FoneTchê: um sistema modular de telefonia por computador para serviços de voz sobre IP

Jorge Guedes Silveira <guedes@ee.pucrs.br>
Ricardo Balbinot <ricbal@geocities.com>
Paulo Lomando Nunes <nunes@ee.pucrs.br>

Faculdade de Engenharia
Departamento de Engenharia Elétrica- Programa de Pós Graduação em Engenharia Elétrica
Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul- PUCRS

Abstract
1. Introdução
2. O sistema FoneTchê de telefonia por computador
3. Plataforma de testes do protótipo de VoIP .
4. Conclusão
Referências bibliográficas

Abstract

In this paper it is presented a Computer Telephony System, called FoneTchê, capable of processing low delay Voice over IP (VoIP) on LANs and MANs networks for interactive communication. We have specified and validated a flexible architecture formed by several modules implemented in hardware, and software, all of them controlled by the same Communication Core. A later software module shall be added in order to allow reasonable performance when accessing the Internet voice users.

The authors are part of a Multimedia Team of the MetroPoA (Rede Metropolitana da Grande Porto Alegre) Consortium that is a ReMAV3 project sponsored by the Brazilian Agencies CNPq (Conselho Nacional de Pesquisa) and RNP (Rede Nacional de Pesquisa) where they have developed, implemented and tested all of the hardware and software related to the prototype described in this paper.

The whole Computer Telephony System (CTS) has been designed following four functional incremental steps.

In the first version of the Voice-over-IP application it was implemented a LAX IP (Lan Automatic eXchange via IP) function which is a routing module capable of allowing intranet telephone communication between LAN or MAN terminal users. This way of communication is similar to the telecom PAX (Private Automatic eXchange) service.

A second module for the new version of the FoneTchê Computer Telephone System has already been implemented and tested. It is the MABX IP (Man Automatic Branch eXchange via IP) module that has, in a MAN network, a similar role as a PABX (Private Automatic Branch eXchange) in a Private Corporate Telephone Network [3]. It allows automatic telephone communication between intranet users and also interconnectivity to the Public Switched Telephone Network (PSTN) via an Interworking Unit (IWU) named E1 Gateway in this paper.

The last version of the FoneTchê prototype, already tested, is now operating experimentally on the MetroPoA testbed but only with one output branch. In the Client side a single and efficient hardware solution has been adopted by using only an electreto's monophone lied to an adapted P2 connector cable in such a way that it can be used with any available commercial soundboard.

The Communication Software can be used for any PC voice client in order to allow him to talk directly to intranet users without the need of the Communication VoIP Server intervention. The Server is only triggered when a gateway function to others networks, or when a multicast, or teleconferencing, is needed.

The third version of the Computer Telephony System is nowadays on an advanced stage of development. It aims to transform the FoneTchê application in an IP Call Center System capable of being a Multimedia Call Processing Engine by adding an appropriated Relational Data Base and some new functions capable of integrating, via SMTP, all messaging services like, for instances, e.mail, fax and voice mails. Additional management modules shall be developed in order to create some statistical output data as, for instance, input and output calls, speech duration time, preview and processing dialing as well as automatic reports from the data base.

The specified modules implemented in phase 1 and 2 of the software application were designed aiming to take full advantage of the high speed characteristics of local and metropolitan ATM based, or ethernet based, networks. For this reason a new web module will be added to the final architecture for allowing better communication performance when using the Internet network.

Finally in the forthcoming 4th stage of the design methodology, the VoIP application will have an optional Videophone mode of operation. In this mode of operation the application shall be processing synchronized audio, data and video signals, and the original Voice-over-IP application shall give place to a Multimedia-over-IP Communication Platform.

The trial prototype is now operating in the MetroPoA testbed with phase 1 and 2 functionalities already implemented and it might be available for demonstration during the RNP2 Workshop.

1. Introdução

A integração de serviços de telefonia com a rede privada e pública de dados abre possibilidades de comunicação mais abrangentes tanto em termos geográficos, de novos serviços como de novas tecnologias. Comprova-se uma introdução crescente de diferentes soluções de voz-sobre-IP que visam inicialmente a troca de informações inter e intra redes via os canais de dados existentes nas redes corporativas. O ingrediente chave desta integração está em um protocolo de informação comum adequado aos diferentes transportes, o Internet Protocol(IP). O IP possui instalações a nível mundial, permitindo no plano teórico, a implementação de serviços de voz, sem que seja necessário promover a migração das placas de rede do usuário corporativo .Não interessa se estaremos trabalhando com o overhead devido ao protocolo de transporte UDP, se estaremos processando IP diretamente sobre ATM ou SDH o importante é .que em termos de conectividade, e roteamento, o IP atualmente se projeta em escala global [1].

A utilização, para comunicação, de uma plataforma aberta como a de microcomputadores e de redes locais e metropolitanas que, diferentemente das tecnologias proprietárias utilizadas pelos fabricantes de PABX, utilizam protocolos padrões [3, 7, 10], abre a perspectiva de desenvolvimento, nas Universidades e na Indústria, de um sem número de novas aplicações sobre IP. O uso de arquiteturas padrões viabiliza o desenvolvimento de soluções desde multifornecedores.

Muito embora seja fácil de administrar e expandir uma rede de clientes, além de ser muito mais barata, no nosso ponto de vista a maior vantagem apresentada pela integração das infra-estruturas de telefonia e de dados é o seu real potencial para novas aplicações.

Além disso a indústria de rede de dados evolui mais rapidamente do que a indústria de PABX [4]. Os custos dos produtos de telefonia sobre IP seguirão a evolução dos produtos de dados declinando com o aumento do grau de funcionalidade através do uso de integração de produtos mais avançados e a tecnologia de nova geração. Isto irá dirigir o custo de propriedade de um sistema de telefonia IP para custos inferiores aos dos sistemas tradicionais [6].

Consequentemente dentro do contexto descrito acima nós optamos por desenvolver uma solução original com a implementação de um serviço de voz-sobre-IP eficiente e de baixo custo denominado Fone Tchê.

Na extremidade do Usuário a aplicação necessita de um monofone de eletreto além do software de comunicação VoIP desenvolvido para utilizar qualquer placa de som a qual atualmente é encontrada na maioria dos micros residenciais ou comerciais. Um cabo apropriado deve ser adaptado com conectores P2 de modo a permitir a ligação de monofone com a placa de som. O Servidor de Comunicação, utilizado como Call Center para chamada direta ao ramal, também foi projetada uma função de interconexão (Gateway) e uma placa de interface E1 cujo objetivo principal é de interfacear a MAN com a Rede Telefônica Pública Comutada(RTPC). O Gateway realiza as funções Dialler, de converção de voz e sobretudo as funções de interconexão com a rede WAN numa interface de transmissão plesiócrona E1 a 2.048 Mbps.

Consideramos importante que novas tecnologias e novos serviços possam se adaptar a uma infra-estrutura básica existente, compartilhando os meios de transmissão. Portanto aplicações capazes de integrar voz , dados e vídeo são fundamentais para as redes de dados e de telecomunicações do futuro . Entretanto, embora a rede IP seja uma realidade tecnológica, para tornar-se viável do ponto de vista econômico será necessário que o ambiente corporativo seja dimensionado para suportar novos serviços sem comprometer o fluxo de dados [4]. Ha expectativas de que os provedores de acesso irão poder se habilitar a este tipo de serviço [9], e portanto os serviços de telefonia que hoje trafegam na rede pública, poderão também ser roteados de um provedor a outro pela Internet2, a partir do estabelecimento de parcerias entre eles.

Um outro problema enfrentado, refere-se ao controle da variação de "delay" [2] para evitar que o pacote de voz chegue na outra ponta da conexão com atraso acima das taxas de 100 a 200 ms, recomendadas por organismos internacionais de padronização para serviços interativos

2. O sistema FoneTchê de telefonia por computador

O serviço de voz-sobre-IP , FoneTchê, foi dividido em duas versões:

A aplicação VoIP Cliente;
O Servidor VoIP de Comunicação.

A aplicação VoIP cliente é constituída de um pacote formado por um conjunto hardware-software (Figura 1), onde o hardware é formado apenas por um monofone de eletreto e um cabo adaptado com conectores P2 de modo a permitir a ligação do monofone á placa de som do microcomputador. Qualquer alto-falante (Speaker) pode ser utilizado para fornecer o sinal de chamada (Ring).

A aplicação Software do cliente foi estruturada nos seguintes módulos: interface gráfica ao usuário, controles de captura e reprodução de áudio, um controle central de gerenciamento, um módulo de compressão dos dados, módulos de sessão, transporte e transmissão dos dados.

O cliente foi desenhado de modo a permanecer residente e dormente, possibilitando a melhor utilização da capacidade de processamento instalada. A transmissão de dados via UDP, com possível utilização do RTP [5], possibilita o mínimo delay entra a origem e o destino. Requisitos de banda variam de acordo com a compressão utilizada, limitando-se a 64 Kbps no caso não comprimido ( exceção feita aos overheads do IP e UDP). As necessidades da aplicação são mínimas: qualquer processador Pentium compatível, com sistema operacional no padrão Win32, mínimo 8Mb RAM, com placa de som instalada no sistema.

Figura 1 - Arquitetura hardware do Cliente VoIP .

O servidor VoIP de Comunicação é constituído de um conjunto de módulos software (Figura 2) e de um Gateway formado por uma Unidade de Interconexão (IWU) e por uma placa E1 atualmente em desenvolvimento (Figura 3).

As principais funções do servidor VoIP de comunicação são realizadas pelos módulos LAX IP , módulo MABX IP, módulo Centro de Telefonia IP, módulo Dialer , módulo IWU e pelo módulo de áudio.

A função LAX IP (Lan Automatic eXchange via IP) permite chamadas de telefonia IP ramal-a-ramal intra rede, entre todos os microcomputadores das redes locais interconectados por uma MAN. O funcionamento é análogo aos equipamentos de PAX em telecomunicações .

A função MABX IP (Man Automatic Branch eXchange via IP ) realiza funções similares as de um PABX IP permitindo, além do roteamento intra rede, a comutação e conversão de chamadas de telefonia sobre IP para uma Rede Pública de Telefonia Comutada (RPTC) através de uma unidade de interconexão (IWU: Inter Working Unit ) desenvolvida no âmbito do projeto juntamente com uma placa E1 (Figura 3 ) . O protótipo atual do Gateway está operacional porém funcionando experimentalmente com apenas um tronco de saída.

Figura 2 - Arquitetura funcional dos módulos

Figura 3 - Arquitetura Hardware do Servidor de Comunicação .

3. Plataforma de testes do protótipo de VoIP .

O aplicativo FoneTchê de voz sobre IP, atualmente em funcionamento, implementa todas as funcionalidades descritas nas fases 1 e 2 de projeto.

O Gateway experimental atualmente realiza a interconexão da MAN com a Rede Telefônica Pública WAN com apenas um tronco. No entanto a placa E1 em desenvolvimento permitirá um acesso simultâneo a rede WAN até 30 conexões telefônicas em tempo real.

Figura 4 - Cenário da Plataforma de Teste do Serviço de VoIP na ReMAV de Porto Alegre

Na Figura 4 anterior é representado de forma geral o ambiente implementado na PUCRS com o diagrama real de conexão dos equipamentos atualmente instalados, que serviram como plataforma de testes para o serviço de VoIP. Os switches ilustrados na figura se referem aos equipamentos IBM recebidos no âmbito do convênio RNP/CNPq sob o amparo da lei 8248.

Especificamente na Figura 4 é mostrado o switch ATM 8265 (155 Mbps) conectando o nó da PUC ao anel lógico do backbone metropolitano da rede Metropoa. O switch ATM local 8285 (25 Mbps) estabelece conexões com parte dos microcomputadores do Laboratório Metropoa e com outros computadores do Laboratório de Telecomunicações. As placas de redes ATM 25 Mbps dos micros estão configuradas em LAN emulation (LANE). Finalmente ao 8285 também estão conectados, em fibra óptica multimodo, um switch Ethernet 8271 e uma estação IBM Risc 6000.

MetroPoA [8] é o nome designado para a ReMAV (Rede Metropolitana de Alta Velocidade ) da Grande Porto Alegre . Ela tem uma estrutura física de fibras ópticas cuja arquitetura em estrela tem seu centro na concessionária de Telefonia Pública do Rio Grande do Sul (CRT) e cinco pontas conectadas via fibra óptica, single mode, aos demais parceiros do projeto que são PUCRS (Pontifícia Católica do Rio Grande do Sul), UFRGS (Universidade Federal do Rio Grande do Sul), Procempa (Centro Computacional do Município), Procergs(Centro de Processamento de Dados do Estado) e Unisinos(Universidade do Vale dos Sinos) sendo esta última situada em outro município a 40 Km do centro da estrela.

Atualmente todos os parceiros estão operacionais desenvolvendo e testando aplicativos de gerência ou de serviços banda-larga sobre essa rede.

4. Conclusão

A versão atual do Sistema de Telefonia por Computador baseado na transmissão de Voz sobre IP (FoneTchê ) apresenta excelente qualidade de voz, com uma interface gráfica intuitiva o que simplifica a sua operação, permitindo ainda o atendimento a várias chamadas paralelas além de nas comunicações intra redes poder funcionar independentemente do Servidor VoIP de Comunicação.

A sua compressão de voz é baseada no padrão G.723 o que viabiliza a utilização da voz em redes corporativas.

Atualmente estão sendo desenvolvidos novos módulos para permitir chamadas e conexões multimídia além do desvio automático ao correio de voz. Também o módulo para conexão Internet está sendo desenvolvido com funções de "Call Button". Quando um usuário internet estiver navegando em determinadas páginas www e desejar falar com alguém registrado no anuário basta teclar o botão Call-me. Através do navegador é executado um applet JAVA onde o Gateway é avisado e se prepara para as seguintes possibilidades:

O agente liga através do Protocolo IP, ou para
Uma chamada direta do Cliente.

Como aprimoramento futuro do atual Sistema de Telefonia sobre IP foram vislumbradas duas funções importantes para serem desenvolvidas na continuidade do protótipo atual:

A Função de Centro Automático de Telefonia sobre IP, a ser implementada sobre o Servidor VoIP de Comunicação, que permitirá a discagem direta ao ramal de qualquer usuário da rede.
A Função de Vídeophone que permitirá processar e transmitir sinais de vídeo comprimido sincronizados com os sinais de voz da aplicação atual de VoIP [7, 10].

Na realidade estas duas funções integradas a um serviço de mensagens já se encontram atualmente em fase de especificação pelos autores.

Paulo Lomando Nunes – Prof. Dr. do PPGEE, Programa de Pós-Graduação em Eng. Elétrica, da PUCRS.

Ricardo Balbinot – Mestrando de Engenharia Elétrica do PPGEE - PUCRS.

Jorge Guedes Silveira – Bolsista DTI do CNPq para o Projeto MetroPoA.

Referências bibliográficas

[1] JAQUES, P. A. Técnicas de Disponibilização de Informações através da INTERNET em Vista da Educação à Distância. Porto Alegre, 1997.

[2] CRAY, Andrew . Voice Over IP- Abril 1998 - www.data.com,

[3] CRAY, Andrew . IP PBX's: Open Questions - Março 1999 - www.data.com,,

[4] CISCO Systems. Enterprise IP Packet Telephony Solutions Guide - Março 1999 - www.cisco.com

[5] SCHULZRINNE, H. RTP: A Transport Protocol for Real-Time Applications. [s.l.], 1996. RFC 1889.

[6] Network Computing. VoIP - Março e Abril 1999 - www.networkcomputing.com.br

[7] ITU-T. H323: Packet Based multimedia communications systems. ITU-T Recommenadtion H.323, 1998.

[8] Metropoa-PUCRS. http://www.ipct.pucrs.br/metropoa.

[9] SHARDA, N.K. Multimedia Information Networking. [s.l.]: Prentice-Hall, 1999.

[10] ITU-T. H323: Packet Based Multimedia Communications Systems. ITU-T Recommenadtion H.323