FoIP: Modalità T38 e G711 Passtrought nel Fax su Reti IP

La Trasmissione FAX sulle Reti dati IP

Quando si effettua il passaggio dal tradizionale fax analogico a una soluzione FoIP (Fax Over IP), è necessario fornire un livello di prestazioni di rete sufficiente a garantire operazioni affidabili. Il trasporto di fax su una rete IP può essere gestito con due modalità, T.38 e pass-through G.711, ciascuna delle quali possiede dei requisiti specifici di funzionamento.

In questo documento descriveremo e confronteremo i principi di funzionamento dei metodi di trasporto fax over IP T.38 e G.711 utilizzando sia gli standard modem V.17 che V.34, per contrastare i problemi tipici della rete IP, quali la latenza, la perdita di pacchetti e jitter.

La Trasmissione FAX su linee Telefoniche Tradizionali

Negli Anni ’90, la trasmissione fax su linee analogiche i ISDN avveniva attraverso il protocollo T.30, seguendo le raccomandazioni ITU. Questo protocollo includeva meccanismi per la gestione del rumore di fondo e picchi di interferenza sulla linea telefonica. Esso permetteva di compensare la scarsa qualità del segnale, sulle linee telefoniche tradizionali, riducendo la velocità di trasmissione e gestendo i picchi di rumore rieseguendo qualsiasi operazione persa durante il picco.
Purtroppo il protocollo T.30 non è stato progettato per far fronte a problemi delle reti IP, quali la perdita di pacchetti, che può portare a importanti limitazioni nella trasmissione dei dati fax. La soluzione, in questo caso, non può essere trovata dalla semplice riduzione della velocità di trasmissione. In questo caso, basse velocità di trasmissione, possono addirittura peggiorare le prestazioni generando una traffico di rete aggiuntivo, più esposto alla perdita di pacchetti.

I Metodi di Trasporto FoIP (Fax over IP)

Quando si implementa una soluzione FoIP, il metodo di trasporto utilizzato (T.38 o G.711), oltre a diverse impostazioni del fax quali velocità , ridondanza e la correzione degli errori, può avere un impatto significativo sulle prestazioni e sull’affidabilità complessiva se non correttamente gestito.

Confronto fra communtazione T38 e G711

La commutazione fax T.38 è un suggerimento definito da ITU-T che consente di trasferire i dati fax sulle reti IP. I dati vengono trasmessi direttamente in T.38 senza essere convertiti in un flusso audio. Ciò si traduce in una significativa riduzione della larghezza di banda utilizzata. Il T.38 supporta anche i dati e controlla la ridondanza per attenuare gli effetti della perdita di pacchetti.
Uno svantaggio del T.38 è che il supporto dei parametri da parte dei gateway, come la velocità di trasmissione V.34 e la modalità di correzione degli errori (ECM), non è universale. Inoltre, nei circuiti di rete mista (IP e PSTN) il T.38 utilizza un overhead di transcodifica e ciò può aggiungere latenza e costi aggiuntivi ai servizi fax.
Il Codec G.711 è una raccomandazione ITU-T per la modulazione del codice a impulsi (PCM) delle frequenze vocali. Usa un formato non compresso e richiede in genere un livello di larghezza di banda di circa 64 kbps. L’uso del G.711 come metodo di trasporto per il FoIP, prevede un’estensione del fax tradizionale basato su audio PSTN. I dati del fax vengono convertiti in un flusso audio PCM e quindi inviati come pacchetti RTP (Real-time Transport Protocol) G.711.
Il G.711 non è stato ottimizzato per il trasporto di fax su reti IP e in genere non supporta la ridondanza dei pacchetti. Alcuni gateway, se non opportunamente configurati, potrebbero introdurre problemi nella trasmissione fax cercando di ottimizzare il flusso G.711 per la voce, utilizzando ad esempio la soppressione del silenzio, la cancellazione dell’eco o la transcodifica su un codec di compressione più alto. Tali ottimizzazioni possono causare una perdita di dati e impedire completamente il funzionamento del FoIP. Tuttavia, il G.711 possiede un approccio più semplice rispetto al T.38. Per questa ragione i problemi di interoperabilità tra prodotti di diversi fornitori sono meno comuni con il G.711.

Confronto fra V.17 e V.34

V.17 e V.34 sono due specifiche modem comunemente usate per la trasmissione Fax nell’era delle linee PSTN. Ciò spiega il motivo per cui esse non siano state progettati pensando ai problemi di una moderna rete IP:

La modulazione V.17 supporta bitrate fino a 14400. La velocità di trasmissione finale utilizzata viene determinata durante un breve ciclo di training, durante il quale viene trasmesso un modello noto di bit per verificare se viene ricevuto con successo. Il modem tenta di utilizzare velocità progressivamente più basse finché il modello di training non viene ricevuto correttamente. Questa modalità è nota come “training down” (allineamento in discesa).
La specifica V.34 è stata introdotta in seguito per ottenere velocità di trasmissione più elevate sulle linee telefoniche PSTN tradizionali e supporta bitrate fino a 33600. V.34 utilizza un sistema di training più lungo e complesso rispetto al V.17 per determinare la velocità massima supportata dalla linea. La complessità relativamente più alta di V.34, lo rende più vulnerabile, rispetto a V.17 , ai fallimenti di invio/ricezione quando si presentano problemi di latenza e perdita di pacchetti.

La Ridondanza (Redundancy)

Uno dei problemi di Rete più Comuni è in genere dato dalla perdita di pacchetti. La ridondanza è un metodo mediante il quale le informazioni trasmesse vengono replicate e ripetute in diversi pacchetti. Ripetendo i dati aumenta la probabilità che, alla fine, tutte le informazioni trasmesse vengano ricevute, anche se alcuni pacchetti sono persi. Ciò può anche ridurre la necessità di ritrasmettere le informazioni mancanti, riducendo il tempo di trasmissione necessario per un fax.
Il protocollo T.38 supporta generalmente due tipi di ridondanza:

Controllo: fa riferimento a pacchetti IP contenenti comandi di controllo fax. A volte si parla di ridondanza “a bassa velocità” perché, con il fax analogico tradizionale, questi comandi vengono trasmessi a una velocità dati bassa di 300 o 1200 bps.
Dati: si riferisce a pacchetti IP che contengono dati di immagini fax e viene talvolta definito ridondanza “ad alta velocità”. Anche il G.711 potrebbe supportare la ridondanza attraverso l’uso di RTP ridondante, ma il supporto per quest’ultimo non è attualmente molto diffuso.

ECM

La modalità di correzione degli errori (ECM) è un metodo tradizionale di controllo del checksum del fax. Non tutti i dispositivi fax lo supportano, ma per quelli che lo fanno, ogni segmento di dati fax viene inviato con un checksum (codice di controllo) che viene verificato dal lato ricevente. Se parte dei dati è danneggiata o mancante,la parte ricevente richiederà che venga effettuata una ritrasmissione.
Quando l’ECM non viene utilizzato, i dati mancanti verranno semplicemente omessi dall’immagine fax ricevuta, causando un deterioramento della qualità dell’immagine. Poichè le alterazioni della rete IP comportano in genere la perdita di dati, l’ECM può aiutare a preservare la qualità dell’immagine in queste situazioni. L’utilizzo dell’ ECM può causare un aumento sia del tempo di trasmissione che del numero di fax non andati a buon fine (ovvero, tentativi di fax non completati). Il tempo di trasmissione può aumentare perché i dati mancanti devono essere richiesti e ritrasmessi. Il numero di fax non riusciti può aumentare a causa di eventuali dati mancanti che possono danneggiare la ritrasmissione, causando l’interruzione del fax quando viene raggiunto il numero massimo di tentativi. Il V.34 richiede tassativamente l’uso dell’ ECM, ma con V.17 l’uso dell’ ECM è facoltativo e spesso è configurabile per essere abilitato o disabilitato.

I Problemi Tipici di una Rete IP nell’ambito della Trasmissione FAX

I problemi di rete IP più comuni che hanno un impatto sul FoIP sono la latenza, la perdita di pacchetti e il jitter.

La latenza: si riferisce al tempo impiegato dai dati trasmessi per raggiungere la destinazione. La latenza di andata e ritorno si riferisce al tempo necessario ai dati trasmessi per raggiungere la destinazione per poi essere restituiti. Poiché i dati IP vengono inviati da un endpoint fax a un endpoint ricevente, i pacchetti di dati vengono inoltrati attraverso una serie di elementi di rete. Il primo è normalmente costituito da un Router. Ogni nodo di rete aggiunge una certa quantità di latenza ai dati. Alcuni aggiungono una quantità molto piccola dell’ordine di millisecondi, mentre altri possono aggiungere tempi più elevati. Il passaggio su rete PSTN può introdurre anche latenze calcolate nell’ordine di “secondi”.
La Perdita di pacchetti: La perdita di pacchetti può verificarsi quando la congestione della rete è alta e un elemento di rete non è in grado di trasmettere tutti i pacchetti ricevuti. Questi periodi di congestione possono essere di breve durata, ad esempio quando un grande file di dati viene trasferito su una rete. Essa può verificarsi anche quando i dati ad alta priorità, come i dati vocali, ricevono priorità rispetto ad altri tipi di traffico di rete. Anche le cause di natura hardware, come la scarsa qualità del segnale su un cavo, possono portare alla perdita di pacchetti.
Burst Packet Loss (Raffica di Pacchetti Persi)
La perdita di pacchetti “burst” si riferisce a una serie di pacchetti IP consecutivi provenienti da un flusso che non raggiunge la loro destinazione. La lunghezza della “raffica di pacchetti” spesso determina quanto influirà negativamente su una chiamata FoIP.
Single Packet Loss (Singola perdita di pacchetti)
La perdita di un singolo pacchetto si riferisce alla perdita occasionale di singoli pacchetti (cioè pacchetti non consecutivi) in un flusso di dati. Questo tipo di perdita non è così
significativo come la perdite burst, ma può causare problemi gravi se si verifica frequentemente.
Il jitter coinvolge elementi di latenza e perdita di pacchetti. Il Jitter è il fenomeno per il quale i pacchetti possono arrivare nell’ordine sequenziale non corrretto. Il jitter si riferisce alle variazioni di latenza che la rete aggiunge ai pacchetti trasmessi. Poichè i fax vengono inviati in tempo reale, richiedono un flusso continuo di dati per essere trasmessi correttamente, in particolare se i dati vengono trasportati mediante il flusso audio. Se un pacchetto di dati non è stato ricevuto nei tempi necessari, l’effetto è lo stesso di un pacchetto perso. Se i pacchetti vengono ricevuti troppo in ritardo per essere utilizzati, l’effetto complessivo è il medesimo di un Burst Packet Loss (Raffica di Pacchetti persi). Anche se alla fine i pacchetti arriveranno, sarà troppo tardi per usarli e quindi saranno scartati.
Per quanto riguarda il FoIP, la perdita di pacchetti dovuta al jitter può essere ben controllata con l’uso del buffer di jitter. Questo processo memorizza molti pacchetti prima della loro elaborazione in modo che il ricevente non esaurisca i pacchetti se alcuni sono in ritardo.
Un’altra fonte di perdita di pacchetti relativa al jitter può verificarsi quando i fax G.711 presentano oscillazioni del clock. Questo succede quando mittente e destinatario stanno usando velocità di clock non sincronizzate per il flusso audio. Se il mittente sta creando pacchetti leggermente più veloci di quanto il riceventre li stia leggendo, il buffer di jitter del ricevente andrà in overflow e un pacchetto andrà perso. Nel caso invece in cui il ricevente stia leggendo i pacchetti più velocemente di quanto inviati, il buffer di jitter funzionerà “a secco” e il ricevente non avrà un pacchetto da leggere quando ne avrà bisogno. Per compensare queste oscillazioni del clock esistono apparati professionali dotati di clock ad alta precisione (High Precision Clock). Essi sono molto efficaci nel momento in cui il flusso dati fax viene trasmesso da un PBX Voip verso una rete PSTN/ISDN.