Vytvorenie NGN prostredia pre testovanie QoS parametrov hlasovej prevádzky
09. Január, 2012, Autor článku: Drozd Martin, Elektrotechnika, Informačné technológie, Študentské práce
Ročník 5, číslo 1 
Pridať príspevok
Článok pojednáva o vytvorení NGN prostredia pomocou open source produktu OpenIMSCore a testovanie parametrov QoS pomocou simulačných riešení. Práca sa zameriava na určenie minimálnej šírky pásma potrebnej na komunikáciu a vplyv stratovosti paketov na kvalitu prebiehajúcej komunikácie.
1. Úvod
Poskytovanie IP multimediálnych služieb s dodržaním kvality služby (QoS) sa stáva prioritou nejednej telekomunikačnej spoločnosti. Aj napriek vysokej spoľahlivosti nových konvergovaných chrbticových sietí NGN je nutné správne pridelenie QoS parametrov pre poskytujúce služby akými sú hlas, dáta či videosignál. QoS ovplyvňuje dátovú prevádzku tak, že mení veľkosti pridelených prenosových kapacít, rieši problémy so stratou paketov či upravuje oneskorenie na ktoré sú citlivé hlavne služby v reálnom čase ako napríklad prenos hlasu.
2. QoS vo VoIP
QoS vo všeobecnosti znamená rozdielnosť v rýchlosti spracovania paketov založených na type služby. Rozdielne služby sú spracovávane rozdielnym spôsobom a tým je možné garantovať určitý štandard potrebný pre ich správne a kvalitné fungovanie. QoS vo VoIP zjednodušene znamená byť schopný počúvať a rozprávať čisto a bez nežiadúcich okolitých vplyvov. Kvalita závisí od nasledovných faktorov: šírka pásma, použitý kodek, hardware, stratovosť, jitter, oneskorenie.
2.1. Oneskorenie
Oneskorenie nie je problém VoIP ako takého ale telekomunikačných sietí. Je definované ako čas, ktorý trvá paketu, kým sa dostane zo zdroja (odosielateľ) k cieľu (príjemca). Ľudské ucho je schopné zaznamenať oneskorenie nad 200ms. ITU-T štandard v odporúčaní G.114 udáva maximálne oneskorenie 150ms pre dobrú komunikáciu.
2.2. Jitter
Ide o kolísanie oneskorenia paketov pri prechode sieťou. Ak VoIP zariadenie odosiela RTP pakety každých 20 ms, nie vždy musia prísť v rovnakom časovom odstupe do koncového zariadenia. V prípade ak nechceme obdržať hovor v slabej kvalite nemôžeme prehrať pakety s kolísavým oneskorením.
Obr.1. Kolísanie oneskorenia príchodu paketu.
Ako riešenie sa používa jitter buffer, ktorý načíta určité množstvo RTP rámcov do pamäti a následne ich v ustálenej forme prehrá.
2.3. Stratovosť
VoIP je citlivé na akúkoľvek stratu paketov. Dokonca nepatrné 1% straty paketov môže spôsobiť značné zhoršenie prebiehajúcej komunikácie. Hranica možnej stratovosti závisí tiež od typu použitého kodeku a spôsobe kompresie. Stratovosť paketov bude citeľnejšia pri použití G.729 kodeku ako napríklad pri kodeku G.711.
2.4. Šírka pásma
Šírka pásma udáva rozsah frekvencií, ktoré môžu dáta použiť na prenos. Väčšia širka pásma znamená, že viac dát môže byť prenášaných v jednu chvíľu cez médium a tým pádom aj vyššou rýchlosťou. Zahltenie pásma v značnej miere ovplyvňujú použité kodeky ( G.711 kodek zaberá 87.2 Kbps). Pre hlasovú komunikáciu je šírka pásma nesmierne dôležitá. Čím vyššia šírka pásma tým lepšiu kvalitu hovoru dostaneme. Niektoré typy technológií sú na VoIP komunikáciu úplne nedostačujúce [3].
Jedným zo základných ukazovateľov kvality hovoru je MOS (Mean Opinion Score). Ak hovoríme o MOS hovoríme o subjektívnom hodnotení koncového uživateľa na poskytovanú službu.
 |
(1) |
kde: NE, NG, NF, NP, NU – počty subjektov, ktoré ohodnotili testované podmienky za výborné, dobré, priemerné, slabé a neuspokojivé; N – celkový počet subjektov zúčastnených testovania.
Tab.1. Subjektívne testovanie QoS pomocou MOS.
| MOS | |
|---|---|
| Maximum for G.711 codec | 4,4 |
| Very satisfied | 4,3-5,0 |
| Satisfied | 4,0-4,3 |
| Some users satisfied | 3,6-4,0 |
| Many users dissatisfied | 3,1-3,6 |
| Nearly all users dissatisfied | 2,6-3,1 |
| Not recommended | 1,0-2,6 |
Náhradou za časovo nákladné a v praxi drahé subjektívne hodnotenie je výpočtový E model, ktorý zahŕňa účinky oneskorenia, jitteru a straty paketov do jedného objektívneho parametru R.
 |
(2) |
kde: Ro – pomer signál / šum v bode 0dB, Is – všetky znehodnotenia v kombinácii s hlasovým signálom, Id – znehodnotenia oneskorením, ozvenami, absolútne oneskorenia, Ie – znehodnotenia od použitých kodekov, A – činiteľ očakávania (mobility) [5]
Tab. 2. Hodnoty výpočtového E modelu.
| R- Factor | |
|---|---|
| Very satisfied | 90-100 |
| Satisfied | 80-90 |
| Some users satisfied | 70-80 |
| Many users dissatisfied | 60-70 |
| Nearly all users dissatisfied | 50-60 |
| Not recommended | 0-50 |
3. QoS v IMS
IP Multimedia Subsystem (IMS) je systém umožňujúci prístup do konvergovanej siete. IMS sieť je špeciálne navrhnutá na poskytovanie QoS pre multimediálne služby. Multimediálne služby na rozdiel od jednoduchších sieťových aplikácií vyžadujú väčšiu šírku pásma a menšiu stratovosť paketov. IMS využíva na reporting RTCP pakety, ktoré obsahujú informácie a štatistiky ako sú odoslané pakety, stratené pakety, jitter a delay.
Aplikácie používajú tieto informácie na zvýšenie kvality služby použitím napr. menej kompresným kodekom na rozdiel od vysoko kompresného kodeku. Smerovacie mechanizmy používané na zabezpečenie QoS v IMS sú : MPLS (Multi- Protocol Label Switching), diferencované služby (DiffServ) a integrované služby (IntServ).
3.1. DiffServ
Architektúra diferencovaných služieb dokáže určiť, pre ktorý prevádzkový, rovnako označený dátový tok by sa mala zriadiť rezervácia pre prístup do siete. DiffServ neodlišuje jednotlivé toky prevádzky, ale zhromažďuje ich do malého počtu tried prevádzky. Rozličným triedam prevádzky potom poskytuje rozdielne spracovanie.
3.2. IntServ
IntServ podobne ako DiffServ umožňuje rezerváciu sieťových prostriedkov, ktoré následne aplikuje na jednotlivé dátové toky. Aby bolo možné vykonať rezerváciu sieťových prostriedkov je nutné aby zdrojová aplikácia určila špecifikáciu dátového toku. Na žiadosť aplikácie sú sieťové prostriedky buď poskytnuté alebo zamietnuté.
3.3. MPLS
Technológia umožňujúca rýchlejšie smerovanie paketov v smerovačoch. Pakety na vstupe do MPLS siete sú označené značkou. Na základe značiek smerovače zostavia cesty s prihliadnutím na potrebné QoS parametre jednotlivých požiadaviek [4].
4. IMS architektúra
IMS architektúra poskytuje prístup k NGN službám nezávisle na type prístupovej siete. Architektúra pozostáva z niekoľkých logických elementov potrebných pre správnu implementáciu next generation multimediálnych služieb do rôznych typov sieti. Jednotlivé komponenty IMS architektúry sa vzťahujú na funkciu nie na platformu. Je dôležité si uvedomiť že viaceré funkcie môžu byť začlenené do jedného sieťového zariadenia a súčasne naopak jednotlivá funkcia môže byť rozložená na viaceré fyzické platformy.
5. Proxy Call Session Function
Na spracovanie SIP signalizácie v IMS sieti sa používajú entity Call Session Control Function (ďalej už len CSCF). Podľa funkcionality sa CSCF ďalej rozdeľujú na Proxy-CSCF (P-CSCF), Serving-CSCF (S-CSCF) a Interrogating-CSCF (I-CSCF). Každá zo spomenutých funkcií zohráva dôležitú úlohu pri registrácii a zostavení spojenia medzi koncovými zariadeniami a smerovaním SIP správ.
5.1. Proxy Call Session Function (P-CSCF)
Proxy server tvorí prvý kontakt pre koncové zariadenie s IMS sieťou. Jeho úlohou je smerovanie požiadaviek v príchodzom smere do S-CSCF a v odchodzom smere z IMS siete ku klientovi. P-CSCF zabezpečuje štyri špecifické úlohy:
- de/kompresiu SIP správ
- zabezpečenie integrity a šifrovania správ na základe IPSec protokolu
- generovanie informácií o využívaní služieb
- overovanie korektného formátu SIP požiadaviek
Po počiatočnej registrácií P-CSCF je schopné aplikovať integritu a šifrovanie pre SIP signalizáciu.
5.2. Serving Call Session Control Function (S- CSCF)
S-CSCF je ústredným bodom v IMS a je zodpovedný za registráciu používateľa, smerovacie rozhodnutia a ukladanie samotného profilu užívateľa. S-CSCF je rovnako ako I-CSCF spojený pomocou diameter protokolu HSS. Ak užívateľ odošle požiadavku na registráciu, táto požiadavka bude presmerovaná do S-CSCF, ktorý si stiahne autorizačné údaje z HSS. Až na základe prebehnutej registrácie môže užívateľ využívať služby, ktoré mu IMS poskytuje.
Okrem iného S-CSCF server získava z HSS pri registrácií samotný profil užívateľa. Všetky SIP správy prechádzajú cez S-CSCF server, ktorý následne rozhodne o tom či sa služby vykonajú na S-CSCF serveri alebo sa presunú na aplikačný server. Ďalšou z úloh S-CSCF je preklad telefónneho čísla na SIP URI adresu.
5.3. Interrogating Call Session Control Function (I-CSCF)
I-CSCF tvorí kontaktný bod v sieti operátora pre všetky spojenia smerované k používateľovi danej siete prípadne pre užívateľa pripájajúceho sa k inému operátorovi. V jednej sieti môže existovať viacero I-CSCF serverov. I-CSCF zastrešuje štyri jedinečné úlohy:
- obdržanie adresy ďalšieho skoku (S-CSCF alebo aplikačný server) zo serveru HSS (Home Subscriber Server)
- priradenie S-CSCF servera používateľovi vykonávajúcemu registráciu
- presmerovanie SIP správ na S-CSCF server v prípade ak boli prijaté z inej siete
- generovanie informácií ohľadom účtovania hovorov (CDR) [2].
6. NGN prostredie
Na vytvorenie NGN prostredia bolo použité open sourcové riešenie OpenIMSCore, ktoré v sebe spája funkcionalitu všetkých troch spomenutých serverov P,S,I-CSCF. Samotný program pracuje pod operačným systémom GNU/Linux. Na inštaláciu bola nutné:
Krok1: vytvorenie priečinku s názvom OpenIMSCore v priečinku /opt
mkdir /opt/OpenIMSCore
V priečinku OpenIMSCore vytvoríme priečinky ser_ims a FHoSS, kde následne nahráme zdrojové kódy:
mkdir ser_ims
svn checkout http://svn.berlios.de/svnroot/repos/openimscore/ser_ims/trunk ser_ims
mkdir FHoSS
svn checkout http://svn.berlios.de/svnroot/repos/openimscore/FHoSS/trunk FHoSS
Krok 2: Kompilácia
cd ser_ims
make install-libs all
cd ..
cd FHoSS
ant compile deploy
cd ..
Krok 3: Konfigurácia prostredia
Mysql
mysql -u root -p < style="font-family: monospace;">
mysql -u root -p < FHoSS/scripts/userdata.sql
mysql -u root -p < ser_ims/cfg/icscf.sql
DNS
Doplnenie konfiguračného súboru dns /etc/bind/named.conf o openimscore zónu:
zone "open-ims.test" {
type master;
file "/etc/bind/open-ims.dnszone";
};
Skopírovanie súboru open-ims.dnszone do /etc/bind
cp ser_ims/cfg/open-ims.dnszone etc/bind/
Úprava konfiguračného súboru /etc/resolv.conf
# Generated by NetworkManager
search open-ims.test
domain open-ims.test
nameserver 127.0.0.1
Úprava etc/hosts
127.0.0.1 localhost
127.0.0.1 open-ims.test mobicents.open-ims.test ue.open-ims.test presence.open-ims.test icscf.open-ims.test scscf.open-ims.test
pcscf.open- ims.test hss.open-ims.test
# The following lines are desirable for IPv6 capable hosts
::1 localhost ip6-localhost ip6-loopback
fe00::0 ip6-localnet
ff00::0 ip6-mcastprefix
ff02::1 ip6-allnodes
ff02::2 ip6-allrouters
ff02::3 ip6-allhosts
Restart bind (DNS)server
/etc/init.d/bind9 restart
Krok 4: Samotné spustenie prebieha v troch paralelných terminálových oknách pričom v každom beží jedna z troch funkcionalít P-CSCF, S-CSCF, I-CSCF [1].
7. Topológia
Obr.2 Topológia testovanej siete.
8. Meranie
Pri meraní bol použitý WANem server, ktorý na základe zadaných parametrov simuloval jednotlivé možné scenáre zaťaženia siete. Meranie prebiehalo v dvoch krokoch. V prvom kroku sa určovala možná stratovosť paketov, pri ktorej by bolo možné považovať komunikáciu za prijateľnú na základe MOS a R-faktorov. V druhom kroku sa merala nevyhnutá šírka pásma potrebná na VoIP komunikáciu. Na samotné meranie boli použité softvéry Wireshark a VQmanager. Aby výsledky merania mohli byť porovnávané dĺžka každého hovoru sa pohybovala v rozmedzí od 1 minúty po 1,30 minúty.
Stratovosť v percentách vyjadruje stratovosť nastavovanú na WANem emulátore. Na základe vlastného subjektívneho hodnotenia z prebiehajúcich komunikácií môžem usúdiť, že až do nastavenej hodnoty stratovosti paketov na 5% bola komunikácia neuspokojivá pre obidve strany. Komunikácia bola trhaná a nebolo možné pochopiť zmysel rozhovoru. Tvrdenie dokazujú aj namerané hodnoty, získané z VQmanagera pre hodnoty MOS faktoru, ktoré neprekročili hodnotu 3,6 a hodnoty R- faktoru, ktoré sú pod úrovňou 70.
Až pri stratovosti pod 5% bolo možné uvažovať o uspokojivej komunikácií pri ktorej bolo možné zachytiť zmysel komunikácie. Rovnako aj hodnoty MOS faktoru sa pohybujú nad úrovňou 3,8 v priemere a hodnoty R- faktorov nad úrovňou 77 čo odpovedá uspokojivej komunikácií. Pri nulovej stratovosti paketov komunikácia dosiahla svoje maximum. Namerané hodnoty pre MOS faktor dosiahli úroveň 4,4 čo odpovedá maximálnej možnej hodnote pre použitý kodek G. 711.
Tab.3. Namerané hodnoty MOS a R- faktorov pre jednotlivé percentá stratovosti VoIP komunikácie.
| WANem | Delay(ms) | Jitter(ms) | Loss(%) | MOS | R Factor | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| stratovosť (%) | Min | Max | Avg | Min | Max | Avg | Min | Max | Avg | Min | Max | Avg | Min | Max | Avg |
| 30,0% | 31 | 45 | 34 | 24 | 43 | 27 | 13 | 29 | 16 | 1,3 | 2,9 | 2,7 | 21 | 58 | 54 |
| 20,0% | 29 | 42 | 32 | 20 | 40 | 26 | 8 | 22 | 12 | 1,5 | 3,1 | 2,7 | 27 | 63 | 55 |
| 15,0% | 28 | 41 | 31 | 21 | 37 | 26 | 6 | 16 | 9 | 1,8 | 3,2 | 2,9 | 34 | 66 | 58 |
| 10,0% | 17 | 40 | 34 | 4 | 37 | 28 | 0 | 14 | 8 | 1,9 | 4,4 | 2,7 | 36 | 93 | 54 |
| 5,0% | 36 | 36 | 36 | 32 | 32 | 32 | 2 | 3 | 2 | 3,7 | 3,9 | 3,8 | 75 | 80 | 77 |
| 0,0% | 35 | 35 | 35 | 32 | 33 | 32 | 0 | 0 | 0 | 4,4 | 4,4 | 4,4 | 92 | 92 | 92 |
Šírka pásma zohráva vo VoIP komunikácií významnú úlohu a v značnej miere ovplyvňuje samotnú kvalitu komunikácie. Nakoľko jednotlivé technológie pripojenia majú rôzne šírky pásma nie každá technológia musí byť dostačujúca na kvalitný prenos informácií vo VoIP. Zo získaných výsledkov merania je zrejmé, že technológia ISDN so šírkou pásma 128 kbps je na VoIP komunikáciu nedostatočná. Len samotné použitie G.711 kodeku zaberá 87,2 Kbps. Namerané hodnoty pre danú technológiu sú 3,3 pre MOS faktor a 66 pre R- faktor čo zodpovedá hodnotám pre neuspokojivú komunikácií. Rovnako ani modem technológia, pri ktorom je šírka pásma v porovnaní s ISDN technológiou oveľa vyššia nemala lepšie výsledky.
Namerané hodnoty MOS a R- faktoru boli rovnaké s hodnotami získanými pri technológií ISDN. Z toho dôvodu ani táto technológia nie je postačujúca na kvalitnú komunikáciu. Okrem sledovaných hodnôt MOS a R- faktoru pri prvých dvoch typoch spojenia bola zaznamenaná zvýšená stratovosť paketov a pri technológií modem dokonca zvýšený jitter a oneskorenie. Neporovnateľne lepšie výsledky sa dosiahli s použitou technológiou Standard ADSL a Fast Ethernet, kde hodnoty MOS faktoru dosiahli svoje maximum vzhľadom na použitý kodek G.711 a stratovosť paketov pri prechode sieťou zostala na nulovej hodnote.
Tab.4. Namerané hodnoty MOS a R- faktorov pre šírky pásma jednotlivých typov technológií pripojenia.
| WANem | Delay(ms) | Jitter(ms) | Loss(%) | MOS | R Factor | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| bandwidth | Min | Max | Avg | Min | Max | Avg | Min | Max | Avg | Min | Max | Avg | Min | Max | Avg |
| ISDN 128 (kbps) | 20 | 52 | 31 | 16 | 79 | 32 | 0 | 47 | 21 | 2,7 | 4,4 | 3,3 | 49 | 92 | 66 |
| Modem 9600 (bps) | 34 | 229 | 90 | 32 | 785 | 234 | 0 | 62 | 28 | 1,2 | 4,4 | 3,2 | 13 | 91 | 63 |
| Standard ADSL 6144 (kbps) | 35 | 36 | 35 | 32 | 35 | 33 | 0 | 0 | 0 | 4,4 | 4,4 | 4,4 | 92 | 92 | 92 |
| fast ethernet 100 Mbps | 26 | 35 | 29 | 18 | 32 | 23 | 0 | 0 | 0 | 4,4 | 4,4 | 4,4 | 92 | 93 | 92 |
9. Záver
V príspevku som sa zaoberal vytvorením NGN prostredia za pomoci open sourcového riešenia OpenIMSCore a následným simulovaním vplyvu stratovosti paketov a šírky pásma na QoS parametre VoIP prevádzky. Na základe prvej analýzy sa ukazuje, že na dostatočne kvalitnú komunikáciu je nutná stratovosť paketov pod 5% kedy sú hodnoty MOS a R- faktorov dostačujúce. Stratovosť paketov nad 5% je z hľadiska kvality komunikácie neprijateľná.
Druhá analýza ukázala, že technológie pripojenia akými sú ISDN a Modem sú úplne nevyhovujúce. Hodnoty MOS nevystúpili nad 3,3 a hodnoty R- faktoru nad 66. Pri technológií ADSL a Fast Ethernet boli hodnoty MOS rovné 4,4 a hodnoty R- faktoru v rozsahu 92-93 čo odpovedá veľmi kvalitnej komunikácii. Použitý kodek G.711 dosiahol svoje maximum (hodnota MOS 4,4) pri nulovej stratovosti a pri technológiách ADSL a Fast Ethernet.
Odkazy na literatúru
- OpenIMSCore Installation Guide, [online], [citované 17.4.2011], Dostupné z
http://www.openimscore.org/installation_guide - Kamaljit I. Lakhtaria, Study, analysis and modeling of ip multimedia systems on next generation networks providing mobile and fixed multimedia services, [online] Publikované 20.10.2010, [citované 17.4.2011], Dostupné z
http://ietd.inflibnet.ac.in/handle/10603/734 - Szigeti T., Hattingh Ch., Quality of Service Design Overview, [online] Publikované 17.12.2004, [citované 17.4.2011], Dostupné z
http://www.ciscopress.com/articles/article.asp?p=357102 - Iqbal Umber, SIP-Based QoS Managment Framework for IMS Multimedia, [online] Publikované 5.05.2010, [citované 17.4.2011], Dostupné z
http://paper.ijcsns.org/07_book/201005/20100527.pdf - Giertli T., Subjektívne a objektívne testovanie, [online] Publikované 2006, [citované 25.4.2011], Dostupné z
http://www.qos-diplomka.webzdarma.cz/3_METRIKY/325.HTM
Spoluautorom článku je Ing. Bakyt Kyrbashov, PhD., Katedra telekomunikácií, Fakulta elektrotechniky a informatiky Slovenská Technická Univerzita Ilkovičova 3, Bratislava 812 19
Práca bola prezentovaná na Študentskej vedeckej a odbornej činnosti (ŠVOČ 2011) v sekcii Telekomunikácie V. a získala Cenu dekana, ISBN 978-80-227-3508-7
