QoS para VoIP II: Calculador VoIP de Largura de Banda e Atraso

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1 QoS para VoIP II: Calculador VoIP de Largura de Banda e Atraso Esta série de tutoriais sobre Qualidade de Serviço (QoS) para Voz sobre IP (VoIP) apresentará algumas particularidades relativas à Qualidade de Serviço das redes IP que devem ser avaliadas para as aplicações de comunicação de Voz. Este tutorial parte II apresenta um calculador para a Avaliação de Largura de Banda e Atraso para as redes IP, indicando as equações necessárias para essa avaliação e a forma de aplicação das mesmas. Jorge Moreira de Souza Doutor em Informática (81) pelo Instituto Nacional Politécnico de Toulouse, França, Mestre (75) e Bacharel (71) em Engenharia Elétrica na PUC-RIO. As principais áreas de interesse são Engenharia de Tráfego e Análise de Confiabilidade de Sistemas. Trabalha atualmente na FITec onde desenvolve trabalhos de análise/avaliação e revisões de projeto. Participou com membro da Comissão do I Concurso Teleco de Trabalhos de Conclusão de Curso (TCC), realizado em 2005, e do II Concurso Teleco de Trabalhos de Conclusão de Curso (TCC), realizado em Categoria: VoIP Nível: Introdutório Enfoque: Técnico Duração: 30 minutos Publicado em: 26/03/2007 1

2 QoS para VoIP II: Introdução No tutorial sobre desempenho de tráfego [Moreira 06 - Qualidade de Serviço (QoS) II: Desempenho de Tráfego] apresentamos os conceitos de tráfego e bloqueio usados na telefonia tradicional para o dimensionamento de circuitos. No caso de dimensionamento de largura de banda para VoIP esses conceitos são utilizados e existem disponíveis alguns calculadores VoIP que avaliam a largura de banda necessária para diversos CODEC s do mercado [VoIPWestbay, VoIPWebtorial]. Como foi visto no tutorial parte I desta série [Moreira 07 - QoS para VoIP I: Avaliação da Largura de Banda e do Atraso], a largura de banda estima a taxa de pacotes VoIP em função do tráfego em Erlang. Os pacotes de voz experimentam em cada multiplexador da rede (gateway, roteador) um atraso aleatório resultado do processamento, da competição com outros serviços e do tratamento e esquema de prioridade das filas de pacotes (componente aleatório). O atraso total depende, além do atraso devido à multiplexação, de componentes determinísticos, tais como o tempo de processamento da amostra pelo CODEC, o tempo de dejitter, e etc. O atraso ponto-a-ponto, a variação do atraso (jitter) e a perda de pacotes são fatores importantes que afetam a qualidade do serviço (QoS) VoIP. Existem ainda outros fatores, tais como eco, indisponibilidade, e que não serão abordados neste tutorial. Caso não houvesse o componente aleatório do atraso (caso ideal), a largura de banda VoIP seria suficiente para o dimensionamento dos enlaces. No caso real é necessária a avaliação dos fatores que influenciam o atraso em função do cenário de rede: velocidade dos enlaces, tratamento das filas, tráfego de serviços, número de roteadores (número de hops ), etc. Usamos para a avaliação do atraso, o modelo de filas M/D/1 proposto em [Karam 2001] para análise de tráfego VoIP. Para se ter boa qualidade de voz os requisitos de perda de pacote, atraso e jitter são severos. Como exemplo, pode-se citar que a perda de pacotes deve ser menor que 1 em Assim, na avaliação do atraso, não podemos trabalhar com a média e sim com o quantil derivado do complemento da função de distribuição de probabilidades. O quantil de 10-6, por exemplo, indica que 1 em de pacotes tem atraso superior ao valor requerido. A avaliação da largura de banda e atraso para VoIP está sendo abordada nesta série de dois tutoriais. O tutorial parte I apresentou a parte teórica, indicando as equações necessárias à avaliação. A complexidade das equações motivou a implementação de um calculador VoIP de largura de banda e atraso. A apresentação do calculador VoIP e sua utilização é objeto desse tutorial parte II. 2

3 QoS para VoIP II: Calculador VoIP O calculador VoIP é apresentado a seguir. Os campos indicados com asterisco (*) devem ser preenchidos ou selecionados, e os demais campos apresentam os resultados calculados assim que o botão Calcular é pressionado. Ao pressionar o botão Limpar, o calculador é reiniciado. As seções seguintes detalham os conjuntos de campos, apresentado sua finalidade e os conceitos e equações envolvidos no cálculo. Maiores informações sobre tráfego telefônico, consulte o tutorial: Tráfego Telefônico. Para efetuar obter cálculos em Erlangs, utilize o calculador do Teleco: Erlang B. 1. Dados de Tráfego Tráfego*: Erlangs Bloqueio*: % 2. Dados do Codec Codec*: G.711 G.723(5.3) G.728 G.723(6.4) G.729 GSM Customizado Tempo de amostragem*: 10 ms Tamanho de amostragem*: 10 bytes Voice activity Detector (VAD)0.5 [0-1] 3. Empacotamento Número de amostras por pacote*: 2 unidades Tamanho do cabeçalho*: 54 bytes 4. Largura da Banda Número de canais: unidades Banda por canal: kbit/s Banda total: kbit/s 3

4 5. Atraso Número de nós*: (>=5) Utilização*: (<1) Atraso por nós: Atraso total: ms ms Calcular Limpar 4

5 QoS para VoIP II: Largura de Banda VoIP O calculador usa a tradicional fórmula B de Erlang para o cálculo do bloqueio [vide tutorial anterior, Moreira 07]. Onde: A é o tráfego oferecido; e m é o número necessário de circuitos ou canais de voz. Desta forma, dado o bloqueio e o tráfego podemos determinar o número de canais de voz. O quadro 1. Dados de Tráfego do Calculador VoIP permite entrar com os valores de Tráfego, em Erlangs, e Bloqueio, em porcentagem. Para o cálculo da largura de banda do CODEC precisamos dos seguintes dados: Tempo de amostragem (frame time); Tamanho da amostra, em bytes (frame size). A indicação do CODEC escolhido, a eficiência do VAD (Voice Activity Detector) assim como os dados indicados acima são feitas no quadro 2. CODEC do Calculador VoIP. O VAD indica a redução da largura de banda caso seja ativado, ou seja, se VAD = 1 não há redução. O quadro 3. Empacotamento do Calculador VoIP permite informar os seguintes dados: Número de amostras por pacote (frames/packet ou payload); Tamanho do cabeçalho (packet overhead), ou seja, o número de bytes do cabeçalho IP/UDP/RTP e da camada 2. A expressão da largura de banda LB, expressa em bit/s, implementada no calculador VoIP é: [1] Onde: Tp_a: tempo de amostragem (frame time); Tm_a: Tamanho da amostra em bytes (frame size); N_a: número de amostras por pacote (frames/packet ou payload); Cabec (Packet Overhead): número de bytes dos cabeçalhos IP/UDP/RTP e da camada 2. Os dados configurados inicialmente são para o CODEC G.729 com a configuração correspondente à primeira linha da tabela 1. 5

6 CODEC Tm_a (bytes) Tabela 1: Dados de configuração do G.729 para VAD = 1. N_a Tp_a (ms) IP/UDP/RTP Cabeçalho (bytes) CRTP Cabeçalho (bytes) Camada 2 Camada 2 Cabeçalho (bytes) Largura de Banda (Kbps) G Ether G Ether G PPP G PPP G FR G FR G Ether G Ether G PPP G PPP G FR G FR Para cada tipo de CODEC (exceto o Customizado) há uma configuração proposta. O quadro 4. Largura de Banda do Calculador VoIP mostra o resultado indicando o número de canais, a banda por canal e a largura de banda necessária (Banda total). Caso não houvesse o componente aleatório do atraso (caso ideal), a largura de banda VoIP seria suficiente para o dimensionamento dos enlaces. 6

7 QoS para VoIP II: Análise do Atraso O atraso na rede na rede em função do tráfego VoIP depende do atraso em cada nó e do número de nós entre origem e destino. Para tanto, devem ser observadas as seguintes considerações: Chamamos de Taxa de Serviço o inverso do tempo de serviço. Por exemplo, para um enlace E1 a taxa de serviço é de 2048 kbit/s; A Taxa de Utilização do enlace de saída é definida como a razão entre a largura de banda VoIP e a taxa de serviço do enlace. Para que uma fila seja estável, ou seja, não cresça infinitamente, a taxa de utilização deve ser menor que 1; A variação do tráfego de voz ao longo do tempo e o mecanismo de prioridade quando existem outros tráfego além do de voz, causam uma variação na distribuição dos pacotes que originalmente eram determinísticos. Os pacotes VoIP tem prioridade sobre os demais pacotes e causam a suspensão da transmissão dos pacotes não-voip na chegada de um pacote VoIP. Expressão para o atraso para um nó O quadro 5. Atraso do Calculador VoIP é o que apresenta o cálculo do atraso. Seja W a variável aleatória que representa o atraso. P{W > t} é o complemento da função de distribuição. Então, para o quantil de 10-6, por exemplo, queremos determinar t tal que P{W > t} = O calculador VoIP implementa a equação abaixo e indica o resultado no campo Atraso por nó. Expressão para o atraso em função do número de nós O atraso em um dado nó j é representado péla variável aleatória Wj. Os atrasos Wj, j = 1...n são independentes. O atraso W de um pacote que atravessa n nós é a soma dos atrasos em cada nó, ou seja: W = W1 + W Wn. Pelo teorema central do limite para n suficientemente grande (quando n tende para infinito) W tende para uma distribuição Normal com: 7

8 Como o nó é modelado por uma fila M/D/1 precisamos conhecer sua média e desvio padrão. As expressões da média e desvio padrão são mostradas abaixo. [2] 8

9 QoS para VoIP II: Exemplo Esta seção apresenta um exemplo prático de uso do Calculador VoIP. Observe que o Calculador apresentado tem o objetivo de, a partir de algumas simplificações práticas, prover uma forma de cálculo do atraso e da largura de banda VoIP para as aplicações mais usuais, sem contudo pretender ser um estudo acadêmico complexo. Desta forma, algumas regras práticas foram introduzidas e são listadas a seguir: A taxa de utilização de uma rede não deve ser maior que 0.9 (90%), já que taxas de utilização maiores podem comprometer seriamente o seu desempenho, ou mesmo levar a um colapso do serviço de rede. Desta forma, recomenda-se sempre usar, no máximo, o valor 0.9 (90%) no campo Utilização, do quadro 5. Atraso do calculador; A maioria das redes apresenta 5 ou mais nós e, quanto maior for o número de nós, mais a distribuição dos atrasos se aproxima de uma distribuição normal. Desta forma, o calculador foi implementado considerando que o valor mínimo do campo Número de nós do quadro 5. Atraso deve ser 5. Caso o calculador seja usado para redes com um número de nós menor que 5, basta usar o valor 5 nesse campo e usar como atraso total o valor do campo Atraso por nó multiplicado pelo número de nós (1 a 4), conforme seja a topologia da rede em análise. Isto posto, vamos ao exemplo. Considere uma comunicação ponto-a-ponto com dez nós. Use o calculador para traçar as curvas da Figura 1 que mostram o atraso para diversas utilizações e diversas fontes VoIP. Como indicado na introdução, a avaliação do atraso no calculador VoIP considera o quantil e não a média. Considerar: O quantil de 10-6 (menos que 1 em de pacotes sofrem o atraso requerido); Que cada fonte VoIP oferece 0.12 Erl; Comunicação ponto-a-ponto com 10 nós; Número de fontes de tráfego: 100, 250 e

10 Figura 1: Atraso ponto-a-ponto, quantil =

11 QoS para VoIP II: Considerações Finais O tutorial parte I mostrou como o modelo de filas M/D/1 é utilizado para a avaliação do atraso, indicando as equações necessárias à avaliação. Mostramos também que a avaliação usando apenas a média não é adequada quando a qualidade da voz é um requisito importante sendo o atraso de influência fundamental na determinação da largura de banda. Neste tutorial parte II apresentamos o calculador desenvolvido para a avaliação de largura de banda e atraso com base no modelo apresentado no tutorial parte I. Referências [Moreira 06] Moreira de Souza, J., Qualidade de Serviço (QoS) II: Desempenho de Tráfego, Jan 2006, [VoIPWestbay] [VoIPWebtorial] [Karam 01] Karam, M.J., Tobagi F.A., Analysis of the Delay and Jitter of Voice Traffic Over the Internet, Infocom 2001, [Moreira 07] Moreira de Souza, J., QoS para VoIP I: Avaliação da Largura de Banda e do Atraso, Dez 2006, [Tude 03] Tude, E., Tráfego Telefônico, Ago 2003, e Calculador ErlangB do Teleco. 11

12 QoS para VoIP II: Teste seu Entendimento 1. Use o calculador VoIP para determinar a largura de banda do CODEC G.729 usando a seguinte configuração: tráfego de 20 Erl, bloqueio 5%, sem compactação de cabeçalho, VAD não ativado, 3 frames, camada 2 Ethernet, e os valores usuais de número de nós (5) e utilização (0.9). O resultado correto de largura de banda é: 10.1 kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s. 2. Para um tráfego oferecido de 35 Erl e bloqueio de 5%, mantidos os demais valores da questão anterior, quantos canais de voz devem ser dimensionados? Considerando os dados da questão anterior, para uma taxa de utilização de 0.8, calcule a largura de banda necessária para voz. Qual a largura de banda do enlace? Para determinar o atraso, o calculador usa: A média. O quantil em A variância. A mediana. 12

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