Estudo da Qualidade de Serviço de uma Aplicação VoIP em Ambientes Wireless com Handoff

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1 Estudo da Qualidade de Serviço de uma Aplicação VoIP em Ambientes Wireless com Handoff Patrícia Aloise Couto Orientador: Prof. Dr. João Batista Bezerra Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós - Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação da UFRN como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Ciências. Número de ordem PPgEE: M259 Natal, RN, 19 Fevereiro de i

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3 Estudo da Qualidade de Serviço de uma Aplicação VoIP em Ambientes Wireless com Handoff Patrícia Aloise Couto Dissertação de Mestrado Aprovada em 19 Fevereiro de 2010 pela banca examinadora composta pelos seguintes membros: Prof. Dr. João Batista Bezerra (orientador) DCA/UFRN Prof. Dr. Sergio Vianna Fialho (Avaliador Interno) DCA/UFRN Prof. Dr. Ricardo Alexsandro de Medeiros Valentim (Avaliador Externo) IFRN ii

4 Agradecimentos A Deus por todas as oportunidades que me foram concedidas. A minha família pelo apoio e incentivo durante toda esta jornada. Em especial aos amigos e colaboradores Ronaldo Maia de Medeiros, membro da diretoria de Redes da Superintendente de Informática - SINFO (UFRN) e a Rafael Marrocos Magalhães, aluno de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da UFRN, que contribuíram de maneira substancial na elaboração desse trabalho de pesquisa. Aos colegas que fizeram parte de todos os experimentos, Anderson Cláudio, Aluísio Igor, Bruno Ferreira e Grace Soares, membros da SINFO. Aos colegas Judson Andrade Borges, Analista de Suporte da Secretaria Municipal de Meio Ambiente e Urbanismo do Natal - SEMURB e Rodrigo Cesar da Silva Batista, Técnico de Informática da SEMURB, pela colaboração durante os momentos finais do desenvolvimento desse trabalho de pesquisa. Ao meu orientador João Batista Bezerra pela oportunidade de orientação oferecida e por acreditar na capacidade de realização desse trabalho me auxiliando sempre que possível. A Aluízio Ferreira da Rocha Neto, Superintendente da SINFO, por permitir a disponibilização de material e a infra-estrutura da SINFO, essenciais para o desenvolvimento desse trabalho. Ao desenvolvedor do Wimanager, Vinícius Samuel pelo auxílio nos momentos de dificuldade. Aos Professores Sergio Vianna Fialho, Pablo Javier Alsina, Andrés Ortiz Salazar, Marcos César Madruga Alves Pinheiro e Ronaldo Martins, pelo apóio acadêmico oferecido. Aos meus colegas da UFRN, Adriano Bresolin, Ricardo Valentim, Raimundo Viégas, Heliana, Sérgio Badiali, Marcone, Mônica, Marcelo Mariano (in memorian) que sempre me apoiaram no decorrer do curso e que nunca hesitaram em me ajudar nos momentos de dificuldade. Ao CNPq pelo financiamento durante parte do tempo de realização do Curso de Mestrado. Aos meus colegas internautas, Waldir Aranha Moreira Junior, Mestre em Ciências da Computação da Universidade Federal do Pará UFPA; ao Profº Júlio César da Costa Ribas do CEFET- SC; ao Profº Júlio César Magro da Faculdade IBTA de Campinas; a Helio Waldman, Revisor de periódico da IEEE Transactions on Communications; a Fabiano Nunes Machado de Abreu e Souza, Especialista em telecomunicações; a Sandro Roberto Ferrari, Administrador de redes de computadores; ao Profº Arlindo Flavio da Conceição, do Departamento de Ciência e Tecnologia do campus São José dos Campos da Universidade Federal de São Paulo UNIFESP. A Camila Soares Barbosa e Regiane Mendes Barbosa, Tecnólogas em Redes de Comunicação pelo Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás. A todos, os meus sinceros agradecimentos por me auxiliaram em várias pesquisas e dúvidas que surgiram no decorrer desse trabalho de pesquisa. Enfim, a todos os professores, funcionários e colegas dos programas de Pós-Graduação de Engenharia Elétrica e do DIMAp da UFRN, que contribuíram de forma direta ou indireta para a concretização desse trabalho. iii

5 Resumo Este trabalho trata de estudos experimentais a respeito de conexões VoIP em redes WiFi b com mobilidade de um dos usuários envolvidos na conexão de voz e, por conseguinte, na presença de handoff. Os experimentos são realizados em ambientes indoor e outdoor com foco na medição dos parâmetros de desempenho usualmente tidos como indicadores da qualidade de serviço - QoS em aplicações VoIP: atraso, vazão, jitter, e perda de pacotes. Os parâmetros de desempenho são obtidos com o auxílio das ferramentas Ekiga, Iperf e Wimanager que possibilitam, respectivamente, simular uma conexão VoIP, injetar tráfego controlado em um ambiente de rede WiFi e medir a vazão, o jitter e a perda de pacotes. O atraso médio é obtido analiticamente a partir da vazão medida e do uso do conceito de tempo de transmissão virtual médio de um pacote de voz. A aferição da aceitação dos resultados é feita com base nos níveis de serviços tidos como adequados na literatura para cada uma das métricas obtidas nos experimentos. Palavras-chave: VoIP em redes WiFi, handoff, estudos experimentais. iv

6 Abstract This work deals with experimental studies about VoIP conections into WiFi b networks with handoff. Indoor and outdoor network experiments are realised to take measurements for the QoS parameters delay, throughput, jitter and packt loss. The performance parameters are obtained through the use of software tools Ekiga, Iperf and Wimanager that assure, respectvely, VoIP conection simulation, trafic network generator and metric parameters acquisition for, throughput, jitter and packt loss. The avarage delay is obtained from the measured throughput and the concept of packt virtual transmition time. The experimental data are validated based on de QoS level for each metric parameter accepted as adequated by the specialized literature. Keywords: VoIP into WiFi networks, handoff, experimental performance metrics. v

7 Sumário Sumário Lista de Figuras Lista de Tabelas Lista de Símbolos e Abreviaturas i iii iv v Capítulo Introdução Organização do Trabalho... 2 Capítulo Fundamentação do Estudo de Caso Estado da Arte O Padrão Serviços do Padrão Padrão b Qualidade de Serviço no padrão Mobilidade Handoff Voz sobre IP Codecs Protocolos VOIP Protocolos de Mídia Protocolos de Sinalização Protocolo de Inicialização de Sessão (SIP) Conclusão Capítulo Modelagem e Metodologia dos Experimentos Problemas e Desafios de Uma Comunicação VoWiFi A Modelagem dos Experimentos Caracterização dos Ambientes para Realização dos Experimentos Os Softwares Ekiga, Wimanager, Scripts em Bash Shell, Cacti e o Iperf no Ambiente dos Experimentos Estimativa do Atraso vi

8 3.3 Metodologia dos Experimentos Conclusão Capítulo Experimentos e Análise dos Resultados Contextualizações dos Experimentos em Ambiente Indoor Experimentos no ambiente indoor sem tráfego controlado Ambiente Indoor Com Adição de Tráfego Controlado Contextualização dos Experimentos em Ambiente Outdoor Ambiente Outdoor sem Adição de Tráfego Controlado Ambiente Outdoor Com Adição de tráfego Controlado Contextualização dos Experimentos em Ambiente Outdoor no Automóvel Paradas do Automóvel no Instante de Handoff A Não Ocorrência de Paradas do Automóvel no Momento de Handoff Conclusão Capítulo 5 Conclusão Referências Bibliográficas Apêndice A Informações Adicionais vii

9 Lista de Figuras Figura 2.1- Posição do IEEE no modelo de referência OSI Figura Topologia do padrão no modo Infra-Estuturado... 9 Figura Processo de Handoff Figura 2.4- Protocolos VoIP Figura 2.5- Pilha de protocolos H.323 e SIP Figura Estabelecimento de uma sessão com protocolo SIP Figura 3.1- Ilustração do ambiente indoor para a realização dos experimentos Figura Ilustração do ambiente outdoor para a realização dos experimentos Figura Ilustração da Aplicação Ekiga Figura Ilustração do Iperf em modo cliente Figura 3.5- Ilustração do Iperf em modo servidor Figura 3.6- Ilustração dos resultados exibidos pelo Cacti no AP da SINFO Figura 3. 7 Ilustração dos resultados gerados pelo Wimanager Figura 3. 8 Modelo para o cálculo do atraso Figura 3. 9 Ambiente indoor sem adição de tráfego controlado Figura Ambiente indoor com adição de tráfego controlado Figura Ambiente outdoor sem adição de tráfego controlado Figura 3.12 Ambiente outdoor com adição de tráfego controlado Figura 3.13 Ambiente outdoor dentro de um automóvel Figura 4.1- Atrasos indoor sem adição de carga controlada Figura Jitter indoor sem adição de carga controlada Figura 4.3- Vazão indoor sem adição de carga controlada Figura Perda de pacotes indoor sem adição de carga controlada Figura 4.5 Atraso indoor com adição de carga controlada Figura 4. 6 Jitter indoor com adição de carga controlada Figura 4.7- Vazão indoor com adição de carga controlada Figura Perda de pacotes indoor com adição de carga controlada Figura Atraso outdoor sem adição de carga controlada Figura Vazão outdoor sem adição de carga controlada Figura Atraso e a vazão em ambiente outdoor sem adição de carga controlada Figura Jitter outdoor sem adição de carga controlada Figura Perda de pacotes outdoor sem adição de carga controlada Figura Trajetória percorrida caminhando com a estação móvel em ambiente outdoor.. 45 Figura Atraso outdoor com adição de carga controlada Figura 4 16 Vazão outdoor com adição de carga controlada Figura Atraso e a vazão outdoor com adição de carga controlada Figura Jitter outdoor com adição de carga controlada Figura 4.19 Perda de pacotes outdoor com adição de carga controlada Figura Trajetória do percurso completo realizado no automóvel Figura Valores do atraso em relação à quilometragem Figura Valores do jitter em relação à quilometragem Figura Valores da vazão em relação à quilometragem viii

10 Figura Valores da Perda de Pacotes em relação à quilometragem Figura Valores do atraso e da vazão em relação à quilometragem Figura Valores do atraso em relação à quilometragem Figura Valores do jitter em relação à quilometragem Figura Valores da vazão em relação à quilometragem Figura Valores da Perda de Pacotes em relação à quilometragem ix

11 Lista de Tabelas Tabela Descrição dos Cenários [Barbosa et al. 2009]... 5 Tabela 2. 2 Resumo dos padrões IEEE [Kurose & Ross 2006] Tabela 2.3- Limites aceitáveis dos parâmetros de desempenho com QoS segundo Tabela 3.1- Camadas e seus respectivos cabeçalhos Tabela 3.2 -Informações sobre o codec G Tabela 4.1- Ambiente indoor sem adição de carga controlada Tabela 4.2 Ambiente indoor com adição de carga controlada Tabela Ambiente outdoor sem adição de tráfego controlado Tabela Testes realizados outdoor com adição de carga controlada Tabela 4.5- Métricas de desempenho parando o automóvel no momento de handoff Tabela Métricas de desempenho não parando o automóvel no momento de handoff x

12 Lista de Símbolos e Abreviaturas ACK AP BSS CODEC db ESS IAPP IEEE IETF IP ITU-T PSTN QoS RTP RTCP SDP TCP UDP VoD VoIP VoWiFi Wi-Fi Acknowledgement message Access Point Basic Service Set Compression and Decompression Components Decibéis Extended Service Set Inter Access-Point Protocol Institute of Electrical and Electronics Engineers Internet Engineering Task Force Internet Protocol International Telecommunication Union Telecommunication Branch Public Switched Telephone Network Quality of Service Real Time Protocol Real Time Transport Control Protocol Session Description Protocol Transport Control Protocol User Datagram Protocol Video on Demand Voice Over IP VoIP Over WiFi Wireless Fidelity xi

13 Capítulo 1 Introdução 1 O desenvolvimento tecnológico vivenciado na última década na área de integração de serviços de comunicação sobre redes de comunicação de dados é uma realidade na qual tem se destacado a tecnologia de voz sobre IP VoIP. Ela vem se apresentando como uma alternativa de baixo custo aos serviços de comunicação de voz tradicionalmente ofertados através das redes públicas de telefonia. É uma tecnologia à disposição dos usuários, integrando voz e dados num mesmo equipamento terminal, abrindo um novo horizonte para novas aplicações nas redes de computadores. A disseminação de VoIP é atual e uma das aplicações que mais cresceram em utilização nos últimos anos, motivada principalmente pela redução de custos de telefonia para empresas e consumidores residenciais. Além disso, a convergência do serviço de voz com a rede de dados abre espaço para uma grande variedade de inovações que podem revolucionar a maneira como pessoas e empresas encaram a comunicação [Barbosa et al. 2009]. Em uma comunicação utilizando VoIP, um quesito de extrema importância se refere aos fatores que influenciam a percepção da qualidade da voz, são eles: o codec de voz utilizado, a variação do atraso (jitter), o atraso fim-a-fim e a perda de pacotes. Esses parâmetros determinam a qualidade de voz que trafega sobre IP, determinando a inteligibilidade ou não da comunicação, entre a codificação e decodificação do sinal [Almeida 2008]. Apesar de se basearem em um rede que não oferece garantias, as aplicações VoIP alcançam bons resultados, considerando o custo-benefício entre o preço e os padrões de qualidade oferecidos pelo sistema telefônico convencional, o que tem sido o principal motivo da grande difusão dos aplicativos de VoIP e da contínua evolução no acesso ao serviço público de telefonia [Barbosa et al. 2009]. Paralelamente à popularização de VoIP, a utilização das redes locais sem fio baseadas no padrão IEEE cresceu gradualmente, se tornando o padrão de fato, equipando dispositivos móveis tais como notebooks, palmtops, telefones celulares, entre outros. Essas redes evoluíram não apenas em termos de capacidade de transmissão, mas também em termos de confiabilidade e área de cobertura. Atualmente é comum se encontrar áreas urbanas cobertas por pelo menos uma alternativa de conectividade sem fio [Almeida 2008]. Segundo Krob et al. (2007), um dos principais desafios a ser trabalhado pela comunidade científica na utilização dessas redes refere-se à mobilidade das estações usuárias, especificamente quando uma estação muda de um Access Point - AP para outro, ocasião em que o sistema de comunicação controla a operação de handoff. É dentro dessa perspectiva que têm sido realizadas muitas pesquisas como, por exemplo, o trabalho de Conceição et al. (2008) que faz um levantamento dos principais problemas e restrições da transmissão de voz sobre redes Por outro lado, tanto a academia quanto a indústria propuseram extensões às especificações originais de IEEE com intuito de melhorar o seu 1 Conjunto de padrões definidos pelo IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) para redes locais (LAN).

14 2 desempenho e adequá-lo aos requisitos das aplicações de tempo real. Em conseqüência, atualmente uma das soluções apresentadas para os problemas de handoff em redes , é o padrão de transmissão sem fio r, formalmente aprovado e publicado pelo IEEE em 2008, no qual são estabelecidos padrões de segurança e de qualidade da conexão, possibilitando a redução pela metade do tempo de transição do processo de handoff [PCWORLD 2009]. Apesar da solução proposta para os problemas de handoff em aplicações VoWiFi, o fato é que para cada aplicação em perspectiva se faz necessário a realização de estudos específicos, incluindo a realização de experimentos. É dentro desse contexto que se insere o presente trabalho tendo em vista uma possível utilização em serviços de vigilância móvel no âmbito da UFRN. Para isso, são realizados experimentos que buscam avaliar o comportamento das comunicações VoIP em redes b com handoff, isto é, com mobilidade em pelo menos um dos lados da conexão VoIP. Os experimentos com as comunicações VoWiFi são concretizados em dois ambientes da UFRN, um denominado de indoor e o outro de outdoor, ambos com equipamentos b, nos quais busca-se avaliar o desempenho dos parâmetros de QoS, escolhidos como objeto de estudo: o atraso, o jitter, a vazão e a perda de pacotes, para o serviço VoWiFi 2. Esses parâmetros são medidos através das ferramentas Ekiga, Iperf e Wimanager que possibilitam, respectivamente, simular uma conexão VoIP, injetar tráfego controlado em um ambiente de rede WiFi e medir a vazão, o jitter e a perda de pacotes. Já o atraso médio é obtido analiticamente a partir da vazão medida e do uso do conceito de tempo de transmissão virtual médio de um pacote de voz. A verificação da aceitação dos resultados é feita com base nos níveis de serviços tidos como adequados na literatura para cada uma das métricas obtidas nos experimentos. Por fim, diante dos resultados alcançados nos experimentos, analisa-se a porcentagem de usabilidade do padrão b em cada ambiente proposto nesse trabalho. 1.1 Organização do Trabalho O trabalho está dividido em cinco capítulos. No segundo capítulo é feita uma revisão bibliográfica com o objetivo de apresentar os fundamentos teóricos necessários à formulação da temática do objeto em estudo enfatizando o padrão b, o serviço VoIP e o handoff. O capítulo 3 apresenta a modelagem e a metodologia utilizadas para a realização dos experimentos, bem como os ambientes de execução dos testes. No capítulo 4 são apresentados os resultados dos experimentos e a análise de desempenho dos mesmos, sendo feitas comparações desses resultados com os parâmetros de qualidade de voz tidos como ideais por especialistas da literatura. O quinto capítulo apresenta as conclusões finais onde são ressaltadas considerações relativas à proposta do trabalho, assim como os resultados alcançados e as perspectivas para trabalhos futuros. 2 Refere-se ao serviço de voz sobre redes sem fio.

15 3 Capítulo 2 Fundamentação do Estudo de Caso Este capítulo está organizado em quatro seções nas quais são apresentados os fundamentos teóricos que dão suporte ao objeto de estudo desse trabalho. A seção 2.1 sintetiza os estudos realizados em dois artigos, onde um aborda sobre o problema da análise de desempenho de aplicações VoIP em ambientes sem fio com handoff, enquanto o outro trata da avaliação do desempenho de aplicações VoIP ponto - a - ponto. Na seção 2.2 é feita uma síntese do padrão no modo infra-estruturado com suas extensões e características, sendo enfatizado o padrão b por ser o padrão utilizado nos experimentos a serem utilizados como campo de estudo. A seção 2.3 provê embasamento aos capítulos 3 e 4 fazendo uma breve explanação dos aspectos relevantes da mobilidade, principalmente no que se refere ao processo de handoff em redes Na seção 2.4 é feita a caracterização do serviço VoIP, sendo destacados as características e categorias dos codecs, dando ênfase ao codec utilizado nos experimentos desse trabalho, assim como os protocolos necessários a uma comunicação VoIP. 2.1 Estado da Arte A utilização de serviços de voz sobre redes de dados sem fio vem se difundindo nos ambientes empresariais e residenciais, inclusive com mobilidade que introduz novos problemas no sistema de protocolos que controla a comunicação e por essa razão tem sido objeto de muitas pesquisas. Para os propósitos do presente trabalho são destacadas as pesquisas de Conceição et al. (2009) e de Barbosa et al. (2009) que abordam respectivamente o problema da análise de desempenho da qualidade de serviço de aplicações VoIP em redes sem fio com handoff, enquanto a outra, trata da avaliação do desempenho de aplicações VoIP ponto- a - ponto. A publicação de Conceição et al. (2009), faz uma avaliação da comunicação de voz sobre redes IEEE Para isso, caracteriza empiricamente os problemas de transmissão, mencionando situações em que a implantação de VoWiFi é viável, utilizando as tecnologias atualmente disponíveis. Os dois principais problemas enfatizados no trabalho foram a longa duração das migrações (handoffs) e a ocorrência de tráfegos em rajada 3. Para a análise dos tráfegos de VoWiFi foram utilizados programas geradores de tráfego nas linguagens C e Java simulando o tráfego de uma sessão VoIP. Os programas transmitem fluxos bidirecionais de pacotes à taxa de 50 pacotes por segundo; ou seja, um pacote a cada 3 A ocorrência de uma rajada caracteriza-se pelo fato de vários pacotes de voz ficarem bloqueados na rede por algumas centenas de milissegundos e então serem entregues praticamente ao mesmo tempo. A entrega de pacotes em rajada também pode ser acompanhada de perdas de pacotes, mas não necessariamente [Conceição et al. 2006].

16 4 20ms. Foi simulada uma sessão de VoIP de 24 Kbps. Os programas geradores de tráfego, a cada pacote recebido, registraram a perda de pacotes e o atraso. Para evitar que as especificidades de um ou outro dispositivo Wi-Fi atrapalhassem as medições, foram executados os geradores de tráfego utilizando diferentes interfaces em cinco redes IEEE diferentes. A perda de pacotes foi detectada comparando-se o número de seqüência de dois pacotes consecutivos (o número de seqüência está registrado no cabeçalho do Real Time Protocol - RTP de cada pacote). Para obter o atraso de entrega de um pacote enviado do computador A para o computador B, foi utilizado um programa que converte as marcas de tempo feitas em um computador A para o referencial de tempo de um computador B. Para fazer essa conversão, foram sincronizados os relógios de maneira similar ao protocolo RTP atualizando o clock drifting 4. Para implementar esse mecanismo, foi necessário estender o protocolo RTP, adicionando dois campos: o last received timestamp e o last received sequence number. Foram observados durante os experimentos dois obstáculos para a implantação de VoWiFi: o handoff e o tráfego em rajadas. Durante os experimentos foi verificado que o handoff em redes IEEE b não é suficientemente suave, a ponto de não ser percebido durante a execução de uma chamada de voz. Foi notificada também, a alta incidência de tráfego em rajadas em todos os experimentos. Diante da análise dos experimentos, Conceição et al. (2009), concluiu que as rajadas podem ser originadas por diferentes fatores, como por exemplo: os scannings, as interferências externas, as interrupções de processamento e a carga excessiva da rede. Em relação ao handoff, foi analisado que as durações deles variavam em função dos ambientes onde foram executados, observando uma variação significativa de uma execução para outra entre 4.25 segundos e segundos. Ainda foi evidenciado que a utilização de VoWiFi é viável, desde que durante uma chamada, a mobilidade seja baixa, a qualidade do sinal seja suficientemente alta e a capacidade de transmissão da rede não seja excedida. O trabalho de Barbosa et al. (2009), avalia o comportamento e o desempenho de aplicações VoIP Ponto - a - Ponto, como o Skype e o Google Talk quando submetidas a condições variadas da rede, pontuando suas qualidades e deficiências. Nesta pesquisa, foram considerados diferentes valores para a capacidade de enlaces críticos, como o atraso e perda de pacotes, além de assumir a qualidade do áudio recebido como parâmetro de desempenho. Isso foi observado através do algoritmo Perceptual Evaluation of Speech Quality - PESQ 5 usado para inferir o valor do Mean Opinion Score - MOS 6 baseando-se na comparação entre o áudio enviado e recebido, além do grau de impacto que cada parâmetro da rede oferece para a qualidade do áudio recebido. 4 São marcações de tempo feitas em computadores diferentes que podem divergir ao longo do tempo. 5 O PESQ é um método objetivo automatizado para avaliação da qualidade do áudio recebido que faz uma predição do MOS equivalente. 6 O MOS foi padronizado pelo International Telecommunication Union (ITU-T) para fazer uma abordagem de avaliação subjetiva computando a média das notas individuais atribuídas por um grande número de pessoas que ouvem um áudio resultante de um processo de codificação e decodificação, onde a nota varia de 1 (ruim) a 5 (excelente).

17 5 Nos experimentos realizados, o tráfego gerado do emissor para o receptor é capturado para computar a vazão e a variação do atraso (o jitter). Ele é definido sobre dois pacotes quaisquer contidos em um fluxo, sendo calculado pela diferença entre os atrasos unidirecionais. Para calculá-lo foi desenvolvida uma ferramenta em C++ usando o libpcap 7, denominada de IPstat. Essa ferramenta tem como entrada dois arquivos gerados pelo TCPDump 8 e pelo Ethereal 9. O primeiro arquivo contém os pacotes capturados na máquina que originou o fluxo e o segundo possui os pacotes capturados na máquina que recebeu o fluxo de voz. Para calcular a vazão baseada no tráfego capturado, foi adotado o TcpStat 10. A avaliação de desempenho das aplicações foi feita em um ambiente de rede controlado conforme apresentado na Tabela 2.1. Os cenários A, B e C foram estabelecidos com o objetivo de analisar o impacto da variação das condições da rede na qualidade das sessões de áudio e no comportamento das aplicações. Cada cenário considerou um mesmo áudio de 60 minutos dividido em 60 replicações de um minuto cada. Tabela Descrição dos Cenários [Barbosa et al. 2009] O cenário A tratou da qualidade das sessões de áudio e o comportamento das aplicações quando a rede apresentou enlaces críticos de diferentes capacidades. Os valores: 7 É uma biblioteca necessária para prover interface para outras ferramentas que capturam pacotes da rede tal como TCPdump. 8 O TCPdump é nativo no Linux, faz monitoramento de tráfego em redes Ethernet, colocando a placa de rede em modo promiscuo. 9 O Ethereal é um analisador de protocolos de rede, que ao contrário do TCPdump executa em modo gráfico. 10 O TcpStat é uma ferramenta para analisar o comportamento do tráfego em uma rede, como o volume de tráfego na rede, o número de pacotes capturados, a quantidade de pacotes por segundo, tamanho médio dos pacotes; entre outras medidas.

18 6 20kbps, 30kbps, 40kbps, 50kbps e 100kbps, representaram a capacidade residual de um caminho, também chamada de banda disponível. Como nesse cenário o objetivo foi verificar o impacto da variação da capacidade, foi adotado para todas as capacidades analisadas um atraso de 10ms e perda de pacotes nula. No cenário B foi analisado o impacto do atraso na qualidade da sessão de áudio e no comportamento das aplicações. Os valores de atraso de 1ms, 10ms, 100ms e 1000ms, se referiram ao atraso em um sentido (one way delay). O atraso em um sentido é de 100ms e o round trip time - RTT é de 200ms. A capacidade residual foi fixada em 100kbps, pois se constatou que nenhuma das aplicações envia fluxos com vazão acima desse valor. A perda de pacotes foi configurada em 0% para todos os experimentos deste cenário. No cenário C foi verificado a qualidade da sessão de áudio e o comportamento das aplicações sob diferentes taxas de perda de pacotes, como: 0%, 1%, 5%, 10% e 20%. Nesse cenário, a capacidade e o atraso são fixados em 100kbps e 10ms, respectivamente. Antes de iniciar a conversa, no processo de estabelecimento de uma chamada entre dois usuários, o Skype investiga as condições de rede e determina se a comunicação será de forma direta ou através de uma terceira máquina que realizará o papel de intermediar a sessão de áudio. Uma vez que o caminho da comunicação é escolhido (direto ou indireto), ele permanece durante toda a chamada, mesmo que as condições de rede mudem. Percebeu-se também que os comportamentos dos fluxos enviados pelo Skype mudam à medida que as condições de rede variam. Em todos os cenários, apesar do número médio de pacotes enviados ser constante, outras características do fluxo transmitido pelo Skype muda, como por exemplo, os tamanhos médio, máximo e mínimo dos pacotes. O Google Talk se comporta de forma oposta ao Skype. No momento que a aplicação percebe que as condições de rede são adversas, mesmo que a chamada esteja em curso, a triangulação 11 ocorre. Entretanto, as características de transmissão do fluxo nunca variam. Em todos os cenários, o Google Talk transmite o fluxo de áudio a uma média de 25kbps, com muita variabilidade. Portanto, ambas as aplicações se adaptam dinamicamente a variações nas condições de rede, onde o Skype se adapta mudando as características de transmissão do fluxo de voz (provavelmente mudando o codec, ou alterando parâmetros do codec), e o Google Talk se adapta realizando uma triangulação na comunicação, procurando caminhos melhores para comunicação. Em condições ideais de rede, com atraso mínimo, taxa de perda de pacotes nula e banda disponível suficiente, o Skype apresentou uma qualidade de áudio melhor que o Google Talk, pois atingiu valores maiores do MOS de 3.9 contra 3.4, sofrendo menos degradação que o áudio transmitido pelo Google Talk. Entretanto, quando submetido a condições de rede muito abaixo do aceitável (e.g. perdas acima de 40% e capacidade residual inferior a 20kbps), o Google Talk tem a vantagem de mudar o caminho da comunicação durante a chamada, ao contrário do Skype, que desliga a chamada. Em cenários onde se varia a capacidade residual, deduziu-se que o Google Talk é menos sensível ao jitter do que o Skype. Quando submetido à perda de pacotes, foi observado que o mecanismo de adaptação do Google Talk demora a reagir. Os resultados apresentados por Barbosa et al. (2009), revelam indícios de que o jitter da rede tem impacto direto sobre a qualidade das sessões de áudio e sobre a política de adaptação das aplicações. 11 Mudança do caminho da comunicação durante a chamada.

19 7 Os trabalhos de Conceição et al. (2009) e o de Barbosa et al. (2009), foram baseados em simulações do tráfego de sessões VoIP para análise de desempenho entre comunicações VoIP. O primeiro utilizou programas geradores de tráfego nas linguagens C e Java enquanto o segundo usou um áudio de 60 minutos dividido em 60 replicações de um minuto cada para simular o tráfego de sessões VoIP. O método de simulação é uma das maneiras de se obter análises de desempenho referente à qualidade de serviço de aplicações VoIP. Contudo, para que o usuário tenha contato com a situação real 12 dos experimentos nos ambientes pré-determinados, é necessário além dos resultados obtidos mediante ferramentas específicas para tal fim, a percepção do comportamento das ligações VoIP, seja na presença ou ausência de ruídos como também possíveis quedas nas conexões. Isso é importante para fazer um comparativo do que foi percebido pelos usuários durante os experimentos e o que foi obtido pelas ferramentas utilizadas. O presente trabalho de pesquisa, revela a análise da qualidade de uma aplicação VoIP em redes sem fio com handoff, através da avaliação de métricas de desempenho de QoS, como: o atraso, o jitter, a vazão e a perda de pacotes. Essa avaliação é feita utilizando tráfego de VoIP em tempo real, ou seja, através de dois usuários usando a aplicação Ekiga como meio de comunicação VoIP. Em relação à pesquisa de Conceição et al. (2009), o presente trabalho contribui com a verificação do comportamento das comunicações VoWiFi em ambientes distintos das redes sem fio da UFRN, ou seja, ao ar livre dessa instituição em redes b e dentro de um de seus departamentos com rede Sendo esses experimentos realizados por duas estações em comunicação VoWiFi, tanto com tráfego forçado (com injeção de tráfego controlado pelo experimentador), como também com tráfego natural (sem a perturbação de qualquer tráfego proposital controlado pelo experimentador da rede). Outro fator de contribuição, diz respeito a experimentos realizados dentro de um dos automóveis da UFRN em mobilidade ao ar livre desse estabelecimento. A análise acontece para verificar o desempenho das comunicações VoWiFi em velocidades no intervalo de 10Km à 40Km. No trabalho de Barbosa et al. (2009), a avaliação de desempenho das aplicações foi feita em um ambiente de rede controlado onde tanto os valores das métricas de desempenho de QoS, como a capacidade residual (banda disponível) foram pré-estabelecidas antes da iniciação dos experimentos. Já a presente pesquisa realiza a análise de desempenho de aplicações VoIP em ambiente não controlado, ou seja, em dias e horários diferentes, com diferentes condições de rede e conseqüentemente com a obtenção de valores diferenciados das métricas de desempenho de QoS em cada experimento realizado. 2.2 O Padrão Em 1990, o Institute of Electrical and Electronics Engineers 13 - IEEE constituiu um comitê para a definição de um padrão para conectividade sem fio no qual fosse possível a interoperabilidade entre os diferentes fabricantes. Em 1997, após sete anos de pesquisa e desenvolvimento, este grupo formulou um padrão para equipamentos de rádio e redes, atuando na banda de freqüência não - licenciada de 2,4 Ghz com taxas de 1 e 2 Mbps 12 Processo de estabelecimento de uma chamada entre dois usuários em tempo real. 13 Institute of Electrical and Electronics Engineers" dos Estados Unidos, é o grupo que lidera a padronização de redes locais (LANs) e Metropolitanas (MANs) a nível mundial.

20 8 [Tanembaum 2003]. Devido aos usuários reclamarem que o padrão era muito lento, foi iniciado o trabalho para a elaboração de padrões mais rápidos. Uma divisão se desenvolveu dentro do comitê, resultando em dois novos padrões publicados em O padrão a utilizando uma faixa de freqüências mais larga funcionando em velocidades de 54 Mbps e o padrão b utilizando a mesma faixa de freqüências que o , mas empregando uma técnica de modulação diferente para alcançar 11 Mbps. Em seguida o comitê 802 apresentou outra variante, o g, que utilizando a técnica de modulação do a, mas empregando a faixa de freqüências do b [Tanembaum 2003]. A Tabela 2.2, apresenta um resumo das principais características desses padrões. Tabela 2. 2 Resumo dos padrões IEEE [Kurose & Ross 2006]. Padrão Faixa de freqüência Taxa de dados b GHz até 11 Mbps a GHz até 54 Mbps g GHz até 54 Mbps A Figura 2.1 ilustra a posição do IEEE no modelo de referência Open Systems Interconnection - OSI. Figura 2.1- Posição do IEEE no modelo de referência OSI.

21 9 Os padrões podem operar em dois modos: o infra-estruturado no qual as estações se comunicam através de pontos de acesso e no modo ad-hoc, onde as estações se comunicam entre si sem a presença de pontos de acesso [Tanembaum 2003]. O padrão também define uma arquitetura para as redes sem fio baseada na divisão da área coberta pela rede em células, que é composta pelos elementos ilustrados na Figura 2.2, para o modo infraestruturado [Bonilha et al. 2008]: Figura Topologia do padrão no modo Infra-Estuturado. Access Point (AP): responsável pela coordenação da comunicação entre as estações dentro da sua BSS ou entre outras BSS. Basic Service Set (BSS) Consiste de uma AP conectada a uma rede cabeada e a um ou mais clientes wireless. Quando um cliente quer se comunicar com outro ou com algum dispositivo na rede cabeada ou na rede wireless deve usar a AP para isso. O BSS compreende uma simples célula ou área de Rádio Freqüência e tem somente um identificador (SSID). Para que um cliente possa fazer parte da célula ele deve estar configurado para usar o SSID do Ponto de Acesso [Farias 2009]. Stations (STA): estações de trabalho que se comunica entre si dentro de uma célula; Distribution System (DS): corresponde à infra-estrutura necessária para a interconexão dos pontos de acesso. Normalmente esta interconexão é feita a partir da rede cabeada, mas também pode ser feita através de um enlace sem fio, chamado WDS (Wireless Distribution System); Extended Service Set (ESS): representa um conjunto de estações formado pela união de várias BSS conectadas por um sistema de distribuição. Uma ESS é constituída por dois ou mais pontos de acesso conectados na mesma rede cabeada que pertencem ao mesmo segmento lógico (sub rede).

22 Serviços do Padrão O padrão estabelece que cada LAN sem fio compatível deve fornecer nove serviços. Esses serviços estão divididos em duas categorias: cinco serviços de distribuição e quatro serviços da estação. Os serviços de distribuição se relacionam ao gerenciamento da associação a células e a interação com estações situadas fora da célula. Em contraste, os serviços da estação se relacionam às atividades dentro de uma única célula [Tanenbaum 2003]. Os cinco serviços de distribuição são fornecidos pelas estações-base e lidam com a mobilidade das estações à medida que elas entram e saem das células, conectando-se e desconectando-se das estações-base. Esses serviços são apresentados a seguir [Tanenbaum 2003]: 1. Associação Esse serviço é usado pelas estações móveis para conectá-las às estações-base. 2. Desassociação A estação móvel ou a estação-base pode se desassociar, interrompendo assim o relacionamento. Uma estação deve usar esse serviço antes de se desligar ou sair. 3. Reassociação: É quando um cliente volta a se associar em um AP no qual ele estava associado, depois, por exemplo, de sair brevemente da sua área de cobertura. 4. Distribuição: Esse serviço determina como rotear quadros enviados ao AP. Se o destinatário for local para o AP, os quadros poderão ser enviados diretamente pelo ar. Caso contrário, eles terão de ser encaminhados pela rede fisicamente conectada. 5. Integração: se um quadro precisar ser enviado por meio de uma rede que não seja , com um esquema de endereçamento ou um formato de quadro diferente, esse serviço cuidará da conversão do formato para o formato exigido pela rede de destino. Os quatro serviços restantes são serviços intracélula (ou intracelulares, isto é, se relacionam a ações dentro de uma única célula) [Tanembaum 2003]. Eles geralmente são usados depois que ocorre a associação, e são descritos a seguir: 1. Autenticação: como a comunicação sem fio pode ser enviada ou recebida facilmente por estações não autorizadas, uma estação deve se autenticar antes de ter permissão para transmitir dados. 2. Desautenticação: quando uma estação autenticada anteriormente quer deixar a rede, ela é desautenticada. Depois da desautenticação, a estação não pode mais utilizar a rede. 3. Privacidade: para que as informações enviadas por uma LAN sem fio sejam mantidas confidencias, elas devem ser criptografadas. 4. Entrega de dados: a transmissão de dados é o objetivo, e assim o oferece naturalmente um meio para transmitir e receber dados Padrão b A Lan sem fio b tem uma taxa de dados de 11 Mbps, operando na faixa de freqüência não licenciada de 2,4 a 2, 485 GHz, competindo por espectro de freqüência com telefones e fornos de microondas de 2,4 GHz [Kurose & Ross 2006]. O aspecto positivo é poder operar em faixa de freqüência não licenciada, além do baixo custo dos dispositivos e

23 11 um alcance teórico de 100 metros, isso sem considerar o uso de antenas 14 de amplificação de sinal, que, dependendo da potência do transmissor e do receptor, pode chegar a quilômetros de distância. O protocolo de acesso ao meio é o carrier sense multiple access with collision avoidance - CSMA/CA, definido no padrão original. Devido ao overhead do protocolo CSMA/CA, na prática, a vazão máxima do b que uma aplicação pode obter é aproximadamente 5.9 Mb/s utilizando TCP e 7.1 Mb/s com UDP [Conceição 2009]. O padrão b é normalmente usado em uma configuração de ponto - multiponto, em que um ponto de acesso se comunica através de uma antena omnidirecional 15 com um ou vários clientes que estão localizados em uma área de cobertura ao redor do ponto de acesso Qualidade de Serviço no padrão A qualidade de serviço QoS para o padrão foi incorporada com o surgimento do padrão e, referindo-se à capacidade da rede fornecer serviço de encaminhamento de dados de forma consistente e previsível, possibilitando que qualquer elemento de rede, seja uma aplicação, um host 16, um roteador, ou outro dispositivo, possa ter algum nível de garantia que satisfaça suas exigências de serviço. É a introdução da QoS que possibilita a integração de serviços de voz e vídeo em ambientes originalmente projetados para transportar dados, por exemplo os serviços VoIP. O estudo dos fatores impactantes na qualidade da telefonia IP, como o atraso, o jitter e a perda de pacotes, tornam-se cada vez mais necessários, pelo fato das aplicações VoIP serem sensíveis a esses parâmetros. Em seguida, são discutidos alguns aspectos relacionados a esses parâmetros. Nas redes IEEE , o atraso fim a fim, pode ser definido como a diferença de tempo entre o instante em que o transmissor envia o primeiro bit do pacote e o instante que o receptor recebe este bit [Souza et al. 2009], ou seja, é o tempo necessário para que uma mensagem de voz seja transmitida do emissor para o receptor. Se o atraso é longo, a conversação é comprometida e a comunicação pode tornar-se não natural, não interativa, apresentando cortes na comunicação [Conceição 2009]. De acordo com a recomendação ITU-T 17 [ITU-T G ], os atrasos totais no sistema entre 0 e 150 ms são aceitáveis para a maioria das aplicações. De 150 até 400 ms deve-se estar atento ao impacto do tempo de transmissão na qualidade da aplicação. Superior a 400 ms de forma geral é inaceitável para aplicações em rede. O atraso fim - a - fim é composto pelo somatório do atraso de propagação, do atraso de empacotamento, assim como o atraso de codificação de sinal [Souza et al. 2009]. O jitter, ou variação do atraso, é a diferença entre o atraso do pacote atual e o do próximo pacote, ou seja, é a diferença D correspondente ao espaço de tempo entre a chegada de um par de pacotes, comparado com os tempos estampados neste par de pacotes 14 As antenas wireless são periféricos utilizados para substituir as antenas originais dos equipamentos e servem para aumentar o ganho em dbi, melhorando a propagação de sinais, a estabilidade da conexão, a distância e o raio de cobertura. 15 É uma antena que pode receber ou transmitir sinais de todas as direções. 16 Host: Computador ligado a uma rede física. O tamanho de um host varia desde um computador pessoal até um supercomputador. Quando armazena arquivos e permite acesso de usuários, é designado como servidor. 17 A União Internacional das Telecomunicações é a agência especializada no domínio das Telecomunicações.

24 12 no momento do envio, como apresentado na equação 2.1. Logo, seja Si o timestamp RTP do pacote i, e Ri o tempo de chegada em unidades de timestamp RTP do pacote i, então para dois pacotes i e j, D pode ser expresso como: (2.1) O jitter entre chegadas (J) é calculado continuamente por uma equação filtrada desta diferença. Quando cada pacote i for recebido da fonte, calcula-se a diferença D em relação ao pacote prévio (i-1) em ordem de chegada (não necessariamente em ordem de seqüência). A origem do jitter no sistema está associada ao comportamento aleatório do tempo de enfileiramento dos pacotes nos roteadores. Variações de atraso podem ser piores para a qualidade de serviço do que o próprio atraso, pois o jitter pode causar a chegada dos pacotes fora de ordem. Apesar de o RTP possibilitar que aplicações façam o reordenamento usando as informações de número de seqüência e timestamp, o overhead em reordenar esses pacotes não é irrelevante, especialmente quando se está lidando com restrições de tempo estreitas como as da tecnologia VoIP [Linhares 2008]. Em redes IEEE , podem ocorrer variações extremamente altas no atraso, as quais possuem impacto relevante na qualidade da voz transmitida [Conceição 2009]. Isso pode fazer com que pacotes cheguem e sejam processados fora da seqüência. Para Szigeti & Hattingh (2004), o jitter não pode ser superior a 30ms, já para Percy (2003), a variação de atraso máximo nunca deve exceder 40 ms. A vazão em uma rede é a taxa efetiva de bits por segundo, ou seja, indica o balanço entre a quantidade de dados que entra na rede e as perdas internas, por unidade de tempo. A vazão, na maioria das redes, sofre variações no decorrer do tempo. Em algumas situações, a vazão pode se alterar rapidamente, devido a falhas nos nós da rede ou devido ao congestionamento, quando grandes fluxos de dados são introduzidos na rede [Redin 2005]. A perda de pacotes é a porcentagem de pacotes transmitidos pelo host de origem que não chegaram ao host de destino, ou seja, é a quantidade de pacotes não entregues. Segundo Alves (2008), os pacotes podem ser perdidos devido a diversos fatores, como: os períodos de picos e congestionamentos na rede; ao aumento excessivo do tráfego na rede; atrasos excessivos, que podem ser provocados devido a problemas físicos nos equipamentos de transmissão, além de possíveis imperfeições nas transmissões. Já para Redin (2005), as principais causas das perdas de pacotes são devido ao congestionamento, ao tamanho dos pacotes, à capacidade das filas e à mobilidade das estações. A perda de pacotes é calculada no lado do receptor como a razão entre a quantidade de pacotes perdidos e a quantidade de pacotes transmitidos, em cada intervalo de tempo. O Transmission Control Protocol TCP se recupera dessa situação através da detecção e reenvio dos pacotes perdidos [Ribas 2002], em ordem e livres de erros. Este procedimento não é adequado para aplicações de tempo real, como aplicações VoIP, pois são extremamente sensíveis ao atraso [Marcelino 2003]. Nessas aplicações é usado o User Datagram Protocol UDP, que é mais rápido, pois seu cabeçalho é menor do que o TCP e exige menos poder computacional para ser processado, pois não garante a entrega e nem o seqüenciamento dos pacotes, além de não usar mecanismos de confirmação [Pereira et al. 2009]. A taxa de perda de pacotes considerada aceitável para aplicações VoIP varia muito na literatura, como mostra a Tabela 2.3. Para Lustosa [Lustosa et al. 2004], a taxa ideal é na

25 13 razão de até 3%; já para Szigeti et al. (2004), o melhor é que não ultrapasse 1%. Segundo Boger (2008), o limite não pode exceder 5%. Estudos realizados na Universidade da Califórnia, em Berkeley, determinaram que a perda de pacotes tolerável variasse entre 1% e 3%, se tornando intolerável se mais de 3% dos pacotes forem perdidos [Chuah 2007]. Em redes IEEE , elas normalmente são menores que 1% [Conceição 2009]. Porém, se uma unidade móvel se afasta da área de cobertura de um AP, essa taxa pode crescer abruptamente, impossibilitando a conectividade e a comunicação [Arranz 2001], pois quanto maior a perda de pacotes, menor é a eficiência da rede [Redin 2005]. Tabela 2.3- Limites aceitáveis dos parâmetros de desempenho com QoS segundo pesquisadores da literatura acadêmica. Métricas de Limite 1 Limite 2 Desempenho Atraso até 150ms Jitter 30ms 40ms Perda de Pacotes Entre 1% e 3% Até 5% 2.3 Mobilidade A mobilidade é uma das mais importantes características de redes sem fio e fundamental no contexto do presente trabalho. Ela pode ser apresentada sem transição 18, com transição entre BSS 19 e com transição nas ESS 20 [ANSI 21 /IEEE ]. O parâmetro crucial na caracterização do desempenho de sistemas com mobilidade em redes sem fio ou mesmo em comunicação em redes de satélites é o handoff que é caracterizado a seguir Handoff O processo de handoff no contexto de redes sem fio ocorre quando uma estação móvel realiza uma transição entre dois pontos de acesso. O momento de handoff é percebido quando a qualidade do sinal da conexão entre uma estação móvel e um AP, baixa até um determinado limite e, conseqüentemente, a estação móvel inicia o scan (busca) por outros pontos de acesso. Essa busca é feita através de funções de rastreamento, permitindo que a estação móvel selecione o AP com a melhor qualidade de sinal dentre aqueles encontrados na sua área de alcance [Albuquerque 2005]. Essa procura é feita enviando um pedido de adesão à célula desse novo AP, e este envia a resposta de adesão, para que a estação possa pertencer a essa nova BSS [Garcia 2009]. 18 As estações se movimentam somente dentro da sua BSS local. 19 As estações migram entre BSS diferentes dentro do mesmo ESS. 20 Ocorre quando uma estação móvel transita entre a área de cobertura de duas BSS diferentes que também pertencem a ESS diferentes. 21 American National Standards Institute, ou Instituto Nacional Americano de Padrões, trata de uma organização fundada em 1918 que coordena o desenvolvimento de padrões voluntários adotados internacionalmente, tanto nos setores privado como públicos. É o membro americano do ISO.

26 14 A migração consiste em um processo seqüencial composto das fases de busca (scanning), autenticação e associação [Conceição et al. 2009], conforme ilustrado na Figura 2.3. Figura Processo de Handoff. A transição entre BSS é iniciada pela estação em movimento, na qual é avaliada a potência do sinal, iniciando, se necessário, um processo de busca (scan). Dentre as fases, a de scan é a mais demorada, podendo consumir cerca de 90% do tempo total de migração [Velayos & Karlsson 2004]. Para que uma estação possa ser capaz de utilizar uma rede sem fio é necessário que ela esteja associada 22 a um AP, mas antes dessa associação na maioria das vezes ela deve apenas comprovar sua autorização de acesso através da autenticação 23, quando exigida. O IEEE requer uma autenticação bem sucedida antes que uma estação possa estabelecer uma associação com um AP, garantindo uma associação segura para que as mensagens possam ser entregues aos seus destinos corretamente [Andrade et al. 2007]. 22 Associar significa que a estação sem fio cria um enlace virtual entre ela mesma e o AP [kurose & Ross, 2006]. Esse serviço é usado pelas estações móveis para conectá-las ao AP. Em geral, ele é usado imediatamente após uma estação se deslocar dentro do alcance de rádio do AP. Ao chegar, ela anuncia sua identidade e seus recursos. O AP pode aceitar ou rejeitar a estação móvel [Tanembaum 2003]; 23 Autenticação: como a comunicação sem fio pode ser enviada ou recebida facilmente por estações não autorizadas, uma estação deve se autenticar antes de ter permissão para transmitir dados [Tanembaum 2003].