VoIP
paraméterek elosztott, valósidejű mérése
Dr. Do Van Tien, BME Híradástechnikai Tanszék
Pándi Zsolt, BME Híradástechnikai Tanszék
Király Csaba, BME Híradástechnikai Tanszék
{do,pandi,cskiraly}@hit.bme.hu
Bevezető
A többszereplős távközlő piacon a távközlési szolgáltatóknak
folyamatosan bővíteniük kell a szolgáltatásaikat és növelniük kell a
szolgáltatási minőséget. Ennek a folyamatnak legjobban szemléltethető
példája az IP alapú valósidejű szolgáltatások (IP telefon,
streaming audió és videó) elterjedése, amelyek fejlődését nyilvánvalóan a
gazdasági verseny indította valamint szélesebb felhasználása a harmadik és
negyedik generációjú mobil hálózatokban várható. A gazdasági előny
feledtette a felhasználókkal az összeköttetés gyengébb minőségét (nagy
késleltetés, akadozó hang). A kialakult gyakorlatra felfigyelt a szolgáltatói
oldal, és ma már komoly távközlési szolgáltatók is ajánlanak IP alapú
telefonhívást annak ellenére, hogy az alapprobléma több eleme a mai napig
megoldatlan.
Az IP hálózatban alkalmazott "best effort" szolgáltatási modell
megfelelő működése az alkalmazások együttműködési képességén
alapszik, amelyet a TCP protokoll a korábbi alkalmazások többségénél biztosít.
Egy nem valósidejű alkalmazás ugyanis a TCP protokoll segítségével
implicit visszacsatolással alkalmazkodni tud a hálózatban kialakult forgalmi
helyzetekhez. Ugyanakkor a valósidejű alkalmazások az igényeikhez jobban
igazodó UDP protokollt használják, amely nem képes önszabályozásra. Az ilyen
jellegű forgalmak terjedésével megbomlik a hálózat optimális
működését biztosító együttműködés az alkalmazások között.
A távközlési szolgáltatók céljai (a szolgáltatások bővítése és a
minőség biztosítása) csak úgy valósíthatók meg, ha a hálózatokban új
technológiákat alkalmaznak (Integrated Service Architecture, IntServ,
Differentiated Service Architecture, DiffServ, MultiProtocol Label Switching,
MPLS). Ugyanakkor az is nyilvánvaló, hogy az új technológiák által biztosított
előny elvész, ha az üzemeltetők az új hálózatokban a hagyományos
hálózatüzemeltetést is meghonosítják. A csak egyfajta szolgáltatás nyújtására
kihegyezett PSTN hálózatokban valamint az eredetileg "nem szolgáltatói"
szemlélettel megtervezett Internetben azt a hálózatüzemeltetési megközelítést
alkalmazzák, hogy a hálózatban folyó forgalmat üzemeltetési célból csak nagyon
ritkán kell mérni, továbbá a technológiai korlátok miatt csak preventív
módszerekkel lehet beavatkozni a hálózatban zajló folyamatokba.
Az új technológiájú hálózatokban ezzel szemben a hatékony
hálózatüzemeltetés egyik kulcskérdése a forgalommenedzselés (Traffic
Engineering, TE), amely magában foglalja a hálózattervezés kérdéseit, a
hálózati forgalom folyamatos mérését valamint a mérési eredmények elemzése
alapján a hálózat megfelelő konfigurálását. Úgy kell méretezni és az
üzemeltetés során úgy kell konfigurálni a hálózatot, hogy az
előfizetők alkalmazásai számára garantálni lehessen a megfelelő
minőségi paramétereket. Ebben a hálózaton kialakult forgalom paramétereinek
gyűjtése, mérése és elemzése játssza a kulcsszerepet.
Az előbbiekben felsorolt feladatok közül ezt a kulcsproblémát, a
hálózat által kiszolgált alkalmazások forgalmának mérését, ezen belül is a VoIP
alkalmazások forgalmának mérését választottuk célkitűzésünknek, amelyet az
Oktatási Minisztérium által támogatott 00060/2002 számú IKTA projekt keretében
tervezünk megvalósítani.
Cikkünkben először ismertetjük a hálózatüzemeltetők által
végzett mérések lehetséges céljait, majd a mérendő hálózat felépítését mutatjuk
be. Ezt követi a mérendő jellemzők és a mérőhálózat leírása,
majd a mérésekhez szükséges berendezések ismertetése. A cikk végén a rendszer
működéséhez szükséges adatbázissal és a felhasználói felülettel szemben
támasztott követelményeket részletezzük, majd röviden összegezzük az
elmondottakat.
Mérések
A zökkenőmentes szolgáltatás érdekében a hálózat
üzemeltetőjének több okból is méréseket kell végeznie:
- Tesztelés:
egy távközlési hálózat telepítését, bővítését követően
szisztematikusan és részletesen tesztelni kell a kiépített hálózat
minőségét, azaz ellenőrizni kell, hogy megfelel-e a tervezés
során rögzített követelményeknek. Az üzemeltetés során felhalmozódó
tapasztalatok és a felhasználói szokások változásának függvényében a hálózat
optimalizálása is elengedhetetlen, ez szintén megköveteli a minőségi
paraméterek mérését.
- SLA
folyamatos monitorozása: a hálózat üzemeltetője az általa nyújtott
távközlő szolgáltatás minőségét az ügyfelekkel és a többi
szolgáltatóval kötött szerződésekben (SLA: Service Level Agreement)
rögzíti. Ezen paraméterek valamint a törvényi előírások
teljesülésének ellenőrzése csak a hálózat rendszeres mérésével
végezhető el. A hálózat minőségének mérése tehát a rendszeres
üzemeltetési feladatoknak is része.
- Hibakeresés:
szintén mérés szükséges a hálózatban felmerült hibák okának
felderítéséhez, helyének lokalizálásához.
Az itt felsorolt feladatok közül az SLA monitorozás jellege
jelentősen eltér a többitől. Ez ugyanis rendszeresen
ismétlődő tevékenység, ahol a mérés célja a vállalt paraméterek
alátámasztása hiteles, minden egyes alkalommal azonos módon végrehajtott
mérésekkel.
A telepítés, bővítés, optimalizálás és hibakeresés során ezzel
szemben a feladatot végző mérnök valamilyen problémára keres megoldást,
nem rendszeresen ismétlődő, hanem egyedi méréseket tervez meg és hajt
végre. Rendszerünk célja ezen mérnöki
tevékenység támogatása a lehetséges mértékben. Ez az alábbi feladatokat
foglalja magában:
- elvégzendő
mérések kijelölésének támogatása,
- a mérés
végrehajtásának automatizálása,
- a mérés
eredményeinek tárolása és a mérés dokumentálása
- az
eredmények értelmezésének támogatása mind önmagukban, mind korábbi mérések
eredményeivel összevetve.
A mérendő hálózat
Rendszerünk célja VoIP hálózatok minőségi paramétereinek mérése.
Az IP hálózati technológiát a telefonhálózatok több területén is fel lehet
használni:
- Telefonszolgáltatók
hálózatainak költséghatékony összekapcsolására: ennek terjedését
napjainkban leginkább az új nemzetközi hívási lehetőségekben érzékelhetjük.
- Szolgáltató
gerinchálózatának hatékony megvalósítására.
- IP
protokollt támogató végberendezések (IP telefonok) bekapcsolására egy
integrált IP-alapú hálózatba.
A felsorolt lehetőségek közül az első és a második
felhasználási mód a mi szempontunkból megegyezik, csupán az alkalmazott
eszközök kapacitásában és a hálózat méreteiben tér el. A mérendő
hálózat legfontosabb része tehát ez az IP gerinchálózat, mely mind a hang-,
mind a jelzési-forgalom továbbítását végzi. A hálózat üzemeltetőjének döntésétől
függően az IP hálózat más adatforgalmat is kiszolgálhat, vagy lehet egy
speciális IP hálózat, mely csak ezeket a csomagokat továbbítja.
A mérések során nem foglalkozunk az IP alatti rétegek konkrét
megvalósításával, az IP routereket összekötő alhálózatoknak tehát csak IP
és magasabb szintű jellemzőit vizsgáljuk. Ennek megfelelően a
gerinchálózatra mint IP routerek hálózatára tekintünk.
Egy IP-alapú telefonhálózat esetében biztosítani kell az
összekapcsolást áramkörkapcsolt hálózatokkal (Switched Circuit Network, SCN)
is: ideértjük a PSTN-en kívül, az ISDN és a GSM hálózatokat is. Az IP
hálózatban továbbított hang és jelzési adatok átalakítását az áramkörkapcsolt
hálózatra, illetve a visszaalakítást az ellenkező irányban egy ún. gateway
(átjáró) biztosítja. A gateway szerepe a hangminőség biztosításában
jelentős, hiszen itt történik az IP csomagokból a hangadat összeállítása,
a késő vagy elvesző csomagok helyének feltöltése valamilyen hanggal
(pl. utolsó csomag ismétlése) és a dekódolás. Gateway berendezések kapcsolják
össze két eltérő technológiát alkalmazó szolgáltató hálózatát, de gateway
berendezés biztosítja azt is, hogy az ügyfél használhassa már meglevő
készülékeit és belső hálózatát akkor is, ha egy IP-alapú technológiát
használó szolgáltatóhoz kapcsolódik. Szintén gateway berendezéseket használ egy
szolgáltató, ha fokozatosan állítja át hálózatának egyes részeit IP
technológiára.
A hívást kezdeményező illetve fogadó végberendezések lehetnek IP
telefonok is, melyek közvetlenül kapcsolódnak az IP hálózathoz.
1. ábra: A
mérendő hálózat sematikus vázlata
A mérendő hálózat sematikus vázlatát mutatja az 1. ábra. Mint
látható a hálózati kép korántsem teljes, más szolgáltatók hálózatáról csak
részleges információkat tartalmaz. Feltételezésünk szerint a mérést végző
személy nem feltétlenül fér hozzá a teljes hálózathoz, ezért a mérés során
fontos figyelembe venni, hogy mely végpontokhoz fér hozzá, honnan
kezdeményezhet hívásokat. Szintén elengedhetetlen annak ismerete, hogy hol
vannak (és hol helyezhetők el) olyan mérőeszközök, melyeket
vezérelhet illetve amelyeknek az eredményeihez hozzáférhet a mérés irányítója.
Mérendő jellemzők
VoIP hálózatok minőségének ellenőrzéséhez meg kell
határoznunk, hogy rendszerünknek mely jellemzőket kell mérni és az egyes
paraméterek mérésére milyen módszerek használhatók.
A mérendő jellemzők értéke a hálózat architektúrájától,
valamint a rajta lebonyolított forgalom paramétereitől (a forgalom
nagysága, karakterisztikái, sztochasztikus jellemzői) függ.
A gyakorlatban a jellemzők két fő kategóriába sorolhatók:
- a hálózatszintű
teljesítőképességi jellemzők közvetlenül meghatározzák a hálózat
által nyújtott szolgáltatások minőségét. Hálózatszintű
jellemző például az átlagos hálózati csomagvesztés, az átlagos
sorbanállási késleltetés, a teljes
átlagos késleltetés, megbízhatósági jellemzők (MTBF), stb.
- az alkalmazásszintű
jellemzők általában az adott alkalmazásra vonatkoznak, és közvetlen
kapcsolatban állnak a hálózatszintű jellemzőkkel. Az alkalmazásszintű
és hálózatszintű jellemzők között matematikailag pontosan
leírható összefüggés sok esetben még nincs kidolgozva.
Az alkalmazásoktól és hálózat típusától függően különböző
jellemzők azonosíthatók, ezek mérésére több mérési módszer is alkalmazható.
IP témakörben jelenleg az IETF IP Performance Metrics munkacsoportja [1] foglalkozik IP hálózat és IP alkalmazások
esetén alkalmazható jellemzők és mérési módszerek kidolgozásával [2], [3], [4]. Az ITU-T törekvései a valósidejű
beszédátvitel elemzésére alkalmas MOS jellemzők definiálására és mérési
módszerek kidolgozására irányulnak [5], [6], [7], [8], [9].
A rendszer céljai szempontjából a legfontosabb IP hálózatszintű
paraméterek:
- csomagvesztés
- késleltetés
- jitter
A VoIP alkalmazásszintű paramétereket pedig két csoportba
sorolhatjuk: a jelzésre vonatkozó valamint a hangátvitelre vonatkozó
jelemzők. A jelzésre vonatkozók:
- Post Dialing
Delay,
- Setup
Attempts.
A hangátvitelre vonatkozó jellemzők:
- hangminőség
(MOS),
- hang
késleltetés (Round Trip Delay),
- igényelt
sávszélesség [10].
A jellemzők leírását és a RADCOM eszközök által mért
jellemzőket a mérőeszközökről szóló fejezetben ismertetjük. Az
eszközök a felsoroltakon kívül további minőségi paraméterek mérését is
támogatják.
Mérőhálózat
A hálózatban több ponton vannak mérőeszközök elhelyezve. Ezek
feladata hívások indítása és fogadása, valamint hívások minőségi
paramétereinek figyelése. Egy összetett mérés több eszköz működésének
összehangolását igényli és ezek az eszközök földrajzilag távol helyezkedhetnek
el egymástól. Az eszközök vezérléséhez és a mérési adatok begyűjtéséhez
ezért elengedhetetlen az eszközök összekötése valamilyen adathálózattal, ezt
nevezzük mérőhálózat (szemben a hang- és vezérlési forgalmat
továbbító mérendő hálózattal).
A mérőhálózat megvalósítására kézenfekvő megoldás ugyanazt az
IP hálózatot használni, ami a mérendő hálózat funkcióit is ellátja. Így a
mérőberendezések egyszerűen telepíthetők és áthelyezhetők.
Ennek a megoldásnak azonban vannak hátrányai és akadályai is:
- Minden mérés
egyik alapelve, hogy a mérés végrehajtása a lehető legkisebb
mértékben befolyásolja a mért értékeket. Ez a követelmény mindenképp
elkülönített mérőhálózat mellett szól. Amennyiben mégis kihasználjuk
az IP hálózat adat- és hangátvitelt integráló képességét, törekednünk kell
arra, hogy a mérés által generált adatforgalom minél kisebb legyen.
- IP
hálózatokban biztonsági szempontokból gyakran alkalmaznak úgynevezett
tűzfalakat, melyek a hálózat határain csak bizonyos szabályoknak
megfelelő forgalmat engednek át. Azokban az IP gerinchálózatokban,
melyeket a szolgáltatók kifejezetten VoIP célokra használnak, gyakran
korlátozzák az egyéb adatforgalmat. Ez (a már meglevő hálózatokban)
szükségessé teheti külön mérőhálózat kiépítését vagy a hálózat
átkonfigurálását.
- Egyes
mérések elvégzéséhez szükséges lehet a hagyományos telefonhálózathoz
kapcsolódó mérőeszközök használata is. Ezen eszközök vezérlését is
érdemes a többi eszközével egységesen egy IP-alapú mérőhálózattal
megoldani, a szolgáltató IP hálózata azonban gyakran nem terjed ki eddig a
pontig.
Mindezeket figyelembe véve arra törekszünk, hogy a mérőhálózat
kialakítását minél egyszerűbbé tegyük. A rendszerrel szemben az alábbi
követelményeket fogalmazhatjuk meg:
- Azonos IP
hálózat használata esetén a mérési adatforgalmat olyan szinten kell tartani, hogy az ne
befolyásolja számottevően a mérés
eredményét.
- A
rendszerben a lehetséges mértékben felkell készülni a tűzfalak támogatására, valamint egyes
mérőberendezések különálló IP hálózaton keresztüli (pl. GPRS kapcsolat) bekötésére.
Bizonyos mérési módszerek esetén szükséges a mérőeszközök óráinak
szinkronizálása is. Esetünkben két potenciális szinkronizálási módszer
alkalmazható, az Interneten elterjedt NTP protokoll [11], vagy az egyes berendezésekhez kapcsolt GPS
vevők alkalmazása.
Mérőeszközök
A méréseket a RADCOM cég Performer mérőeszközeivel és néhány saját
készítésű segédprogrammal végezzük. A Performer család általunk használni
kívánt tagjai a QPro, MediaPro, SipSim és a Capture. Az általunk megvalósítandó
eszközök a SIP Echo és a SIP Recall.
QPro
A QPro analóg hívásokat képes generálni, és a hívás felépítésére
vonatkozó jellemzőket, valamint az egész hívás hangminőségét leíró
tulajdonságokat tudja mérni. A hívásokat például analóg, E1 vagy ISDN BRI
interfészen képes felépíteni.
A hívás felépítésének jellemzőit a hívás megfigyelésével,
passzívan méri:
- Post Dialing
Delay: Analóg hívásnál a tárcsázás vége és az erre a telefonközpont által
adott valamilyen válasz kezdete közötti idő (ms). ISDN esetén a SETUP
üzenet utolsó bitjének elküldése és az arra adott válasz első
bitjének érkezése között eltelt idő.
- Setup
Attempts: A hívás sikeres felépítéséhez szükséges próbálkozások száma
(db).
A QPro a hívás hangminőségét speciális algoritmusok segítségével
elemzi (Perceptual Analysis Measurement System [12] és Perceptual Evaluation of Speech Quality [9]).
A hálózat egyéb jellemzőit is képes mérni a QPro aktív módon:
ezeket két QPro között lehet mérni, az egyiken visszahurkolva a jelet.
- Round Trip
Delay: A jel terjedési ideje a hívótól a hívottig és vissza (ms).
- Echo Delay:
A visszhang késleltetése (ms).
- Return Loss:
Az eredeti jel és a visszhang aránya (dB).
A QPro képes még DTMF integritást mérni, azaz meghatározni, hogy mely
DTMF jeleket nem viszi át a hálózat.
MediaPro
A MediaPro Ethernet interfészen keresztül képes figyelni az IP
hálózaton zajló telefonhívásokat. Figyeli a jelzést (SIP vagy H323) és a
hangforgalmat (RTP). A hangfolyamot képes összeállítani, és online értékelni a
minőségét. A hívás hangminőségét csak akkor tudja értékelni, ha a
media stream a MediaPro referencia hanganyagainak egyike. Erről a hívást generálónak kell gondoskodnia.
Más hang esetén csak csomagszintű paramétereket mér.
Egyébként a MediaPro képes ugyanazokat a minőségi jellemzőket
mérni, mint a QPro berendezés, de mérhetők a hívásra vonatkozó egyéb
paraméterek is:
- jitter: a
csomagok érkezési idejének ingadozása.
- csomagvesztés:
az elveszett csomagok aránya az összes csomag százalékéban.
A MediaPro rengeteg egyéb statisztikát is gyűjt (csomagszám,
időtartam, lezárás oka, stb.), és sok más szolgáltatása is van (hívások
feltételes elmentése, rögzített hívások visszajátszása, egyes csomagok
dekódolása, stb.), de ezeknek számunkra nincs jelentősége.
SIPSim
A SIPSim egy SIP hívásgenerátor. Megadott eloszlás szerint képes
hívásokat kezdeményezni SIP terminálok vagy saját maga felé. Főleg a
vezérlés tesztelésére való (egyszerre 2000 hívást kezel), de képes néhány (150)
hívás hangforgalmát is szimulálni.
SIP Echo
SIP user agent, ami képes hívást fogadni, és a kapott RTP streamet
visszaküldi. SIP hívások jelzés- és hangforgalmának méréséhez lehet használni
hívásgenerátorral együtt. Lehet késleltetés mérésére is használni, a mérést a
hívó fél végzi. Passzív eszköz, külön konfigurációt nem igényel, mérési
adatokat nem generál.
SIP Recall
SIP user agent, ami képes hívást fogadni, és a kapott RTP streamet
rögzíti. A hívás vége után kisvártatva visszahívja a hívót, és visszajátssza az
imént felvett hangot. SIP hívások
jelzés- és hangforgalmának méréséhez lehet használni hívásgenerátorral együtt.
A hívás irányának megfordítása a jelzés irányfüggő hibáinak felderítését
teszi lehetővé. Passzív eszköz, külön konfigurációt nem igényel, mérési
adatokat nem generál.
Tárolandó adatok
A mérőrendszer működéséhez szükséges adatok mennyisége,
valamint a mérések során keletkező adatok későbbi vizsgálhatóságának
követelménye szükségessé teszi adatbázis használatát. Az adatbázisnak az alábbi
adatokat kell tárolnia:
- a
mérendő hálózat struktúrája és topológiája,
- a
mérőhálózat elemei és eszközeinek elhelyezkedése, kapcsolódási pontok
a mérendő hálózathoz,
- a
végrehajtható mérések leírása,
- a korábban
végrehajtott mérések leírása (beleértve az akkori hálózat-topológiát is)
és eredményei,
- felhasználói
adminisztrációhoz szükséges adatok.
Felhasználói felület
A kezelői felület egy interfész, melyen keresztül a felhasználó (felhasználó
alatt a humán felhasználót értjük)
- konfigurálja
a mérőrendszert,
- vezérli a
méréseket
- és
kiértékeli az eredményeket.
Természetes elvárás, hogy a felhasználói felület jól áttekinthető,
egyszerűen kezelhető hozzáférést biztosítson a felhasználó számára.
A felhasználói felület egy tipikus kliens-szerver alkalmazás. A
felhasználó a kliens alkalmazással áll interaktív kapcsolatban. A kliens által
közvetített parancsokat (a mérőrendszer vezérlése, mérési eredmények
lekérése) a szerver végrehajtja, majd a választ visszaküldi a kliensnek, ami
kijelzi azt a felhasználó számára.
A kliens-szerver alkalmazással szemben a következő követelményeket
támasztjuk:
- TCP
kapcsolatot használjon: A kliens rugalmas elhelyezése megkívánja, hogy univerzális átviteli
protokollt használjon a kapcsolat. TCP-vel a feladat megoldható - akár
azonos gépen fut a kliens és a szerver, akár nagy távolságban lévő
gépeken.
- "Thin
client": A kliens host (távoli elérés esetén) az alkalmazó által a
feladatra kijelölt gép. Nem várható el, hogy speciális követelményeknek
feleljen meg a felhasznált hardver, következésképpen törekedni kell arra,
hogy minimális feldolgozási igény merüljön fel a kliens oldalon. A szerver
oldalon megkövetelhető nagyobb teljesítményű gép telepítése. A
nagy számításigényű feladatokat a szerver oldalra kell koncentrálni.
- Minimális
kötöttség kliens oldalon: Úgy kell a rendszert kialakítani, hogy a leggyakrabban használt operációs
rendszerek bármelyike alatt futhasson a kliens alkalmazás. Ezzel szabad
kezet kap a felhasználó a kliens-oldali operációs rendszer
megválasztásában (azaz nem kell a kliens gépet kizárólagosan a mérőrendszerhez rendelnie).
Összegzés
Cikkünkben egy VoIP hálózatok üzemeltetőinek szánt rendszer
tervezése folyamán felmerült szempontokat elemeztük. A rendszer
célkitűzéseink szerint alkalmas lesz akár építés alatt álló, akár már
kiépült, VoIP technológiát alkalmazó hálózatok forgalmi viselkedésének
mérésére, miáltal segítséget nyújt az üzemeltetőnek kritikus hálózati
pontok és forgalmi helyzetek azonosításában és a működési paraméterek
finomhangolásában. Rendszerünk a mérési eredmények előállításában a RADCOM
cég célhardvereire épít; a hozzáadott értéket a mérések több eszközre
kiterjedő, átfogó megszervezése, lebonyolítása és az összegyűjtött és
feldolgozott mérési eredmények áttekinthető prezentálása jelentik.
Irodalom
[1]
http://www.ietf.org/html.charters/ippm-charter.html
[2]
V.G. Cerf.,
RFC1262 Guidelines for Internet Measurement Activities. 1991. október
[3]
N. Brownlee.,
RFC2720 Traffic Flow Measurement: Meter MIB., 1999. október
[4]
N. Brownlee, C.
Mills, G. Ruth., RFC2722 Traffic Flow Measurement: Architecture. 1999.
október
[12]
Perceptual
Analysis Measurement System (PAMS), British Telecom, 1997