Propuesta de una pizarra Asterisk en la Universidad de Cienfuegos

Proposal of an asterisk pbx in the university of Cienfuegos

Ing. Juan Manuel Castellanos Hernández¹, MSc. Carlos A. Rodríguez López², Carlos Alejandro Ladeus Acosta³

²Universidad Central de Las Villas. Villa Clara. Cuba.

³ Universidad de Pamplona. Colombia.

RESUMEN

Se realiza esta investigación con el objetivo de proponer una pizarra Asterisk en la Universidad de Cienfuegos (UCF) que permita la reducción de costos por prestación de servicios telefónicos y se alcance flexibilidad en cuanto a métodos de acceso telefónico, integración de hardware y software, movilidad y mayor calidad. Se identificaron los conceptos relevantes de la tecnología VoIP necesarios para alcanzar las tareas planteadas. Luego se realizó una caracterización de la Red de Datos de la UCF y se diseñaron y configuraron los servicios a prestar por la PBX Asterisk a partir de la caracterización realizada. Por último se verifica el correcto funcionamiento de la red de VoIP a través de una simulación con el software OPNET MODELER.

Palabras clave: VoIP, Servidor Asterisk, Códec de Voz.

ABSTRACT

Key words: VoIP, Asterisk Server, Voice Codecs.

INTRODUCCIÓN

Actualmente, para el funcionamiento de los servicios de voz se utilizan las redes por conmutación de circuitos. Dos de estas redes públicas son la Red Telefónica Pública Conmutada (RTPC) que es una red analógica y la Red Digital de Servicios Integrados (RDSI). En las empresas se utilizan dos redes muy bien diferenciadas, una encargada del tráfico y servicios de voz y otra destinada para el tráfico de datos que se basa en la conmutación de paquetes.

Con el avance de las tecnologías actuales para Voz sobre el Protocolo de Internet (VoIP) se tiene la capacidad de proporcionar servicios garantizados sobre una única red donde confluyen tráficos tanto de voz como de datos, lo que permite afirmar que se dispone de una red multiservicio que principalmente reduce costos y ancho de banda (Toscano Palomo, 2011).

La telefonía IP más que tipo de comunicación por conmutación de paquetes es una tecnología en la que convergen diferentes servicios como son voz, datos y video, este tipo de comunicación provee al usuario de reducción de costos, disponer de su propio sistema y configurarlo como se desee, implementar servicios como el buzón de mensaje, identificación de llamada y buzón de espera, todos de forma gratuita, lo cual no lo es en la red de telefonía básica, este sistema es abierto por lo que utiliza software libre lo cual lo hace interesante y ventajoso frente a los demás (Gómez Wilches, 2011).

El Protocolo de Transporte de Tiempo real (RTP) provee las funciones de transporte apropiadas para las aplicaciones en redes punto a punto que transmiten datos en tiempo real, como audio, video o datos, tanto en servicios de multidifusión o unidifusión. RTP no aborda la reserva de recursos y no garantiza QoS para servicios de tiempo real. El transporte de datos es aumentado por un protocolo de control (RTCP, que significa RTP Control Protocol) que permite monitorear la entrega de datos de una manera escalable para redes grandes de multidifusión, y suministrar control mínimo y funcionalidades de identificación. RTP y RTCP son diseñados para ser independientes de la capa de transporte subyacente y las capas de red (Schulzrinne, Casner, & Frederick, 2003).

El Protocolo de Inicio de Sesiones (SIP) es un protocolo de control de la capa de aplicación que puede establecer, modificar, y terminar sesiones de multimedia (conferencias) como las llamadas de telefónicas por Internet. SIP también puede invitar a participantes a sesiones ya existentes, como las conferencias de multidifusión. Los medios de comunicación pueden ser añadidos (y removidos) a una sesión existente. SIP soporta mapeo de nombres y redireccionamiento de servicios, que soportan movilidad personal -los usuarios pueden mantener actualizado un identificador exteriormente visible sin considerar su ubicación de la red-.Estas sesiones multimedia incluyen datos, video y voz (Rosenberg & Schulzrinne 2001).

Los usuarios de Internet demandan nuevos servicios con requerimientos estrictos de Calidad de Servicio (QoS) para aplicaciones en tiempo real. Esto se debe a la existencia de servicios de comunicaciones donde la QoS debe ser alta y previsible, comparada por la ofrecida en las redes de alto rendimiento (Ossipov & Karlsson, 2011).

Una sesión de estos servicios no es aceptable si la calidad es menor a la establecida por sus límites de desempeño (Gómez Skarmeta & Álvarez, 2010). Por mencionar un caso en concreto, el atraso de 150 mili segundos (ms) en las conversaciones de voz no es notable comparado con un retardo de 450 ms, el cual para la percepción humana ya es molesto y poco útil (ITU-T Rec. G.114) (Wang, 2011).

El fenómeno de la Internet ha sido pieza clave para que se pueda alcanzar esta meta, gracias al constante desarrollo de las redes IP, a las técnicas avanzadas de digitalización de voz y a los protocolos de control y transmisión en tiempo real. La telefonía sobre IP se ha convertido en un tema estratégico, que permite la calidad de servicio a bajo costo (Flores Soto & Yepez Castillo, 2010).

MPLS (Multiprotocol Label Switching) o conmutación de etiquetas de múltiples protocolos es una tecnología emergente apuntando a solucionar las limitaciones presentes en las redes actuales bajo técnicas de envío de paquetes (packet forwarding) en redes IP, tales como velocidad, escalabilidad, manejo de calidad de servicio (QoS), y manejo de tráfico para mejora del rendimiento de la prestación de la red. MPLS proporciona manejo de ancho de banda y servicios requeridos para las futuras redes backbone (núcleos principales) basadas en Protocolo IP (Internet Protocol) (Rodríguez, 2011).

En el año 2014 el Ministerio de Educación Superior (MES) decidió unificar la Universidad "Carlos Rafael Rodriguez" (UCF) y la Universidad Pedagógica "Conrado Benítez", ubicadas en la provincia de Cienfuegos, con vistas a centralizar en una única entidad la formación de profesionales de nivel superior, siendo renombradas como Universidad de Cienfuegos (UCF). La nueva organización está distribuida en las dos sedes físicas ubicadas en extremos opuestos de la ciudad. Esto trajo consigo que la red de datos de UCF pasara a ser de una Red de Área Local (LAN) a una WAN. Actualmente la conexión existente entre estas dos localidades es nula, es por esto que el proveedor de servicios de telecomunicaciones de Cuba, la Empresa de Telecomunicaciones de Cuba (ETECSA SA) ha planteado establecer una conexión MPLS entre ambas sedes.

Luego de establecida la conexión MPLS se impondrán nuevos retos a los servicios que se ofrecen, como la necesidad de transmitir datos, voz y video sobre IP. Implementar estos servicios permitirá a la institución realizar videoconferencias que posibiliten ahorrar gastos en transporte de personal, reducir los costos por prestación de servicios a ETECSA, alcanzar flexibilidad en cuanto a métodos de acceso telefónico, integración de hardware y software, movilidad y calidad del servicio en la Universidad de Cienfuegos, donde estudiantes, profesores y personal administrativo se beneficiará de las bondades de voz y video sobre IP.

El objetivo del presente trabajo fue proponer una pizarra Asterisk en la Universidad de Cienfuegos que permita la reducción de costos por prestación de servicios telefónicos y se alcance flexibilidad en cuanto a métodos de acceso telefónico, integración de hardware y software, movilidad y calidad del servicio.

DESARROLLO

Se realizó una investigación en la UCF, en la provincia de Cienfuegos en el período comprendido entre septiembre de 2014 y mayo de 2015. Las tareas de investigación desarrolladas fueron la caracterización de la red de datos de la UCF, el diseño de prestación de servicios de la PBX Asterisk a partir de las características de la institución y la verificación del correcto funcionamiento de la red de VoIP a través de una simulación con el software OPNET MODELER.

Para la caracterización se trabajó con un diseño no experimental que tuvo en cuenta la estructura de la empresa, el soporte de Servicios de Tecnologías de la Información (TI) ofrecidos, los medios de comunicación, el personal vinculado a la prestación de los servicios TI. Se llevó a cabo un censo de los dispositivos que de esta forman parte, así como la arquitectura existente. El estudio se realizó en noviembre del 2014, por lo que en la práctica se debe tener en cuenta la posibilidad de algún cambio ocurrido en la red debido a la necesidad de mejoras en cuanto a organización y por fallas de algún dispositivo.

La red de la UCF tiene las siguientes características:

Surge como centro de redes informáticas en 1996 y al principio solo existía conexión dentro del centro de redes, luego a finales de ese mismo año se logró la conexión a internet.

Actualmente el centro cuenta con una sede central, la Universidad "Carlos Rafael Rodríguez" (UCF) con 1880 usuarios, una segunda sede, la Universidad Pedagógica "Conrado Benítez" con alrededor de 1000 usuarios, ubicadas ambas en la provincia de Cienfuegos, y una representación en cada cabecera de los siete municipios restantes de la provincia con alrededor de 300 usuarios. En total la UCF tiene alrededor de 4180 usuarios a los cuales se les brinda soporte de servicios TI.

Para el diseño de la arquitectura de la pizarra Asterisk se recurrió a los planos ya existentes de la Institución realizados con el software AutoCAD. El software Microsoft Visio Premium 2013, propietario de Microsoft y que cuenta con diagramas y elementos de red avanzados, se utilizó para montar los planos de AutoCAD y diseñar la arquitectura de la red.

A partir de la caracterización se utilizó Trixbox 1.8.0.4 para montar el servidor de VoIP que es una distribución del sistema operativo GNU/Linux, basado en CentOS, con la particularidad de ser una central telefónica (PBX) por software basada en la PBX de código abierto Asterisk bajo licencia GPL (Licencia Pública General de GNU).

Asterisk, es una aplicación de software libre que proporciona servicios, funcionalidades y administración de una central telefónica basada en voz sobre IP. Al tener las mismas capacidades de una PBX existe la posibilidad de conectar un número determinado de usuarios o para hacer llamadas y de más servicios entre sí.

-          Extensiones: administra las extensiones y los buzones de voz de las mismas.

-          Grupos de Timbre: agrupa extensiones para timbre simultáneo.

-          Operadoras Automáticas: crea menús de voz que escucharán los llamantes.

-          Troncales: define troncales para conexión a la red telefónica pública.

-          Rutas Salientes: administra las rutas de llamadas salientes del sistema.

-          Rutas Entrantes: especifica a donde enviar las llamadas que vienen del exterior.

-          Música en espera: carga archivos MP3 que se reproducirán a los usuarios en espera.

-          Grabaciones del sistema: graba o carga mensajes para las extensiones específicas.

-          Ajustes generales: Define la marcación básica, el directorio y los ajustes de fax.

Para la verificación de la propuesta se empleó el Software OPNET Medeler 14.5 propiedad de OPNET Technologies, el cual permitió comprobar el funcionamiento de una red VoIP de manera simulada en un entorno virtual.

Se llevó a cabo un censo de los dispositivos que de esta forman parte, así como la arquitectura existente, para conocer el ancho de banda disponible, la topología de la red y las características de los dispositivos. En la Figura 1 se muestra el plano de la red FastEthernet en la Biblioteca Central de la UCF.

Se comprobó que se cumple con el estándar TIA/EIA-568-B. La distancia máxima del canal horizontal 100m. El cableado horizontal es de cobre categoría 5e y 6. No existen más de tres capas de repartidores. No existen más de 15 cables juntos por canaletas. No sobrepasa el 60 % de uso de los conductos para cables. Los cruces de cables de cobre con líneas de alta tensión se realizaran a 90º. No se utilizan alambres para la sujeción de los cables (se utilizan bridas).Se utiliza una sola norma de conectorización en todo el sistema (T568 A).

Confección del Sistema de Marcación en la UCF

Se realizó el plan de marcación de la UCF y se procedió de la siguiente manera:

09 # # # # # #

En el cual los dos primeros (09) representan el código utilizado para marcar un número fuera de la red IP de la UCF, y para los restantes el formato es:

• Dígitos 1 y 1: Número de la subred de la entidad.

• Dígitos 3 y 4: Número del piso, departamento o centro contable.

Ver Figura 2

Para observar el plan de marcación completo ver el Anexo 1, donde se muestra el diseño de la tabla de marcación del plan completo.

Se seleccionó el Códec iLBC: "Internet Low Bit rate Codec", que es un códec para voz apropiado para comunicaciones robustas sobre VoIP. Este códec está diseñado para ahorrar ancho de banda y resulta en un carga útil de 13.33 Kb/s usando tramas de 30 ms y en 15.10 Kb/s usando tramas de 10 ms. El códec es capaz de enfrentar la eventualidad de que se pierdan tramas, lo cual ocurre cuando se pierde la conexión o se retrasan los paquetes IP.

El algoritmo iLBC, usa una codificación de predicción-lineal y bloques- independientes (LPC), este algoritmo tiene soporte para dos tamaños básicos de tramas: 10 ms a 15.1 Kb/s y 30 ms a 13.33 Kb/s.

Cálculo de Ancho de Banda (BW) por llamada utilizando el códec iLBC.

Para el cálculo del ancho de banda del códec se tiene en cuenta el tiempo de trama para 10ms.

Donde Nbpm representa el número de bit por muestra y el valor del numerador sería la frecuencia de muestreo en este caso sería 8000 debido a que se trasmitirá por el códec solo voz humana, el valor de 15,1kbps representa la velocidad de transmisión del códec, y el resultado de dicha relación da como resultado 1,9 bits/muestras.

Ecuación 1. Calculo del tamaño del paquete.

Fm: Frecuencia de muestreo.

Nbpm: Número de bit por muestra.

T: Tiempo por trama.

Al reemplazar dichos valores se obtiene:

Ahora se calcula el número de paquetes transmitidos por segundo:

Luego la parte que más interesa es hallar el ancho de banda del códec iLBC con la Ecuación 3.

Ecuación 3. Producto para hallar el ancho de banda del códec.

En la Ecuación 4. Se muestran las cabeceras IP, UDP, RTP y en la Ecuación 5 la cabecera Ethernet.

Donde;

Bw (códec): Ancho de banda del códec.

Tm: Sumatoria de las cabeceras.

VTx: Velocidad de transmisión de paquetes por segundo.

Ecuación 4. Cabecera UDP, IP, RTP.

IP+UDP+RTP= 40 BYTE

Ecuación 5. Cabecera Ethernet.

L1= 14 BYTE

(CODEC) = 50 pack/s * (38 + 54 bytes) = 4600 * 8 = 36.8 kbps

Donde 36.8Kbps sería el ancho de banda del códec sin compresión alguna. Ahora bien como las cabeceras pueden variar debido a compresión en las mismas el cálculo realizado con la sumatoria de las cabeceras igual a 16bytes seria 11.6 kbps remplazando este valor en la Ecuación 3.

Configuración de X-lite

Se configuró el Software de cliente X-lite de la siguiente manera:

Ver Figura 3 

Configuración del Servidor Asterisk

Para la implementación de la PBX en la UCF cada extensión tuvo un número asociado teniendo en cuenta el plan de marcación visto anteriormente y se procedió a la creación de cada una de las extensiones.

Autores como Ordovás (2011,) definen de la siguiente manera el concepto de extensión "una extensión en Asterisk puede ser o no el número asociado a una persona. FreePBX hace uso de su primera acepción ya que basa el conjunto de sus aplicaciones en torno al concepto de extensión igual a persona asociada".

Se seleccionó el protocolo SIP durante la implementación de las extensiones y se llenó el listado de campos (Figura 4). Para evitar redundancia en la configuración solo se muestran los edificios principales puesto que para las demás serán exactamente las mismas.

Durante la validación de esta implementación se tuvieron en cuenta diversos parámetros; para construir la simulación se seleccionó un área de 100 km X 100 km que es la distancia aproximada de la Red de Ärea Amplia (WAN) UCF.

En la Figura 5 se muestra la simulación de la red VoIP en la UCF. Se representa la red WANcon la sede central Carlos Rafael Rodríguezque constade diez redes virtuales (VLAN) llamadas CRAI, Rectorado, FING, FCA, FCF, FCEE, TECEDU, FINF, FCS y Nodo, con los servidores de FTP (File Transfer Protocol), WEB, Correo y SIP (que representa el servidor Asterisk). Se muestra además la red de área local (LAN) del Pedagógico Conrado Benítez llamada LAN_Pedagógico, y el resto de las redes locales de las sedes universitarias de los siete municipios restantes de la provincia.

Las redes virtuales de la sede central, exceptuando a la VLAN Nodo, que solo consta de los servidores antes mencionados, se configuraron con 50 computadoras, la LAN de la Sede del Pedagógico se configuró con 100 computadoras y las LAN de los municipios se configuraron con 10 computadoras cada una.

Los enrutadores empleados fueron los Cisco 1911- Para ello se configuró como protocolo de enrutamiento interno el OSPF (Open Shortest Path First) y para comunicar las distintas sedes, el protocolo de enrutamiento externoBGP (Border Gateway Protocol).

Para la simulación se empleó los códec GSM ya que el códec iLBC escogido, no se encuentra en el software OPNET Modeler. No obstante estos dos códec son similares.

Como resultado de la simulación se obtuvo que el tráfico enviado y recibido por el servidor Asterisk no supera los 110 Kbytes/sec (880 Kbits/sec). Este es un indicador favorable que evidencia el poco consumo de ancho de banda que necesita el servicio de VoIP en la red UCF (Figura 6).

La variabilidad del tiempo de la llegada de los paquetes de VoIP al destino (jitter); no supera en la simulación los 0,5 µsec. Este resultado es positivo si se tiene en cuenta que un valor aceptado del jitter puede ser de hasta 10 msec. (Figura 7).

El valor del MOS(Mean Opinion Score)obtenido fue mayor que 3, lo cual se considera aceptable. El MOS es una medida cualitativa de la calidad de la voz. Un valor de 5 indica una comunicación con calidad excelente mientras que uno de 0 indica una calidad pésima.

CONCLUSIONES

El estudio de los conceptos, protocolos y estándares de voz sobre IP permitió la comprensión del funcionamiento de las redes VoIP, lo cual constituyó la base fundamental para la implementación de una pizarra Asterisk en la Universidad de Cienfuegos.

La gran cantidad de servicios que propone Asterisk encaran con solidez los problemas de comunicación que enfrenta actualmente la UCF, lo que hace posible un diseño sólido de una PBX y su implementación sobre la red del campus.

La propuesta de servicios Asterisk contribuye a la organización, administración y funcionalidad de los servicios implementados en la pizarra de la UCF.

Se logra corroborar la eficiencia, robustez y calidad de servicio que ofrece la pizarra Asterisk implementada en la UCF sin afectar el funcionamiento de la red, a partir de un software como OPNET MODELLER capaz de realizar simulaciones lo más cercano posible a la realidad.

ANEXOS

Ver Anexo 1

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Davidson, J. (2013). Fundamentos de Voz sobre IP. Madrid: Cisco Press.

Fernández Curbelo, L. E., & López López, G. (2011). Implementación de Telefonía IP en la red de CIMEX-Cienfuegos.

Flores Soto, A. O., & Yepez Castillo, C. X. (2010). Implementación del protocolo DUNDi para conectar dos o más PBX basadas en Asterisk remotamente ubicadas. Guayaquil: Escuela Superior Politécnica del Litoral.

Gómez Skarmeta, A., & Álvarez, O. (2010). Convergencia de redes y servicios basados en IP. Colima.

Gómez Wilches, J. A. (2011). Estudio y diseño de una red de telefonía de voz sobre IP para plataforma siglo XXI. Pamplona: Universidad de Pamplona.

Natali Toscano Palomo, G. (2011). Análisis y diseño de una red de alta disponibilidad para centrales Asterisk basada en la tecnología DUNDi. Riobamba: Escuela Superior Politécnica de Chimborazo.

Ordovas, B. G. (2011). Diseño e implementación de un sistema de VoIP basado en Asterisk y PBX. Madrid: Universidad Carlos III.

Ossipov, E., & Karlsson, G. (2011). A simplified guaranteed service for the Internet, In Proceedings of Protocols for High-Speed Networks, 10.

Rodríguez, D. (2011). Transmisión de voz, video y datos en Redes Privadas Virtuales VPN/MPLS. Buenos Aires: Universidad de Belgrano.

Rosenberg H., J., & Schulzrinne, H. (2001). SIP: Session Initiation Protocol.

Schulzrinne, H., Casner, S., & Frederick, R. (2003). RTP: A Transport Protocol for Real-Time Aplications. Quebec: RFC Editor.

Wang, Z. (2011). Internet QoS: Architectures and Mechanisms for Quality of Service. San Francisco: Morgan Kaufman Publishers.

Aprobado: Junio de 2016.

Ing. Juan Manuel Castellanos Hernández

E-mail: jmcastellanos@ucf.edu.cu

MSc. Carlos A. Rodríguez López

E-mail: crodrigz@uclv.edu.cun

Carlos Alejandro Ladeus Acosta