Executive Summary

WHITE PAPER
Voce su IP –
La vostra rete e’ pronta ?
Servizio di classe operatore
Ricordate l’ultima volta che avete chiamato la vostra compagnia telefonica per ringraziarli
dell’affidabilita’ del servizio fornito ? Questo livello viene ormai dato per scontato, considerando che
gli operatori pubblici hanno un obiettivo di affidabilita’ pari al 99.999%. Il raggiungimento di questo
valore e’ la sfida odierna sul mercato del VoIP (Voice over IP). Con l’attuale migrazione dei servizi
verso IP, e’ possibile pensare di raggiungere un servizio di classe operatore ?
Cosa definisce una classe operatore ? Tra i vari dati statistici, un servizio di vera classe operatore
include l’affidabilita’, la disponibilita’ e la scalabilita’. Un servizio caratterizzato da “cinque 9” ammette
un disservizio pari a 6 secondi alla settimana. In un ambiente VoIP e’ necessario aggiungere
sicurezza, gestione ed interoperabilita’, fattori addizionali necessari alla trasmissione della voce su
collegamenti di rete su cui viaggiano anche i dati. Una comunicazione vocale deve poter garantire la
capacita’ necessaria dall’inizio della conversazione fino alla sua conclusione.
Definizioni
La latenza rappresenta un ritardo causato dalla trasmissione effettiva, ovvero il tempo che intercorre
dall’emissione del segnale all’istante in cui viene ricevuto all’altro estremo del collegamento.
Un’elevata latenza per un collegamento voce obbligherebbe ciascun parlatore a dichiarare al proprio
interlocutore la conclusione di ciascuna frazione di dialogo (il noto “passo” degli walkie-talkie). Nelle
reti voce un ritardo inferiore a 150 ms viene considerato accettabile.
La perdita di pacchetti e’ un altro fattore inaccettabile nelle trasimissioni voce, in cui un Codec
trasforma le onde vocali in pacchetti che vengono poi inseriti nel flusso trasmissivo sulla rete. I
campioni sono tipicamente della durata di 20 ms, per cui una perdita superiore all’1% portera’ ad un
degrado eccessivo della conversazione. Tale fenomeno si verifcia dipicamente su reti congestionate,
sovraccariche o con elevato “burst”.
Il jitter e’ un altro ostacolo per la qualita’ della voce. La variazione nel ritardo con cui ciascun
pacchetto viene ricevuto provoca una ricezione disordinata dei pacchetti. Cio’ implica la necessita’ di
realizzare un buffer presso la stazione ricevente per poter compensare il jitter. TCP/IP utilizza diversi
\falgoritmi di instradamento per la consegna dei vari pacchetti. Per consentire al sistema VoIP di
funzionare correttamente, una particolare attenzione va data non solo ai percorsi di rete, ma anche
alla capacita’ ed alla “salute” della rete: un jitter eccessivo rende la conversazione indecifrabile. I
nuovi switch di layer 3 ovviano a questo problema permettendo di segmentare i diversi livelli di
priorita’ del traffico.
Gli errori di sequenza si evidenziano quando alla stazione ricevente pervengono pacchetti in ordine
diverso rispetto alla sequenza definita nei datagrammi di trasmissione. Congestione di rete, problemi
negli apparati o nel sistema di cablaggio portano a frequenti ritrasmissioni ad a ricezioni fuori
sequenza, con conseguente percepibile degrado nella conversazione.
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Una volta noti i fattori sopra descritti, e’ necessario progettare con attenzione una rete VoIP. L’unita’
di misura tipica del traffico voce e’ l’Erlang (dall’ingegnere danese che per primo analizzo’ la teoria
delle code), valore che esprime il numero di chiamate in un minuto per un determinato circuito
moltiplicato per la durata delle chiamate. Questo valore include i tentativi e le attese piuttosto che
l’occupazione per altre chiamate del canale trasmissivo. I segnali voce digitali vengono compressi, il
che consente ad un singolo canale di trasportare multiple linee di traffico. I dati statistici in Erlang si
ottengono tipicamente dal PBX o dal software di gestione delle chiamate. Nel dimensionamento di
una rete e’ necessario definire una banda adeguata per poter instradare il massimo numero di
chiamate previste sulla rete. Un’analisi di traffico ne evidenzia l’elevato grado di dinamicita’ in
funzione degli orari.
Throughput garantito
In un tipico pacchetto IP che trasporti solo dati la trasmissione sulla rete avviene in maniera piuttosto
semplice; il pacchetto viene formato, inviato e ricevuto e piccoli ritardi o ritrasmissioni sono del tutto
accettabili. Non cosi’ nel caso della voce, in cui diventa necessario definire per i vari pacchetti un
meccanismo di attribuzione di priorita’ diverse. Cio’ avviene mediante la definizione di un bit detto
QoS (Qualita’ del Servizio) all’interno dell’header IP. Tutti gli header IP hanno un byte detto TOS
(Type of Service), costituito alcuni anni fa all’interno del protocollo e piu’ recentemente ridefinito come
DCSP (DiffServe Code Point). QoS e’ un termine che si riferisce a parametri utilizzati sia per la
trasmissione con connessione diretta (TCP), sia per la trasmissione senza connessione diretta (IP),
al fine di definire parametri prestazionali per la qualita’ trasmissiva e la disponibilita’ del servizio.
Include il massimo ritardo, il throguhput e la priorita’ dei pacchetti trasmessi. I primi bit del byte ToS
vengono modificati allineandoli con l’informazione di tipo QoS. La sintassi e’ specificata dallo
standard H.323 (ITU-International Telecommunications Union) che definisce il trasporto delle
comunicazioni audio, video e dati in una rete IP. Queste trasmissioni possono includere servizi di tipo
CCTV, videoconferenza, VoIP eccetera. Sono in corso di definizione nuovi standard che utilizzano
protocolli di tipo SIP (Session Initiation Protocol), MGCP (Media Gateway Control Protocol),
Magaco/H.248 che verranno brevemente descritti in questo articolo.
In una conversazione telefonica su rete pubblica PSTN
(Public Switched Telephone Network), nel momento in cui
una persona compone un numero viene costituito un
circuito tra il telefono chiamante e quello ricevente. Questo
circuito rimane disponibile per l’intera durata della
conversazione (anche durante gli istanti di silenzio), fino
all’istante in cui il ricevitore viene riappeso. Nelle
trasmissioni IP non esiste intrinsecamente un circuito, i
pacchetti vengono instradati lungo la rete verso la stazione
ricevente. Se la chiamata deve uscire dalla rete, la
conversazione verra’ nuovamente instradata verso un punto
in cui un PBX o un Gateway trasferiranno la chiamata su
rete PSTN classica. Il Gateway si accompagna tipicamente
ad un Gatekeeper che attribuisce priorita’ superiore al
traffico voce e video per garantire il livello necessario di
qualita’ al ricevente.
Se una rete avesse un potenziale illimitato di banda disponibile, la Qualita’ del Servizio non
costituirebbe un problema. Le reti attuali, tuttavia, vedono la trasmissione di documenti, applicazioni,
email, processi di backup ed una miriade di altri dati. L’inserimento di servizi voce richiede una certa
attenzione: per definire la QoS in un sistema e’ necessario focalizzarsi sulla struttura del frame. Le
applicazioni e gli apparati devono essere in grado di definire e comprendere il bit QoS, piuttosto che
riconoscere i diversi meccanismi di trasferimento nel caso in cui si utilizzino altri standard. Sarebbe
infatti inutile aumentare la capacita’ di un sistema se non vi fosse la possibilita’ di definire le priorita’
dei vari processi da parte degli apparati, tipicamente router.
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“Vigili” del traffico
Attualmente sul mercato sono presenti numerose applicazioni chiamate “traffic shapers”. Queste
agiscono in maniera molto simile ad un vigile urbano, rallentando il traffico meno importante e dando
priorita’ di movimento ai datagrammi con priorita’ superiore. Il problema di queste applicazioni e’ il
fatto che rappresentano un punto di debolezza della rete. Possono infatti avere problemi di scalabilita’
nel caso di reti dotate di un certo numero di apparati. Router e switch di Layer 2 all’interno di una rete
in grado di distinguere questo bit potranno fornire ridondanza e nel prossimo futuro capacita’ di
multicast. Per gli switch di Layer 2, la IEEE ha sviluppato due standard (802.1p e 802.1q) orientati a
definire la qualita’ del servizio.
Uno switch di Layer 2 conforme alla 802.1p e’ in grado di raggruppare pacchetti LAN in base alla
classe di traffico all’interno del livello MAC. Esistono otto classi definibili dagli amministratori di rete in
base alle specifiche applicazioni. La priorita’ di livello sette e’ la superiore e viene normalmente
utilizzata per la comunicazione tra router e per l’informazione relativa ai percorsi all’interno della rete.
VoIP, videoconferenza ed altre applicazioni sensibili al ritardo utilizzeranno valori tra cinque e sei. I
numeri inferiori vengono utilizzati per altri tipi di traffico per arrivare ai livelli con bassissima priorita’.
Questi switch devono poter distinguere anche traffico di tipo multicast. Nella mappatura delle
applicazioni, un valore pari a zero significa che non e’ stato attribuito alcun livello di priorita’.
Tocca agli amministratori di rete determinare i valori di questi bit nelle proprie applicazioni. Con i
nuovi switch di Layer 3 e le funzioni di routing questa operazione puo’ essere eseguita a livello di
indirizzo all’interno delle tabelle di routing riducendo o eliminando la necessita’ dei traffic shapers
piuttosto che di complesse tabelle di mappatura. Lo standard 802.1q consente agli amministratori di
rete di frazionare reti LAN di grandi dimensioni in segmenti piu’ ridotti o VLAN (Virtual Local Area
Networks).
DiffServe – un’altra tecnica di QoS
Un altro metodo per definire il QoS e’ tramite il bit DiffServe (Differentiated Services), un
meccanismo migliore basato sulla progettazione. I primi bit del byte TOS o campo DSCP (DiffServe
Code Point) nell’header IP vengono fissati utilizzando uno dei tre meccanismi di salto. Con “salto” si
definisce il movimento di un pacchetto da un punto di inoltro ad un altro (router-router, router-switch
eccetera). Il vantaggio di questo bit e’ che viene riconosciuto da tutti gli apparati di Layer 3 in tutta
internet, inclusi i router e gli switch, consentendo cosi’ al traffico di avere diversi percorsi fino alla
destinazione finale. Questo bit viene fissato come richiesta dall’applicazione iniziale. Per poter
assicurare la qualita’ necessaria su tutto il percorso, i router e gli switch dovranno adeguarsi a questo
valore prefissato e inoltrare coerentemente i pacchetti. Il bit puo’ essere azzerato in ciascun dominio
all’ingresso del pacchetto.
Esistono cinque categorie di servizio previste nei DiffServe Code Points:
1. Relative Priority Marking
2. Service Marking
3. Label Switching
4. Integrated Services/Resource Reservation Protocol
5. Static per-hop Classification
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Altri standard
SIP – Session Initiation Protocol
SIP, proposto da IETF (Internet Engineering Task Force in RFC 2543) e’ un protocollo di livello
applicativo finalizzato al superamento delle limitazioni di H.323 QoS e DiffServe descritte
precedentemente. H.323 opera in maniera “connectionless” dove non viene creata una sessione o un
circuito end-to-end per tutta la durata della conversazione. SIP regola le sessioni e include le
capacita’ di identificazione, disponibilita’, redirezione e multiconferenza all’interno del livello 7
(Applicativo) della pila OSI. Permette inoltre l’interoperabilita’ tra i gateway VoIP, i PBX e gli altri
sistemi di comunicazione, con una scalabilita’ nettamente superiore. Questo risultato si ottiene
mediante protocolli quali RSVP (Resource Reservation Protocol), RTP (Real-time Transport
Protocol), RTSP (Real-time Streaming Protocol), SAP (Session Announcement Protocol) e SDP
(Session Description Protocol).
Questo protocollo ha un overhead inferiore, riutilizzando la stessa informazione di header da HTTP.
Essendo di tipo connection oriented, le conversazioni di tipo multicast, unicast e le altre dipendenti
dalla connessione diventano molto piu’ affidabili rispetto al solo utilizzo di QoS. Il name mapping e la
ridirezione sono integrati nel protocollo, rendendo possibile un unico URL (Universal Resource
Locator). Diviene quindi possibile comporre il numero di telefono di una persona digitandone
l’indirizzo e-mail.
MGCP – Media Gateway Control Protocol
Questo standard e’ proposto da IETF all’interno del RFC 2705 per la convergenza dei segnali audio
trasportati su rete pubblica verso datagrammi trasportati su internet. Si rivolge al modo in cui i MGC
(Media Gateway Controller) ed i Media Gateway colloquiano utilizzando un protocollo di tipo SGCP
(Simple Gateway Control Protocol) combinato con IPDC (IP Device Control). La configurazione e’ di
tipo master/slave e si prevede che questo standard verra’ sostituito da Megaco/H.248
Megaco/H.248
Questo standard e’ sponsorizzato sia dallo Study Group 16 di ITU-T e da un sottolivello dell’IETF
denominato Megaco. Esso specifica i protocolli per tutti gli apparati di rete e divide le funzioni di
gateway in sottocomponenti. Permette inoltre agli apparati di rete di funzionare con i sistemi di clock
presenti sulla rete pubblica, fornendo quindi tecniche piu’ abbordabili di commutazione.
Voce su IP – la vostra rete e’ pronta ?
Non e’ possibile dare una risposta rapida a questa domanda. La prima cosa da farsi e’ pianificare,
definendo le proprie necessita’, lo stato di salute della propria rete e dell’infrastruttura, il vendor con
cui si intende collaborare e le priorita’ delle applicazioni che saranno presenti sulla rete. La
migrazione verso VoIP e’ paragonabile alla costruzione di una casa; il risultato finale non sara’
soddisfacente se il progetto non e’ buono, ma anche il miglior progetto risentira’ dell’eventuale
incompatibilita’ tra i materiali. Non si tratta solo di inserire un sistema di VoIP su una rete esistente,
puo’ evidenziarsi la necessita’ di sostituire apparati obsoleti, in particolare se esistono punti di
concentrazione sulla rete dovuti a mancanza di “intelligenza” e a tecnologia antiquata. Potrebbe
essere necessario sostituire le piu’ vecchie versioni degli switch di livello 2 e 3 qualora non fossero in
grado di instradare correttamente i vari pacchetti.
Sara’ inoltre necessario prendere in considerazione quanto i vostri sistemi sono aperti, per consentire
la connessione alla rete da parte di diverse tipologie di telefono. Cio’ implica vantaggi economici nel
caso di aziende con piu’ sedi in diverse nazioni. La telefonia IP e’ un servizio pressocche’ gratuito,
rendendo particolarmente interessante il ritorno sull’investimento. Potrebbe essere utile verificare con
il proprio gestore quali tipi di servizi VoIP prevedono nell’immediato futuro. Alcuni operatori tendono a
diventare ELEC (Ethernet Local Exchange Carrier), eliminando cosi’ la necessita’ da parte dell’utente
di dotarsi di un gateway verso la rete pubblica. In questo caso diviene fondamentale conoscere il tipo
di standard cui l’operatore intende attenersi.
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Analizzate la vostra infrastruttura
Anni fa, qualunque applicazione poteva viaggiare su un cablaggio di Categoria 5 ed i telefoni
operavano su soluzioni di Categoria 3 o addirittura inferiore. L’infrastruttura divenne un’entita’
installata e dimenticata nell’ambiente di rete, tranne nei casi di espansioni o guasti. I vendor di
apparati spesso definiscono una certa categoria per le soluzioni in rame o in fibra, ma spesso ci si
dimentica che non tutta la connettivita’ ed i cablaggi di rete si equivalgono. Inoltre, una rete puo’
essere fragile a causa di una installazione non adeguata o di bassa qualita’. Per fare un’analogia,
un’auto particolarmente veloce e lussuosa non potra’ durare a lungo su un circuito dissestato e non
sara’ ovviamente in grado di raggiungere la velocita’ massima. Cio’ vale anche per la vostra rete.
Le nuove installazioni partono gia’ dalla Categoria 6 e la Categoria 7 e’ gia’ disponibile. Ai sistemi
10G in fibra si stanno per affiancare i sistemi 10G in rame. Per ulteriori informazioni su questi
standard e’ possibile visitare il sito www.siemon.com , trovando informazioni sulle soluzioni 10G ip.
Il numero delle applicazioni che la vostra rete dovra’ essere in grado di supportare cresce
quotidianamente, ed il risparmio possibile le rende sempre piu’ popolari. Quali passi intraprendere ?
Dapprima, sarebbe utile un’analisi del vostro cablaggio da parte di un installatore certificato. Le
terminazioni, i percorsi dei cavi, le etichettature dovrebbero essere conformi a tutti gli standard
internazionali di riferimento. Un buon analizzatore di protocollo o di rete puo’ identificare gli eventuali
problemi e verificare che la vostra rete sia conforme agli standard attuali; in alcuni casi aziende che
hanno scelto anticipatamente tecnologie emergenti si sono ritrovate soluzioni non a standard.
Inoltre e’ necessario analizzare lo stato degli apparati di rete, verificando che siano in grado di
identificare QoS, DiffServe o qualunque meccanismo venga utilizzato dal vostro sistema VoIP. Il
fornitore di apparati dovrebbe essere in grado di supportare questa attivita’, alleggerendo la banda da
protocolli troppo onerosi e inutili. Infine, come fattore piu’ importante andra’ prevista un’attivita’ di
monitoraggio del servizio, una volta attivato.
Considerando comunque che non vi sono alternative ad una corretta pianificazione e ad un’adeguata
amministrazione di rete, non bisogna certo dimenticare quanto sia opportuno investire in apparati,
connettivita’ e cablaggio di livello tale da garantirsi per il futuro un’operativita’ senza problemi.
The Siemon Company
The Americas
Watertown, CT USA
Phone (1) 860 945 4200
Europe/Middle East/Africa
Surrey, England
Phone (44) 0 1483 480040
Italy
Via Senigallia, 18/2 – 20161 Milano
Tel (39) 02-6467.2209