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Voice over IP (VoIP)

a cura di Giosue' Bandini, Lorenzo Bigagli, Marco Santini

Revisori: Maurizio Lunghi, Franco Pirri

1. Introduzione alla Telefonia su IP network (VoIP)

La trasmissione di voce in tempo reale su di una rete IP, conosciuta anche come Voice over IP (VoIP), sta attirando molta attenzione da parte di tutte le realtà interessate ad investire nelle nuove tecnologie emergenti di Internet. La "International Data Corporation" prevede che il mercato della telefonia in rete crescerà da un equivalente di 65 miliardi di lire per il 1997 ad una quota di circa 1200 miliardi per il 1999. Nel frattempo l'agenzia inglese "Tarifica" stima per il 2001 una perdita compresa tra 1000 e 2000 miliardi nelle chiamate internazionali gestite dall'AT&T a favore della telefonia in rete.
Il motivo di una tale attrazione e di così ottimistiche previsioni intorno al fenomeno VoIP è da ricercare nella potenziale riduzione in termini significativi del costo delle comunicazioni vocali a lunga distanza. In più la telefonia IP apre la strada a nuovi e avanzati sistemi in aggiunta alla comunicazione verbale quali il Video conferencing, l'application sharing, e il white-boarding, capaci di rivoluzionare l'interazione e l'operatività a tutti i livelli.
Gli ultimi mesi hanno inoltre visto emergere una nuova classe di prodotti chiamati Internet Telephony Gateways capaci di rendere operativo l'interscambio di dati tra reti telefoniche pubbliche e reti IP. Tali prodotti rendono pertanto disponibili i benefici di VoIP da un semplice telefono connesso alla normale rete telefonica. Tramite l'uso di tali gateway, le grandi compagnie ma anche il pubblico in generale, possono disporre di capacità VoIP senza l'uso diretto di un PC.

Per capire il fenomeno della telefonia Internet è necessario prendere confidenza con i principi fondamentali che stanno dietro Internet e con le principali differenze di IP rispetto alla rete telefonica (altresì detta PSTN: Public Switched Telephon Network).
Sebbene infatti Internet condivida molti aspetti della PSTN, presenta alcune caratteristiche peculiari.
La rete telefonica (PSTN) è una rete a commutazione di circuito ottimizzata per le comunicazioni vocali in sincrono e in tempo reale con una qualità di servizio garantita (QoS:Quality of Service).
Quando una sessione di comunicazione viene iniziata, si stabilisce un circuito fra la parte chiamante e quella chiamata. La PSTN garantisce la qualità del servizio (QoS) dedicando alla conversazione un circuito full-duplex con una larghezza di banda 64KHz. Tale larghezza di banda rimane inalterata indipendentemente dal fatto che le parti siano in conversazione attiva o in silenzio. Dato che l’ampiezza sopracitata è costante il costo di una chiamata tramite PSTN è strettamente basato sulla distanza e sul tempo.
Internet, invece, è una rete a commutazione di pacchetto e, storicamente, è sempre stata usata per applicazioni dove una QoS variabile poteva essere un parametro tollerabile (e-mail, ftp, …).
Le reti a commutazione di pacchetto non dedicano un circuito (a meno di non considerare i circuiti virtuali) tra le parti in conversazione e perciò non possono garantire la qualità del servizio (Sebbene, allo stato attuale delle cose, ci siano numerose iniziative intraprese per raggiungere questo scopo, Vedi capitolo 2 "La qualità del Servizio").
Per come sono strutturati i protocolli di comunicazione e per come è stata concepita Internet, il meccanismo primario di costo per un’applicazione di telefonia IP non è né la distanza né il tempo ma l’ampiezza di banda usata nella comunicazione. In ogni caso, tale costo è trasparente all’utente finale, ditta o privato che sia. Il servizio a tali utenti è infatti fornito solitamente dagli ISP (Internet Service Providers) che gestiscono direttamente il costo delle connessioni.
Per quanto riguarda l’utente finale, la telefonia IP diventa dunque il mezzo per comunicare a distanze intercontinentali ai prezzi di una telefonata all’interno della locale rete PSTN. Soprattutto per questo motivo il mercato VoIP promette una crescita esponenziale per i prossimi anni in tutti i suoi principali settori (ovvero la telefonia PC to PC, PC to Phone, Phone to PC, e quella classica Phone to Phone).
 

2. La qualità del Servizio (QoS, Quality of Service)

Il problema fondamentale che sta alla base della comunicazione vocale su una rete come Internet è che la gestione dei pacchetti da parte del protocollo IP destinatario comporta una ricomposizione di questi nell’ordine originale. Se alcuni subiscono errori di trasmissione o ritardi vari si capisce come il processo di ricomposizione possa risultare rallentato. Per applicazioni classiche, come ad esempio la posta elettronica, tale ritardo non acquista particolare significato, ma per applicazioni di telefonia, dove l’interazione real-time tra le parti è fondamentale, questo può provocare un degradamento notevole nella qualità di conversazione.
In generale, che tipo di qualità nella comunicazione si possono aspettare gli utenti di VoIP ?
Questo dipende in parte dalla velocità della connessione ad Internet che ciascun lato possiede e in parte dal traffico complessivo della rete. Ci sono due fondamentali caratteristiche che determinano la qualità di una connessione telefonica su Internet:
La prima caratteristica è il tempo di latenza (Latency). Tale grandezza misura il ritardo che intercorre dal momento che certe parole sono pronunciate da un lato al momento che queste sono effettivamente sentite dall’altro lato. Spesso gli utenti di VoIP rapportano tale latenza ai ritardi che le normali telefonate subiscono quando parte del circuito è fatto da collegamenti satellitari. La latenza è qualcosa a cui gli utenti possono in genere abituarsi e compensare di conseguenza.
L’altra importante caratteristica che determina la qualità di una connessione telefonica su Internet, è, semplicemente, il grado di rispondenza della voce trasmessa rispetto alla voce naturale di chi parla. Se certi pacchetti vocali risultano ritardati oltre una certa soglia, il software di telefonia IP cercherà in genere di interpolare i dati mancanti tramite i contenuti dei pacchetti adiacenti. Naturalmente, più il software ricorre a questa tecnica interpolativa, più la qualità del software risulterà compromessa (distorsione del messaggio vocale).

TCP/IP, in sostanza, non garantisce agli utenti la trasmissione di un certo numero di dati in un preciso periodo di tempo. Le prestazioni della rete possono fluttuare di momento in momento. A volte i dati sono trasmessi immediatamente, a volte subiscono ritardi o non sono inviati affatto.
Per molti aspetti, i problemi che i progettisti hanno sono simili a quelli incontrati nella progettazione di reti cellulari digitali, dove non ci sono garanzie che i dati arrivino intatti. Quindi i progettisti devono ipotizzare che i livelli sottostanti siano inaffidabili, e compensare gli eventuali errori con le sopracitate tecniche di interpolazione e correzione.
Dunque e’ in genere arduo predire la QoS che ci si può aspettare da una sessione di telefonia in rete, ma, di solito, questa è direttamente correlata all’ampiezza di banda che viene sfruttata per la conversazione più che al traffico di rete.
Alcune organizzazioni dispongono già da ora di connessioni ad Internet con grande band-width. Tali connessioni sono capaci di garantire la qualità sufficiente per fare del VoIP il mezzo standard nelle comunicazioni inter-ufficio a lunga distanza.
In definitiva, la qualità nel campo della telefonia IP presenta dei notevoli margini di miglioramento. Il protocollo RSVP (www ????) della Cisco, ad esempio, concepito di recente, è progettato per riservare una certa porzione di banda proprio per le applicazioni che richiedono delle risposte in tempo reale quali quelle di VoIP. Ciascun Router che supporta tale protocollo ha la capacità difatti di riconoscere una priorità nei pacchetti che instrada, distinguendo tra quelli urgenti (real-time packets) e quelli meno, agendo così di conseguenza.
Allo stesso tempo, molti studiosi di Internet, sostengono che la proliferazione di grandi quantità di banda a basso costo renderà lo sviluppo di RSVP e, più in generale, la discussione su QoS, del tutto irrilevante.
 
 

3. Una panoramica sulle proposte VoIP

3.1. Telefonia PC-to-PC
Il software per la telefonia Internet è facilmente reperibile e si colloca nella fascia dei prodotti a basso costo. Esempi notevoli di software VoIP sono Microsoft NetMeeting, usato non solo per la telefonia Internet ma anche e soprattutto per l’application sharing, e VocalTec, uno dei prodotti più popolari.
Gli applicativi sopracitati sono ovviamente da inquadrarsi nel campo della telefonia da PC a PC.
Un importante aspetto del software per la telefonia Internet è l’interoperabilità. Molti prodotti tra quelli inizialmente commercializzati non erano compatibili tra di loro e non potevano pertanto comunicare. Queste limitazioni stanno tuttavia scomparendo dal momento che sempre più case produttrici supportano lo standard H.323 della ITU-T per le comunicazioni multimediali. Per maggiori informazioni si rimanda al capitolo 5 "Consorzi e Standard".
Sebbene per la telefonia Internet PC to PC non sia richiesto nessun hardware specializzato, si possono ottenere dei notevoli benefici dall’uso di schede di espansione per PC progettate appositamente per il VoIP.
Un esempio notevole può essere il "PhoneJACK" della Quicknet Technologies. Il "PhoneJACK" è una scheda Plug & Play che provvede interamente al trattamento del segnale analogico prodotto da un normale telefono e alla sua conversione digitale fornendo i servizi di pacchettizzazione dei dati, soppressione dell’eco e compressione (per un miglioramento del tempo di latenza e della qualità del segnale).

Di fatto, le schede come quella in figura offrono un interfaccia telefonica standard ad Internet. Qualsiasi telefono, quando è connesso ad una scheda di questo tipo, vede una normale rete telefonica PSTN, mentre è in realtà connesso ad Internet. Solitamente, tutte le offerte hardware di questo genere sono compatibili con le applicazioni più popolari sopracitate quali NetMeetintg e VocalTec.
 

3.2. Telefonia phone-to-phone, PC-to-phone, phone-to-PC: I Gateway VoIP.
I gateway VoIP sono da inquadrarsi nel settore delle comunicazioni phone-to-phone, phone-to-PC, PC-to-phone. Tali gateway per la telefonia IP estendono i benefici di risparmio e le caratteristiche di VoIP a chiunque abbia un telefono connesso alla normale rete telefonica a commutazione di circuito (PSTN). Il concetto è semplice: tali gateway manipolano le trasmissioni vocali (ma anche di fax) dalla rete PSTN convertendole per la rete a commutazione di pacchetto (vale naturalmente anche il viceversa). Essendo i gateway normalmente locali ad entrambe le parti soggette alla comunicazione, i costi per l’uso del PSTN sono minimi.

In figura è descritto come lavora una connessione phone-to-phone. Supponiamo che l’utente A voglia comunicare con l’utente remoto B il quale appartiene ad un altro PSTN solitamente molto distante. "A" si connetterà al gateway VoIP interno alla propria rete PSTN locale. Per poter operare, infatti, tali gateway sono visti dal lato PSTN come un semplice numero telefonico.
Il gateway risponde richiedendo l’immissione da parte dell’utente A del vero e proprio numero telefonico che si vuole raggiungere (lo stesso che si comporrebbe direttamente se si volesse passare dalla normale linea telefonica per contattare B). Ricevuto tale numero, il gateway consulterà le proprie tabelle di instradamento per localizzare un altro gateway VoIP locale all’utente B. Questo secondo gateway, cercherà di instaurare la connessione chiamando telefonicamente B all’interno del suo PSTN. Appena la connessione si stabilisce, la voce viaggia tra A e B partendo da un PSTN, entrando in Internet e riuscendone per arrivare al secondo PSTN.
Dato che le connessioni phone-to-phone richiedono la presenza di due gateway dello stesso tipo situati sufficentemente lontani uno dall’altro, i gateway VoIP sono attualmente sfruttati per scopi specifici come, ad esempio, la comunicazione inter-ufficio per le organizzazioni che possiedono filiali remote. La comunicazione è difatti strettamente legata alla presenza o meno, all’interno delle due reti PSTN , dei gateway VoIP. Se tali gateway non sono effettivamente presenti all’interno dei PSTN locali, tutti i vantaggi di costo che questo approccio offre vengono meno. Molti consorzi, come Free Wold Dialup e Delta Three, si stanno tuttavia adoperando per riunire e far cooperare tra loro tutti i provider che offrono servizi di telefonia IP tramite gateway. In questo modo, la probabilità di trovare un gateway VoIP all’interno del PSTN remoto a cui si vorrebbe accedere, aumenta considerevolmente.
(...NON ci VUOLE UN IMMAGINE QUI ??...)
Anche l’uso dei gateway VoIP per la telefonia PC-to-phone sta diventando sempre più popolare. In figura è illustrato una possibile configurazione delle comunicazioni PC-to-phone. L’utente con il software di telefonia accede al gateway VoIP e da qui verso la locale rete PSTN.
Molte organizzazioni che gestiscono call centers, permettono l’accesso da rete a tali centri tramite, appunto, l’uso di gateway VoIP. Chiunque abbia un software di telefonia può dunque accedere a tutti servizi offerti dal call center. (Vedi il capitolo 6 "I call centers").
I più noti produttori di gateway di telefonia IP sono VocalTec  e Vienna Systems (vedi il capitolo 4 "Analisi in dettaglio di alcune offerte commerciali").

3.3. Un’analisi comparativa dei gateways VoIP
L’idea che sta dietro alla telefonia IP, come gia’ detto in precedenza, è molto semplice; convertire la voce in pacchetti per la trasmissione su di una rete che supporta il protocollo TCP/IP. Sebbene il principio sia semplice, la telefonia IP presenta alcuni ostacoli difficili da superare. Di seguito viene presentata un’analisi comparativa dei prodotti di telefonia IP presenti sul mercato.
I progettisti si sono avvicinati alla telefonia IP seguendo diverse strade. Cioè:

• gateway server-based per PC con schede vocali standard (p.e. Dialogic).
• gateway server-based per PC con schede DSP progettate specificatamente per la telefonia IP.
• Gateway stand alone che connettono direttamente a reti 10BaseT (tipo particolare di rete Ethernet).
• Schede NIC (Network Interface Cards) multi-purpose con funzionalità telefoniche.
• Telefoni IP stand alone.

3.3.1. gateway server-based per PC con schede vocali standard
I primi gateway per la telefonia IP erano basati sugli standard industriali delle schede vocali, come la serie di schede vocali della Dialogic. Queste schede sono progettate per riprodurre e registrare messaggi e sono tipicamente usate nei sistemi a risposta vocale interattiva e nelle voice mail.
Questi progettisti hanno saputo approfittare del fatto che i loro prodotti sono entrati velocemente nel mercato, proprio perché basati su standard preesistenti. Tuttavia questi sistemi hanno delle notevoli limitazioni:

• Le schede vocali basate sugli standard industriali non sono progettate per applicazioni real time come la telefonia IP. Il software per la telefonia IP deve trattare l’audio come un insieme discreto di parti piuttosto che un flusso continuo. Ciò introduce ritardi e latenze nelle conversazioni.
• Le schede vocali basate sugli standard industriali non sono progettate per comprimere e decomprimere l’audio. Ciò significa che il PC che usa la scheda deve fare queste operazioni usando la CPU. Anche questo introduce latenze e limita la capacità dei gateway a non più di poche conversazioni simultanee.
• Le schede vocali basate sugli standard industriali non sono generalmente facili da installare e configurare: non sono schede plug and play.
• Molti di questi sistemi usano protocolli non standard per permettere le conversazioni telefoniche, il che significa che vincolano alla soluzione di quel progettista.
• Queste soluzioni non sono care: variano tra 1000 e 2000 dollari per porta.

3.3.2. gateway server-based per PC con schede DSP progettate specificatamente per la telefonia IP.
Una volta che si è affermato il principio della telefonia su Internet i costruttori hanno cominciato a progettare schede dedicate. Questo impulso ha portato ad un radicale miglioramento delle prestazioni dei gateway, nella qualità del suono e in generale nella modularita’ dei servizi. Sollevando le CPU dal compito di campionare, comprimere e trasmettere l’audio, queste schede hanno sensibilmente ridotto i tempi di latenza, hanno permesso di aumentare la qualità audio e di moltiplicare il numero di conversazioni contemporanee.
Molte ditte hanno progettato schede DSP appositamente per la telefonia IP: per esempio Dialogic, Micom, Natural Microsystem.
Per gli utenti che desiderano un gateway PC-based per la telefonia IP, questa soluzione è decisamente migliore di quella in cui i processi real-time sono gestiti dalla CPU del computer host.
Questi sistemi offrono una migliore qualità audio (con un minor numero di perdite e una minore latenza), operazioni più affidabili (perché l’applicazione è meno dipendente dal sistema operativo), e più modularita’. Le offerte più vantaggiose sono della Micom e vanno da US $ 500 a US $ 1000 per porta.
 
 

3.3.3. gateway stand alone
L’ultima generazione di prodotti della telefonia IP sarà costituita da apparecchi di rete stand alone che si ispirano agli hub (computer centrali) di Ethernet. A questo scopo, Cisco ha recentemente annunciato che sta aggiungendo le caratteristiche protocollo multimediale H.323 alla linea dei suoi router di punta. Con l’aggiunta di un modulo ai suoi router, sarà possibile combinare l’internetworking e i servizi di telefonia IP.
Altre ditte, comprese la Shoreline Teleworks e la Touchwave Communications, stanno lavorando a prodotti di switching ibridi che rendono i PBX (centralini) obsoleti. Questo prodotto è connesso da una parte alle linee telefoniche, dall’altra a una rete Ethernet.
Quando i sopracitati hub sono collegati alla rete IP di una compagnia, ciò che si ottiene è un PBX distribuito che utilizza la rete IP per trasportare le chiamate telefoniche tra i vari nodi di switching verso i locali PSTN.
Altre ditte ancora, stanno lavorando a dispositivi stand alone che faranno una conversione da PSTN (Public Switched Telephone System) allo standard H.323. Questo sarà utile per i piccoli uffici che non richiedono server specifici per le conversioni da PSTN a IP e viceversa, ma anche per compagnie più grandi desiderose di sostituire i loro centralini principali con molti mini centralini che lavorano su internet.
 
 

3.3.4. Schede NIC (Network Interface Cards) Multi-purpose con funzionalità telefoniche
Per quelle compagnie che desiderano fornire a poche persone all’interno di una organizzazione i vantaggi della telefonia IP, le multi - purpose NIC cards sono una buona soluzione. Queste sono schede dedicate all’audio e/o alla rete progettate per la telefonia IP. Questi prodotti sacrificano la modularità a favore di un basso prezzo. Infatti sono di solito installate su una singola macchina e utilizzabili da un singolo utente.
Un prodotto di questo tipo particolarmente degno di nota il gia’ citato Internet PhoneJACK della Quicknet Technologies. Si tratta di una scheda vocale full duplex progettata per la telefonia IP che si integra con Microsoft NetMeeting, VocalTec Internet Phone, IDT Net2Phone e altre applicazioni progettate per le schede audio full duplex. Questa scheda viene venduta a meno di US $ 200 ed include applicazioni di compressione/decompressione, eliminazione dell’eco e audio full duplex. Un telefono o un centralino connessi a questa scheda si comportano come se fossero connessi a una normale linea PSTN.
 
 

3.3.5. Telefoni IP stand alone
Selsius ha creato un telefono molto innovativo. Questo telefono si connette direttamente alla rete Ethernet di una compagnia e trasporta le chiamate interamente attraverso la rete usando il protocollo H.323. Questo telefono è un po’ costoso, viene venduto per circa US $ 500, ma nel tempo può portare grandi risparmi.
Questo risulta utile per quelle compagnie che vogliono costruire una rete aziendale di comunicazione. Il problema, per ora, è che questi telefoni necessitano di particolari gateway per deviare le singole chiamate sulla normale linea telefonica raggiungendo cosi l’utente che si vuole chiamare. Tali gateway di Selsius non saranno disponibile sul mercato prima della fine del 1998.