EXPERIENCIA II: TRÁFICO EN VOZ SOBRE IP Resumen: En esta experiencia se hará uso de un sniffer para analizar tráfico en telefonía IP y observar el efecto de una red congestionada en la calidad de voz comparando la variación del retardo. También se compara subjetivamente la calidad de voz ofrecida por los principales codecs. 21
3.1.- OBJETIVOS Una vez realizada la experiencia, el alumno será capaz de: Comparar el ancho de banda ocupado por los principales codificadores de voz (codecs). Reconocer el efecto de la supresión de silencios en el ahorro de ancho de banda. Familiarizarse con la calidad subjetiva de voz ofrecida por los principales codecs. Reconocer los efectos de una red congestionada en la calidad de voz comparando la variación del retardo (jitter) en condiciones de congestión y sin congestión de la red. Familiarizarse con la relación entre el ancho de banda y el tamaño de la carga de voz (packetsize). Tener presente los puntos anteriores para saber elegir y configurar el codec adecuado al momento de diseñar una red de datos para el transporte de audio. 3.2.- INTRODUCCIÓN [Est01], [Gue00] El principal objetivo de VoIP es el de realizar llamadas telefónicas aprovechando las redes de datos existentes, independiente de la naturaleza de las mismas. VoIP, en su forma más sencilla funciona de la siguiente manera: Se hace un muestreo de la señal análoga para obtener su representación en forma digital con una tasa de bit promedio de 64 Kbps. Se aplica supresión de silencios, retirando la parte de la señal que no contiene información. Con un codec se realiza una compresión de la señal digital obtenida. La información se empaqueta en datagramas IP La información es transmitida La información es recibida La información es desempaquetada Se realiza la descompresión Se agregan los silencios que fueron suprimidos Se convierte la señal digital en análoga Sin embargo, el principal problema de VoIP sobre el que todavía no existe mucha claridad es la calidad de la voz ofrecida por estas aplicaciones, ya que IP fue diseñado con la filosofía del mejor esfuerzo según la cual los paquetes salen de la fuente hacia su destino 22
sin garantizar un tiempo de entrega y es el protocolo TCP de la pila TCP/IP el encargado de notificar y retransmitir aquellos paquetes que fallaron en alcanzar su destino. Debido a que el tiempo de entrega no está garantizado se producen retardos, lo cual es el factor que tiene mayor importancia en la calidad de la comunicación de voz sobre una red de paquetes. Todo fenómeno que produzca retardo en la transmisión afecta la calidad de la entrega de los paquetes de voz, y este es un tema crítico al momento de diseñar una red de datos para el transporte de audio. La ITU-T recomienda que el retardo máximo permitido en una comunicación de voz de extremo a extremo sea menor a 150 [ms]. Asociado a esto, en las redes de datos, suele producirse un retardo variable producto de congestiones y procesamientos, lo cual puede dañar la calidad de la transmisión de voz. Estas variaciones del retardo, llamadas jitter, pueden crear pausas inesperadas en la reproducción de la información de voz, afectando el entendimiento de la palabra. Teniendo en cuenta una determinada disponibilidad de ancho de banda, y conociendo las características ofrecidas por un codec (tales como consumo de ancho de banda y calidad subjetiva de la voz), y considerando los niveles de retardo y tráfico existentes en la red, es posible diseñar una red de datos para el transporte de voz, o bien, dada una red de datos donde se desea implementar voz sobre IP, saber elegir y configurar el codec adecuado. 3.3.- DESCRIPCIÓN DE LA EXPERIENCIA A partir del escenario configurado en la experiencia 1, se armará el esquema de la figura 3.1. Una vez armado este esquema, se ejecuta el sniffer mientras se cursan llamadas para hacer varios tipos de mediciones relacionadas con el tráfico y orientadas a determinar la vialidad de un proyecto VoIP: Comparar el ancho de banda ocupado por tres de los principales codecs: G.711, G.729 y G.723.1. Medir el ahorro de ancho de banda usando supresión de silencios. Comparar subjetivamente la calidad de voz ofrecida por los codecs (para esto no se requiere usar el sniffer). Visualizar el efecto que tiene la congestión de una red sobre la variación del retardo (jitter). Medir el ancho de banda en función del tamaño de la carga de voz en milisegundos (packetsize). 23
Teléf ono digital PBX HUB PC con Web Browser y Netmeeting y Sniffer Gateway A Gateway B Terminal RDSI Terminal RDSI Figura 3.1.- Montaje en el laboratorio 3.4.- INFORME PREVIO [Est01], [Onv95], [Her00] 3.4.1 Se quiere cursar telefonía IP entre dos oficinas, ubicadas en Valparaíso y Santiago, y pertenecientes a la misma Intranet. En Santiago se tiene un PC y un gateway VoIP con un terminal RDSI. En Valparaíso se ha conectado una PBX, un PC y un teléfono RDSI a otro gateway VoIP, tal como se indica en la figura 3.2. 24
r ea d y l i n k a ct. PPP t el 1 t e l 2 IP 400 IP 400 r ea d y l i n k a ct. PPP t el 1 t e l 2 Santiago Dir. IP: Terminal RDSI Nº: PBX Nº: Interfaz BRI: HUB PC1 innovaphone (intranet) innovaphone Dir. IP: GWA GWB Dir. IP: Terminal RDSI Teléf ono digital Nº 221 PC2 Valparaíso Dir. IP: Nº: Nº: Interfaz BRI: Figura 3.2.- Escenario de aplicación de la experiencia Complete la figura 3.2 asignando números telefónicos o IP según corresponda, y elabore una tabla con las rutas para cursar telefonía IP en los siguientes casos: a) Llamadas entre los terminales RDSI conectados en gateways separados b) Llamadas entre teléfonos RDSI y un terminal de la central telefónica c) Llamadas entre un terminal de la central telefónica y un PC d) Llamadas entre PC1 y PC2 Nota: Use el siguiente formato para describir cada ruta configurada en un gateway: Enable calls from interfaces -> Default call destination Called number in -> Called number out 25
Donde los campos Enable calls from interfaces y Default call destination se muestran en la figura A.19 en la sección 1.3.3.1 Configuración de las Rutas del anexo A; y los campos Called number in y Called number out se muestran en la figura A.20 de la misma sección del anexo A. En la tabla 3.1 se muestra un ejemplo para las rutas de la letra a). Para este ejemplo se supuso la siguiente información: Teléfono RDSI Valparaíso: 9821148 Teléfono RDSI Santiago: 9721011 En lo que respecta a las interfaces VoIP configuradas en cada gateway (ver sección 1.3.2 Configuración de Interfaces VoIP del anexo A), supongamos que en el gateway A se registra el gateway B como GW1 en el campo VOIP Interfaces (figura A.13 ó A.14 del anexo A) y que en el gateway B, se registra el gateway A como GW1. Rutas gateway A Rutas gateway B Descripción Tel1 -> GW1(GWB) 9721011 -> 9721011 GW1(GWA) -> Tel2 9721011 -> 9721011 a1: 9821148 llamando hacia 9721011 GW1(GWB) -> Tel1 9821148 -> 9821148 Tel2 -> GW1(GWA) 9821148 -> 9821148 a2: 9721011 llamando hacia 9821148 Tabla 3.1.- Rutas configuradas en cada gateway (ejemplo de ayuda) 3.4.2 Explique brevemente como puede ser medido el problema del jitter y como puede ser controlado. 3.4.3 La supresión de silencios es una de las principales técnicas utilizadas para ahorro de ancho de banda, indique cuánto es el ahorro estimado. Justifique. 3.4.4 Para los codecs G.711, G.729 y G.723.1, compare la tasa de transmisión la medida MOS (Mean Opinion Score) y el retardo: i) Con cuál de estos codecs esperaría tener un mayor ahorro de ancho de banda? ii) Con cuál de estos codecs esperaría tener una mejor calidad subjetiva de voz? iii) Con cuál de estos codecs esperaría tener un menor retardo? iv) Considerando un compromiso entre ancho de banda ocupado, la calidad subjetiva de voz y el retardo, Cuál o cuáles de estos tres codecs preferiría usar para transmitir voz sobre IP? Por qué? 26
3.4.5 Indique cuantos milisegundos de voz contiene un muestreo de los codecs G.711, G.729 y G.723.1. Suponga que quiere comparar estos tres codecs midiendo con el mismo tamaño de muestreo y teniendo en cuenta que un paquete de voz puede contener una, dos o más muestras Cuántos milisegundos de voz (packetsize) podría contener cada paquete de voz para comparar los tres codecs con el mismo packetsize? 3.5.- DESARROLLO DE LA SESIÓN 3.5.1 Arme el esquema de la figura 3.2 del preinforme y configure las rutas faltantes para realizar llamadas entre: a) Llamadas entre los terminales RDSI conectados en gateways separados b) Llamadas entre teléfonos RDSI y un terminal de la central telefónica c) Llamadas entre un terminal de la central telefónica y un PC d) Llamadas entre PC1 y PC2 3.5.2 Comparación de ancho de banda entre distintos codecs con/sin supresión de silencios y comparación subjetiva de la calidad de voz. Realice llamadas de al menos dos minutos de duración con los codecs G.711, G.729 y G.723.1 y en cada caso mida el ancho de banda (BW) con el sniffer. Asegúrese de ocupar el mismo tamaño de packetsize en el IP 400 (por defecto, packetsize = 60 [ms], también sirve 30 ms, 90 ms ó 150 ms). En cada caso se recomienda primero hacer la llamada y, mientras se mantiene, hacer correr el sniffer para capturar datos durante al menos dos minutos. Si es posible, mantenga alejados los teléfonos entre sí para evitar escuchar la voz del interlocutor en el ambiente. Obtenga el valor medio y la desviación estándar del ancho de banda. Establezca si este parámetro permite especificar en buena medida la rafagocidad de la fuente. Realice los cálculos de promedio y desviación estándar usando la técnica descrita en el anexo B. a) Antes de realizar llamadas para medir el ancho de banda ocupado por cada codec mida el tráfico ocupado en la red sin transmitir datos ni realizar ninguna llamada. b) Ahora mida el ancho de banda ocupado por cada codec sin utilizar supresión de silencios y compare. c) Compare el ahorro de ancho de banda aplicando supresión de silencios. Para esto configure los gateways para usar el modo de supresión de silencios y mida 27
nuevamente con el sniffer el ancho de banda ocupado por cada codec. Para una medición más real, es necesario mantener una conversación fluida y espontánea. También puede ser útil la lectura de un texto, alternando en cada punto seguido o coma y comentar lo que se ha leído. d) Compare subjetivamente la calidad de voz ofrecida por cada codec. Para esto se sugiere que uno de los integrantes del grupo configure los codecs sin informar a los otros dos integrantes que mantienen la conversación cuál codec se está ocupando. Los escuchas deben hacer un esfuerzo para apreciar una diferencia en cada medición y determinar cual es mejor. Si es necesario, se puede modificar la prueba escuchando música a través de la llamada telefónica, juntando los audífonos (o parlantes) con el micrófono de uno de los teléfonos y apreciar la diferencia desde el otro extremo. Asigne valores entre 1 y 5 (medida MOS) para calificar subjetivamente la calidad de voz. Con los resultados obtenidos complete la tabla 3.2: Packetsize: CODEC BW sin supresión de silencios [kbps] BW con supresión de silencios [kbps] Ahorro de BW Ranking subjetivo de calidad de voz G.711 G.729 G.723.1 Tabla 3.2.- Comparación de ancho de banda y calidad subjetiva de voz 3.5.3 Comparación del nivel de jitter al congestionar la red. Elija un codec para realizar las mediciones. En cada caso se recomienda primero hacer la llamada y, mientras se mantiene un diálogo fluido, hacer correr el sniffer para capturar datos durante al menos dos minutos. a) Realice una llamada con la red despejada y mida con el sniffer el promedio de jitter. b) Congestione la red con el generador de tráfico del sniffer, realice una llamada y mida con el sniffer el promedio de jitter. Registre el nivel de congestión producido en la red. c) Congestione la red con el generador de tráfico, transfiera un archivo grande entre pc1 y pc2, y transfiera otro archivo grande entre pc2 y pc1. Realice una 28
llamada y mida con el sniffer el promedio de jitter. Registre el nivel de congestión producido en la red. Con los resultados obtenidos, complete la tabla 3.3: CODEC: Nivel de congestión Sin congestión %Utilización: kbit/s: Con generador de tráfico. %Utilización: kbit/s: Con generador de tráfico y traspaso de archivos. %Utilización: kbit/s: Packetsize: Promedio de Jitter [µs] Tabla 3.3.- Comparación de nivel de jitter al congestionar la red 3.5.4 Medición de ancho de banda en función del packetsize. Elija un codec para realizar las mediciones. En cada caso se recomienda primero hacer la llamada y luego hacer correr el sniffer para capturar datos durante algunos segundos. No ocupe supresión de silencios en ningún caso. Asegure que la red esté despejada antes de hacer las mediciones. Con la ayuda del sniffer, registre el tamaño del paquete de voz (payload) y el ancho de banda ocupado en cada caso: a) Efectúe una llamada con un packetsize de 30 ms. b) Efectúe una llamada con un packetsize de 60 ms. c) Efectúe una llamada con un packetsize de 150 ms. Con los resultados obtenidos, complete la tabla 3.4: Packetsize [ms] 30 60 150 Tamaño del paquete de voz [Bytes] Payload [Bytes] CODEC: Promedio de Ancho de Banda [kbit/s] 3.6.- INFORME FINAL Tabla 3.4.- Ancho de banda en función del packetsize 29
3.6.1 Presente un diagrama completo del escenario armado en el laboratorio e indique las rutas que se configuraron en cada gateway. 3.6.2 Describa brevemente como realizó las mediciones del punto 3.5.2 y presente una tabla con los resultados. Comente. 3.6.3 Describa brevemente como realizó las mediciones del punto 3.5.3 y presente una tabla con los resultados. Comente. 3.6.4 Describa brevemente como realizó las mediciones del punto 3.5.4 y presente una tabla con los resultados. Comente. 3.6.5 En base a los resultados obtenidos en el punto 3.6.4: a) Deduzca una relación que permita calcular el tamaño de la de carga de voz (payload) en función de la duración del packetsize. Complete la tabla 3.5. Packetsize Codec G.711 G.729 G.723.1 (6.3) 30 [ms] 60 [ms] 150 [ms] Tabla 3.5.- Payload en bytes en función del packetsize b) Deduzca una relación para calcular el ancho de banda ocupado en una conversación VoIP (full duplex), sobre una red Ethernet, en función del packetsize. Complete la tabla 3.6 y compare con la tabla 3.2 (sin supresión de silencios). Packetsize Codec G.711 G.729 G.723.1 (6.3) 30 [ms] 60 [ms] 150 [ms] Tabla 3.6.- Ancho de banda en kbit/s en función del packetsize 30
Según los resultados, indique cuantas llamadas simultáneas se pueden cursar en un enlace de 64 kbps para cada codec. Como mejoraría esto al usar supresión de silencios? Comente. 3.7.- REFERENCIAS [Est01] [Gue00] [Onv95] [Her00] V. Estay, C. Frez, Estudio y Aplicación del Transporte de Voz sobre Intranet IP, Memoria de Título, UTFSM, 2001. W. Guerrero, Análisis de desempeño de voz sobre IP VoIP en redes corporativas, Tesis de grado, Universidad de los Andes, Colombia, 2000. http://iee.uniandes.edu.co/arch/tm00110.pdf R. Onvural, Asynchronous Transfer Mode Networks: Performance Issues, Artech House, Boston, 1995. O. Hersent, D. Gurle, J. Petit, IP Telephony packet-based multimedia communications systems, Addison-Wesley, Edimburgo, 2000 31