para indicarle a un dispositivo terminal como un router que existe saturación o congestión en la red en la dirección de transmisión del origen al destino.  BECN (Backward Explicit Congestion Notification): Notificación de Congestión Explicita hacia Atrás. Es un campo de un bit que se pone al valor de 1 para indicar que existe congestión en la red en la dirección opuesta a la ruta de transmisión de origen al destino. 47  DE (Discard Eligibility): Elegible para Descartar. Es un bit que se utiliza para indicar que las tramas marcadas con el valor de 1 en este campo son de menor importancia en relación con otras que están siendo transmitidas y pueden ser descartadas en caso de congestión.  Campo de Información: Contiene información encapsulada de las capas superiores. Cada trama incluye este campo variable de hasta 8,000 bytes (por defecto es de 1,600 bytes) para transportar datos de usuario o “payload” (carga útil), llamado también PDU, Unidades de Datos de Protocolo.  FCS (Frame Check Sequence): Secuencia de verificación de tramas. Asegura la integridad de los datos transmitidos. Es un valor de comprobación de redundancia cíclica CRC 16, calculada en el dispositivo de origen y luego verificado en el destino, representa la suma del contenido total de la trama y se utiliza para verificar si la trama ha sido corrompida durante la transmisión. 48 4.3 FUNCIONAMIENTO DEL PROTOCOLO. 4.3.1 Circuitos Virtuales Como se definió al principio, Frame Relay opera con circuitos virtuales que representan la ruta de comunicación virtual bidireccional entre dos puntos, identificados por un DLCI único, estos circuitos virtuales pueden pasar por una serie de nodos intermedios dentro de la red antes de llegar a su destino final, y son de dos tipos PVC y SVC. A continuación se definirán cada uno de ellos. 4.3.1.1 PVC. Son conexiones establecidas en forma permanente que se utilizan cuando las transmisiones de datos son frecuentes y constantes entre dos nodos. Un PVC emula una conexión dedicada punto a punto, ya que este circuito siempre esta disponible, aun cuando no exista transferencia de datos, entonces se dice que el circuito está es estado “ocioso” (Idle). Los PVC son configurados por el operador de una red privada o un proveedor de servicios, se pueden adicionar o eliminar de acuerdo a los requerimientos de ancho de banda, nuevos sitios, rutas alternas o cuando alguna aplicación necesita que un puerto se comunique con otro. 4.3.1.2 SVC. Son conexiones temporales que se utilizan cuando se requiere una comunicación esporádica entre dos puntos de la red. Un SVC se establece dinámicamente solo cuando una petición de conexión es requerida, lo que se conoce como establecimiento de la llamada por demanda, se transfieren los datos y luego se da por terminada la llamada cuando ya no hay mas datos que transferir. También existen periodos ociosos como en los circuitos PVC pero solamente por un periodo determinado de tiempo, el SVC permanece activo. 49 4.3.2 Parámetros de Dimensionamiento de los PVC. Para definir un circuito virtual además de especificar el DLCI se especifican tres parámetros referente al ancho de banda y la cantidad de tráfico que se va a transmitir por los circuitos virtuales, el CIR, Bc y Be, que se definirán a continuación. Estos parámetros son precisamente los que en conjunto con la multiplexación estadística, el bajo overhead y la ausencia de excesivos mecanismos de control de flujo dan a Frame Relay sus características de eficiencia y bajo costo. 4.3.2.1 Tasa de Información Comprometida, CIR (Committed Information Rate) Se refiere a la tasa (en bits por segundo) a la cual la red (del proveedor de servicios ) se compromete, en condiciones normales de operación, a aceptar o transmitir desde el origen al destino. Esta velocidad es promediada sobre un mínimo intervalo de tiempo. Esta tasa de información del usuario está garantizada a ser transmitida a través del enlace. Si el servicio es proporcionado por un proveedor de servicios, el usuario pagará solamente por el ancho de banda especificado por el CIR. 4.3.2.2 Ráfaga Comprometida, Bc (Commited Burst Zise) Es la cantidad de bits transmitidos en el periodo T a la tasa CIR (CIR = Bc/T), en condiciones normales de operación. 4.3.2.3 Ráfaga en exceso, Be (Excess Burst Size) Se refiere a la cantidad de bits transmitidos en el periodo T por encima de la tasa CIR. Es tráfico en exceso que el proveedor transmitirá si hay ancho de banda disponible pero no garantiza transmitir en caso de saturación en la red. Las tramas por encima de Bc y por debajo de Be son marcadas con el bit DE activo, lo cual significa que serán descartadas si es necesario. Las tramas arriba de Be, son descartadas inmediatamente llegan al nodo de entrada. En la figura 9 se puede observar en que momento se descartan las tramas. 50 Precisamente esta es una de las ventajas de Frame Relay cuando el servicio es proporcionado por un proveedor, ya que el usuario pagará como ya se dijo antes solamente por el tráfico especificado por el CIR, el tráfico arriba por encima de esto es probable que se transmita si hay espacio en la red y es aquí donde el usuario obtiene el valor agregado. Figura. 9 Tramas descartadas Como se menciono al inicio de este capitulo, Frame Relay no implementa ningún mecanismo de control de flujo, ni corrección de errores; se basa en la hipótesis de que la línea de transmisión esta libre de errores, por lo cual básicamente deja estos dos procedimientos a los niveles superiores de los protocolos de las aplicaciones de usuario. En este sentido Frame Relay tiene una regla básica: si una trama tiene un error se descarta. Existen dos situaciones bajo las cuales las tramas se descartan:  por detección de errores en los datos y,  por congestión en la red. Los errores en los datos de la trama pueden deberse a ruido en la línea, básicamente las líneas análogas son muy propensas a ruido, aunque hoy en día este tipo de servicio 51 se ofrece sobre líneas digitales, con medios físicos de transmisión como fibra óptica, que está libres de interferencias electromagnéticas que producen el ruido, sin embargo, estas líneas digitales pueden tener errores por mal funcionamiento en los equipos de transmisión o interrupciones esporádicas cuando se utilizan medios de transmisión satelitales o radio enlaces. Los errores en la trama se detectan por medio del campo FCS. La congestión en la red puede deberse a dos razones, cuando un nodo de la red reciba mas tramas de las que puede procesar o cuando un nodo envía datos a una velocidad más alta de lo que la línea permite. Generalmente los nodos o equipos terminales cuentan con una cantidad de memoria de almacenamiento adicional llamada buffer, existen buffers de entrada en los cuales se almacenan las tramas entrantes mientras se procesan y buffers de salida en donde las tramas esperan ser enviadas. Cuando existe congestión en un nodo, estos buffers están llenos y no pueden aceptar mas tramas, entonces estas son rechazadas. 4.3.3 Señalización. La señalización dentro de Frame Relay esta definida en los estándares pero es opcional proveerla o no. La simplicidad del protocolo, la asunción de la calidad del medio físico y la inteligencia de las aplicaciones de usuario podrían ser condiciones, en ciertos casos, suficientes para un buen desempeño de la red, esto es, si la red esta bien dimensionada. Sin embargo, incluir estas facilidades proporcionan mejoras en el desempeño del protocolo. Los mecanismos de señalización en Frame Relay se utilizan para brindar información a los equipos terminales y de acceso acerca de:  Congestión en la red.  Estado de las conexiones.  Señalización de Circuitos Conmutados. 52 4.3.3.1 Gestion y Prevención de Congestión. La trama Frame Relay contiene tres campos destinados a informar acerca de la congestión, estos son: FECN, BECN y DE. Los dispositivos Frame Relay en si no implementan ningún mecanismo propio que reduzca la congestión, solamente se encargan de notificar que ésta existe y a lo sumo descartaran algunas tramas marcadas, no hay mecanismos de control de flujo. Como se ha venido mencionando, son las aplicaciones de usuario las que deben encargarse de este problema. En este sentido, existen dos inconvenientes, uno estriba en el hecho que esta notificación de congestión en Frame Relay es opcional y rara vez se ve implementada, por otro lado, y un poco como la causa de que estos mecanismos no se implementen, se debe a que los protocolos de redes LAN no contemplan en su diseño, el concepto de congestión, o de contemplarse, no se habilita. Además la toma de decisión y acción es, en todo caso, competencia del software de aplicación, sin embargo, el equipo de interfaz y de acceso a la red, que usualmente es un router multiprotocolo, no tiene ningún tipo de comunicación con el software de aplicación que genera el tráfico, y si tomamos en cuenta que la red descartará paquetes en caso de congestión, el protocolo de LAN responderá realizando mas retransmisiones, incrementando mas el tráfico y causando por tanto, el efecto contrario a la descongestión. Algunos mecanismos de control de flujo que utilizan los protocolos de capa superior son por ejemplo, el sistema Windowing de TCP/IP, este protocolo por ejemplo puede también detectar implícitamente la congestión al detectar un incremento del tiempo de respuesta o perdida de paquetes. Sin embargo, no existe normalización todavía que dicte que tienen que hacer los nodos y protocolos de capa superior para detectar, generar o interpretar estos campos de Frame Relay. 53 4.3.3.2 Los Bits FECN y BECN Aun así, los campos para aviso de congestión existen y están definidos en la trama Frame Relay por la especificación ANSI, T1.606 y la especificación ITU-T, I.370. Una trama con el bit FECN puesto en 1, indica al equipo receptor que existe congestión en alguna parte del circuito virtual del cual proviene la trama. Si el equipo receptor recibe una trama con el bit BECN puesto en 1, indica que la ruta por donde está enviando sus tramas, esta congestionado. En ambos casos, el dispositivo de acceso a la red debe informar al protocolo de capa superior de la congestión y es éste quien debe tomar acción, iniciando el control de flujo, es decir, disminuyendo las peticiones de datos al equipo emisor (cuando el bit FECN está en 1) o reduciendo su tasa de envío (cuando el bit BECN está en 1). 4.3.3.3 El Bit DE. Es el campo de un bit dentro de la trama Frame Relay utilizado para marcar ciertas tramas, (previamente escogidas por el tipo de aplicación) como descartables cuando sobrepasan el CIR. En caso de congestión en la red, estas tramas marcadas serán descartadas en primer lugar antes que otras que no estén marcadas. La trama se considera descartable cuando el bit está puesto en 1. 4.3.4 Acceso Físico a la Red. Generalmente el acceso a la red se logra a través de un equipo instalado en los puntos finales, el cual sirve de interfaz entre la red del cliente y la red Frame Relay. Este equipo cuenta con varios puertos en donde se conectan por ejemplo; la red LAN (un puerto Ethernet), la central Telefónica, un teléfono o fax. A este equipo se le denomina Dispositivo de Acceso Frame Relay, FRAD (Frame Relay Access Device). El acceso a la red Pública o enlace Frame Relay se obtiene por medio de un único puerto, generalmente una Interfaz Física V.35 (Winchester), donde se conecta un modem o un DSU/CDU, que enlaza el equipo del cliente, el VFRAD, el cual 54 generalmente se configura física y lógicamente como una interfaz DTE (Data Terminal Equipment), con el equipo del proveedor de servicios Frame Relay, configurado como un DCE (Data Communication Equipment). Figura 10. Ejemplo de Red Frame Relay. 4.4 RESUMEN. Frame Relay es una tecnología muy madura, a pesar que solo tiene un poco mas de 10 años de su implementación pero sin embargo, ha tenido una aceptación muy buena de parte de proveedores de servicio y usuarios finales. Su éxito se debe en parte a su relación rendimiento-costo, su escalabilidad y que puede coexistir y transportar otros protocolos. A pesar que es un protocolo no fiable, en el sentido que puede tener perdidas de tramas y no hará nada para recuperarlas, su comportamiento es mas predecible y ofrece una mejor eficiencia debido a su bajo overhead. 55 CAPITULO V TRANSPORTE DE VOZ SOBRE FRAME RELAY Tradicionalmente el transporte de voz y datos sobre el mismo enlace privado, se ha realizado por medio de enlaces dedicados TDM, en los cuales se asigna parte del ancho de banda total a la voz, que generalmente ha sido comprimida para ahorrar ancho de banda, que en este tipo de enlace suele ser muy costoso. Por otro lado, el ancho de banda (time slot) que se dedica a la voz, no puede ser utilizado por el tráfico de datos cuando no hay voz que transmitir y este espacio del enlace es desperdiciado. Frame Relay como se definió al inicio del capitulo utiliza la multiplexación estadística para un mejor aprovechamiento del ancho de banda disponible y cuando se transmite voz y datos sobre Frame Relay, el ancho de banda es utilizado dinámicamente, es decir, si no hay voz todo el ancho de banda puede ser utilizado por los datos y viceversa. Algunas especificaciones para el transporte de voz se encuentran definidas en el acuerdo de implementación del Frame Relay Forum FRF.11.1, este acuerdo define el formato de la trama y procedimientos para el soporte de aplicaciones que incluyen tramas de voz digitalizada, multiplexación de tramas, soporte de diversos formatos de compresión, transferencia de fax, etc. Además este acuerdo define lo que se conoce como anexos donde se especifica el soporte de los diferentes codec de compresión, modulación para fax, etc. Estos anexos de detallan en el apéndice 2 de la tesis. Al equipo que soporta una interfaz de voz se le llama VFRAD (Voice FRAD). Esta interfaz de voz puede ser un puerto con condiciones de recibir tramas de voz digitales provenientes de una tarjeta o puerto E1 de una central telefónica por ejemplo, o un puerto análogo E&M o puertos FXS/FXO a los cuales se puede conectar un teléfono o una troncal análoga. En todo caso el equipo debe compresionar la voz para economizar ancho de banda, además si el puerto es análogo debe digitarse la voz antes de poder transmitirla. 56 5.1 ESQUEMAS DE ENCAPSULACIÓN. Como se estudio en el capitulo 2, además de la voz propiamente dicha, existe una señalización antes, durante y después de establecer una conexión de voz entre dos sistemas telefónicos; por ejemplo, dígitos del número marcado, tonos DTMF, timbrado, detección de colgado, etc. Por lo tanto, esta señalización debe transmitirse íntegramente de un extr