VoIP e QoS: Análise de Parâmetros de QoS para Chamadas Intercontinentais

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1 VoIP e QoS: Análise de Parâmetros de QoS para Chamadas Intercontinentais Esta Série Especial de Tutoriais apresenta os trabalhos premiados no III Concurso Teleco de Trabalhos de Conclusão de Curso (TCC) O conteúdo deste tutorial foi obtido do artigo classificado em quarto lugar no concurso, de autoria do Bruno Lima Wanderley e do William David Mercado Echenique. O objetivo do tutorial é apresentar a avaliação e comparação das chamadas telefônicas através de métodos analisadores de parâmetros relevantes à qualidade conversacional das chamadas de voz sobre o protocolo IP, mostrando possíveis pontos críticos durante uma experiência de chamadas Voz Sobre IP e sugerindo alguns procedimentos para uma melhor experiência conversacional. Bruno Lima Wanderley É Engenheiro de Telecomunicações pelo Instituto de Estudos Superiores da Amazônia (IESAM, 2007), e Mestrando em Engenharia de Telecomunicações na Universidade Federal Fluminense, atuando na sub-linha de pesquisa Comunicação de Dados Multimídia. É também integrante do Grupo de Pesquisas em Redes Mesh da Universidade Federal Fluminense, e Administrador do Laboratório de Comunicação de Dados Multimídia MidiaCom. Atuou como Monitor de Laboratório de Informática da Organização Paraense Educacional, executando as atividades de suporte ao usuário em plataforma Linux e seus aplicativos. Atualmente é Estagiário de Tecnologia da Entelc Engenharia Ltda, atuando em sistemas de Voz Sobre IP, Redes de Computadores e Sistemas de Telefonia Privada (PABX). 1

2 William David Mercado Echenique É Engenheiro de Sistemas e Mestrando em Engenharia de Telecomunicações na Universidade Federal Fluminense, atuando na sub-linha de pesquisa Comunicação de Dados Multimídia. É também integrante do Grupo de Pesquisas em Redes Mesh da Universidade Federal Fluminense, e Administrador do Laboratório de Comunicação de Dados Multimídia MidiaCom. Categoria: VoIP Nível: Introdutório Enfoque: Técnico Duração: 15 minutos Publicado em: 07/01/2008 2

3 VoIP e Qos: Introdução As redes Voz sobre IP podem ser consideradas hoje como tendência mundial pelo baixo custo, além da flexibilidade de recursos disponíveis ao usuário como, por exemplo, o uso de um mesmo tipo de identificação de usuário em todo mundo, permitindo grande mobilidade. Com a difusão da internet de alta velocidade, o uso dos serviços de voz em tempo real cresce vertiginosamente assim como a quantidade de soluções possíveis para sua utilização. É possível obter chamadas para qualquer lugar do globo com razoável qualidade e com custo inferior à rede pública de telefonia comutada com um software ligado a um PC ou hardwares que permitam a interconexão entre outros sistemas, entre uma rede corporativa privada (PABX) e o sistema IP, por exemplo. Dado esses fatores é de extrema importância à validação de sistemas multimídia baseados em protocolo IP pela internet. Há milhares de operadoras de serviços voz sobe IP no mundo como o Skype e o Gizmo, utilizando exclusivamente computadores pessoais ligados a internet, e operadoras com a Peoplecall [8] oferecendo soluções de maior porte para ambientes corporativos, implementando hardware e software. Atualmente, a Europa lidera as novas adições de usuários VoIP, com 40% dos clientes incorporados no ano passado, enquanto os Estados Unidos geram 12% [2]. Um total de 34 milhões de pessoas passaram a utilizar serviços de voz sobre o protocolo internet (VoIP) em 2006 [2], fazendo o número de usuários desse tipo de telefonia saltar de 16 milhões para 50 milhões, de acordo com pesquisa da In-Stat [2]. Diante do potencial de crescimento baseado no número de novos assinantes de banda larga em todo o mundo, acredita-se que a receita mundial com serviços de VoIP passe dos 15 bilhões de dólares para 44 bilhões de dólares nos próximos cinco anos [2]. A desagregação de redes entre as operadoras, o lançamento de telefonia através das redes de cabo, assim como a oferta de pacotes triple play (dados, voz e tv a cabo) e a consolidação entre as operadoras são as causas do boom de voz sobre IP na Europa. Com a expansão do uso do serviço, faz-se necessário, pelo menos, monitorar a qualidade dos serviços prestados e analisar os possíveis problemas durante a chamada com a finalidade de identificar as possíveis causas de perda de qualidade em meio não confiável, como a internet. Apesar de não ser possível oferecer um fluxo de dados dedicado, existe a alternativa de mapear as complexas rotas em que os pacotes de voz estão sujeitos a trafegar e identificar possíveis pontos críticos. É importante enfatizar que tais serviços de chamadas de voz quando realizadas em meio confiável como, em links dedicados, não tendem a ter a mesma quantidade de problemas, porém, além do alto investimento requerido, grande parte das pesquisas hoje são voltadas para utilização de VoIP pela internet. A qualidade de serviço em redes IP tem sido alvo de pesquisas há mais de uma década com um grande número de arquiteturas, mecanismos e tecnologias possíveis com a finalidade de oferecer serviços além do best-effort [10]. O interesse em pesquisas em QoS está crescendo gradualmente devido à proliferação de aplicações missãocrítica como voz sobre IP (VoIP), videoconferência e redes privadas virtuais (VPNs), que necessitam de 3

4 garantias de qualidade em relação a latência e jitter. A mais promissora dessas aplicações é o VoIP, pois as grandes corporações avistam um grande potencial para redução de custos [10]. O Mean Opinion Score avalia a qualidade de chamadas VoIP de acordo com os limites impostos pelas recomendações ITU-T em relação ao atraso e perda de pacotes, monitorando chamadas num determinado período e avaliando a qualidade de acordo com a opinião média de um banco de informações de usuários [5]. Uma nota derivada dos atrasos e outros fatores degradantes causadas por equipamentos na rede são dados para cada chamada. O tipo de codificação de voz utilizada será predominantemente o padrão G.711 do ITU-T, conhecido como Pulse Code Modulation (PCM), baseado na codificação em forma de onda para a digitalização da voz, com uma taxa de saída 64 kbit/s e o padrão G.729, considerando o codec CS-ACELP, com taxa 8 kbit/s [3]. Este tutorial apresenta um método capaz de testar e avaliar a qualidade conversacional além de sugerir propostas para melhora no desempenho. 4

5 VoIP e Qos: Cenários e Problemas Cenários da Comunicação Voz sobre IP na Atualidade A tecnologia aplicada à serviços VoIP requer diversos tipos de recomendações com arquiteturas distintas de sinalização responsáveis pelo provimento de serviço de forma aceitável. Protocolos de sinalização como o H.323 da ITU-T (International Telecommunication Union Telecom Standardization Sector) ou o Session Initiation Protocol do IETF (Internet Engineering Task Force) são fundamentais para o provimento de chamadas, sendo o primeiro citado utilizado predominantemente em backbones corporativos. Já o segundo amplamente utilizado em redes não confiáveis como a internet. O protocolo H.323 permite a operabilidade de vários produtos e serviços VoIP como gateways, hardwares que possibilitam teleconferência e videoconferência, interconexão com PABX, dispositivos ATA (Adaptadores de Telefone Analógico) permitindo que telefones analógicos comuniquem-se com redes IP com gatekeepers responsáveis por gerenciar todos os equipamentos de uma rede de telefonia IP [1]. Há funções adicionais como controle de largura de banda e agenda telefônica. O protocolo SIP foi desenvolvido visando o uso na internet. Responsável por iniciar, modificar e terminar as chamadas, ele fornece meios para o endereçamento e localização de usuários, não oferecendo nenhum tipo de reserva de recursos na rede [3]. Como característica importante pode citar o fato do usuário poder permanecer com a mesma identificação independente do local do mundo. A identificação pode ser feita pela operadora de telefonia IP que oferece o serviço. Figura 1: Procedimento de uma chamada SIP. Há diversas soluções multimídia para o protocolo SIP. O uso de softphones em computadores pessoais permite chamadas entre outro usuário SIP e, dependendo da disponibilidade da operadora, para telefones analógicos de vários países no mundo. Soluções com dispositivos do tipo ATA permitem que telefones analógicos se interconectem em sistemas voz sobre IP, possibilitando chamadas a partir da internet para qualquer lugar do mundo. Na figura 1 temos um exemplo de chamada SIP, com o usuário convidando (INVITE) o usuário remoto para uma chamada de voz. Primeiramente o convite de Renato é 5

6 roteado via internet até o servidor de localização da operadora VoIP, identificado o usuário e convidando para a chamada a ser realizada, podendo ser aceito (OK) ou recusado (CANCEL). Após a sinalização, a chamada é inicializada. O Real Time Protocol atua em conjunto com o SIP para o transporte de dados em tempo real, permitindo detecção de perda de dados, e identificação do conteúdo. O protocolo RTP é constituído de uma parte de controle de dados chamada RTP Control Protocol (RTCP), constituído de ferramentas capazes de avaliar a qualidade do serviço dos receptores. Vale lembrar que toda comunicação multimídia em tempo real utiliza o protocolo de transmissão dos dados User Datagram Protocol (UDP). Problemas Encontrados na Transmissão da Voz Com a popularização da internet, aplicações em tempo real estão sendo mais difundidas, mas, devido escassez de banda, são utilizados algoritmos responsáveis pela economia considerável de banda, como os utilizados para compressão do sinal de voz. O seu uso tem sido possível graças ao desenvolvimento dos processadores de sinais digitais (DSP s), cuja capacidade de processamento tem crescido vertiginosamente. Para uma boa qualidade de voz, mecanismos de controle de qualidade são necessários para que sejam observados problemas críticos para transmissão em VoIP [4]. O atraso fim-a-fim corresponde a um desses problemas, consistindo na diferença de tempo entre os instantes em que é transmitido o primeiro bit do pacote e que esse mesmo bit é recebido, não devendo ultrapassar 300 ms de acordo com a recomendação G.114 da ITU-T [6]. Caso existam atrasos acima desse patamar haverá sobreposição das falas nas chamadas e a sensação dos usuários é a de estarem usando um sistema half-duplex. Tal atraso pode estar relacionado com o tempo de propagação do sinal no meio de transmissão, sendo este, função da velocidade da luz no meio. Há também atraso de empacotamento, caracterizado pelo tempo necessário para gerar um número suficiente de quadros de voz para preencher o payload do pacote IP. Por se tratarem de redes não confiáveis, é possível haver atrasos em nós da rede, onde o atraso de enfileiramento é o principal atraso que os pacotes sofrem dentro da rede, responsável pela aleatoriedade do atraso total ao qual o pacote é exposto, assumindo valores inaceitáveis quando a rede estiver congestionada [7]. É praticamente inevitável algum grau de perda ou erro em pacotes nesses hosts por estouro de buffer em roteadores e switches, implicando diretamente na qualidade do serviço. Valendo lembrar que, por se tratar e aplicações que utilizando o protocolo UDP/RTP não há retransmissão dos pacotes. Perdas acima de 5% do total dos dados influenciam negativamente na qualidade conversacional [5]. Outro fator de fundamental importância para obter aceitável serviço é a largura de banda disponível na rede. Além da transmissão da voz as redes são usadas também com outras finalidades, por isso, dados multimídia em tempo real deveriam possuir uma prioridade em relação a outros dados menos sensíveis a atrasos. Há varias soluções de QoS na internet como os Serviços Diferenciados (Diffserv) e o Multiprotocol Label Swiching, tais soluções não serão abordadas neste artigo. 6

7 A latência do pacote não é um fator determinante para ocorrer degradação da voz, o que pode ocorrer é uma perda de sincronização. Devem-se tomar medidas para a latência assumir valores abaixo do patamar de 150 ms [5]. 7

8 VoIP e Qos: Método e Procedimento Método para Avaliação do Desempenho O Mean Opinion Score (MOS) caracteriza-se pela sua avaliação subjetiva de qualidade de diferentes vocoders, ou seja, os resultados são sempre comparados com uma referência bem estabelecida. Muitos fatores contribuem para a pontuação MOS da qualidade de voz, requerendo otimização individual para se obter a melhor pontuação possível [8]. O método recomendado para testes do tipo apenas ouvir é o ACR: Absolute Category Rating. As recomendações P.800 (1996) e P.830 (1996) do ITU-T fornecem as orientações para avaliação dos codecs de voz. Existem várias escalas para avaliação da voz, entretanto a escala a seguir é a mais utilizada pela ITU-T. Pontuação (MOS) Tabela 1: Escala de valores do MOS [5]. Entendimento da Voz Distorção 5 Excelente Imperceptível 4 Boa Apenas perceptível, sem incomodar 3 Regular Perceptível, leve perturbação 2 Pobre Perturbando, mas audível 1 Ruim Perturbando muito, inaudível Procedimento dos Testes Tabela 2: Valores médios MOS de cada vocoders [5]. Codec Taxa de bits (kbit/s) MOS Atraso (ms) G.711 PCM 64,0 4,3 0,125 G.726 ADPCM ,0-4,3 0,125 G ,3; 6,3 3,7; 3,8 70 G.728 LD-CELP 16,0 4,1 2 G.729 CS-ACELP 8,0 4,0 20 G.729A CS-ACELP 8,0 3,4 20 As simulações através do software TestYouVoIP, ilustrado na figura 2, consistem em testes de qualidade das ligações saindo de uma cidade no Brasil, especificamente com o IP

9 Situações tráfego foram emuladas por rotas semelhantes, sendo necessário atravessar diversos nós (hops) até chegar ao suposto host na cidade de Londres, na Inglaterra, simulando tanto o envio quanto na recepção dos pacotes de voz. O aplicativo Java do PC efetua a simulação da chamada utilizando o protocolo SIP/RTP. Tais simulações permitem avaliar a qualidade conversacional obtendo os parâmetros necessários para a obtenção do MOS. É extremamente importante lembrar que pelo fato da conexão com a internet do testes ser assimétrica (ADSL) os dados podem ser transmitidos mais rapidamente em uma direção do que na outra, resultando em parâmetros significativamente diferentes em ambos os casos. Os codecs usados nos testes foram o G.711, priorizando a qualidade da voz, e o G.729, objetivando a conservação da largura de banda. Figura 2: Software TestYourVoIP. As simulações objetivaram avaliar a qualidade do sinal em ligações saindo de uma cidade do Brasil, verificando a qualidade da entrega dos dados. Sendo possível estipular uma nota para cada chamada. 9

10 VoIP e Qos: Resultados Obtidos Os testes foram realizados em uma rede ADSL com velocidade nominal para upstream de kbit/s e kbit/s para downstream com o endereço IP situada dentro do backbone Telemar S/A. São enviadas e recebidas rajadas de bits durante quinze segundos, correspondentes às taxas de transmissão efetivas de cada codec citado, incluindo overhead (IP/RTP/UDP). Gráfico 1: Jitter (ms). No gráfico 1 verificamos os valores de jitter para as chamadas realizadas entre 10 e 16 horas seguindo o fuso horário GMT-03:00, que é o horário oficial de Brasília. Segundo a recomendação G.114 [7], valores acima de 150 ms tornam a experiência conversacional desconfortável para o usuário. Obtivemos valores além do patamar permitido em três ocasiões. Possíveis tráfegos na rede, buffers de roteadores sobrecarregados e a menor velocidade de upstream podem ter comprometido a transmissão. Gráfico 2: Round Trip Time (ms). Os valores de RTT, do gráfico 2, os valores de RTT ficaram próximos ou acima de 500 ms. Segundo a recomendação ITU G.114, valores acima de 300 ms influenciam negativamente na inteligibilidade da conversação. Por se tratar de uma comunicação onde possivelmente há passagens por satélites ou cabos submarinos 10

11 ópticos que são causadores naturais de atraso, este resultado se mostra extremamente prejudicial para a qualidade conversacional. Gráfico 3: Atraso fim a fim (ms). Os atrasos fim-a-fim chegam a patamares praticamente inaceitáveis, segundo o gráfico 3, em muita situações, chegado a casa dos 700 ms. A recomendação ITU G.114 permite no máximo menos da metade desse valor (300 ms). Esses atrasos podem ser justificados com a rota percorrida pelos pacotes no gráfico 4 a seguir: Gráfico 4: Rota percorrida pelos pacotes VoIP. Na coluna vertical encontram-se os nós de redes pelo qual os pacotes passaram. É importante enfatizar o grande aumento do atraso fim-a-fim a partir do host onze, que saltou de aproximadamente 70 ms para valores em torno de 200 ms. Tal aumento pode ser justificado pelo momento que o pacote muda de um continente para o outro, pois o host pertence ao domínio de endereços do Brasil segundo a regulamentadora de endereços 11

12 IP do Brasil. Essa passagem de continente para outro por meio de cabos submarinos ou via satélite comprometeu ainda mais a qualidade da chamada. Tal fenômeno ocorreu em todas as chamadas. Gráfico 5: Perda e descarte de pacotes (%). No gráfico 5 verifica-se que a perda de pacotes ficou dentro dos padrões preestabelecidos pelo G.114 (5%), com exceção de uma única chamada com perdas de 7%. Tais perdas podem ter maior ou menor impacto no MOS dependendo da natureza da perda. Se esse fluxo foi perdido ou descartado em rajada (vários quadros vê voz seguidos) o usuário sentirá um momento de ruído na conversação, senão, tal perda será imperceptível. As degradações de sinal citadas nos gráficos anteriores refletem de forma negativa nos valores de MOS. O gráfico 6 exibe claramente uma redução na nos valores MOS onde a degradação da qualidade nos momentos onde os valores de RTT, perda de pacotes e jitter foram acima dos limites recomendados pela ITU-T com valores próximos de 2 (regular). Os valores de atraso fim-a-fim não são considerados na avaliação, entretanto, eles contribuem também para uma chamada VoIP desconfortável. Gráfico 6: Mean Opinion Score das chamadas. 12

13 VoIP e Qos: Considerações Finais Observaram-se sérios problemas com atraso, tanto fim-a-fim quanto RTT (Round Trip Time, eco), obtendo valores muito acima dos permitidos pela ITU, mesmo com tratamento dado pelo protocolo RTP/UDP e SIP, ocasionando conversações desconfortáveis. O codec G.729 não foi suficiente para atenuar de forma significativa os problemas citados, já o G.711 teve seu diferencial no momento de maior congestionamento de dados, entre 15 e 16 horas, possuindo maior imunidade a perdas de pacote do tipo rajada e não havendo degradação completa da voz, diferentemente do G.729. Mesmo em situações onde há carência de largura de banda e ausência prioridade de pacotes multimídia em redes não confiáveis, o G.711 pode ser usado. Apesar dos problemas apresentados, soluções em VoIP têm crescimento considerável ano após ano de número de usuários, tendo em vista a grande redução de custos e a possibilidade futura de mecanismos de QoS com a implantação do protocolo IPv6 que facilitaria a implantação de um serviço não-best effort, oferecendo algum tipo de prioridade via protocolo Diffserv ou Multiprotocol Label Switching (MPLS), garantindo um nível de qualidade equivalente ao Rede Pública de Telefonia Comutada. Referências [1] B. FILHO, Huber. Telefonia IP. Disponível em: Acesso em: 20.MAR [2] COMPUTERWORLD, Disponível em: Acesso em: 19.SET [3] GRUPO MULTIMÍDIA METROPOA/PUCRS. Sistemas de Voz Sobre IP. Acesso em: 20.MAR [4] GRUPO MULTIMÍDIA METROPOA/PUCRS. Tutorial de QoS. Acesso em 20.MAR [5] HERSENT, Oliver; GUIDE, David; PETIT, Jean-Pierre. Telefonia IP: Comunicação Multimídia Baseada em Pacotes. Makron Books, [6] ITU-T G.114, Telecommunication Standartization Sector of ITU Series G: Transmission Systems and Media, Digital Systems and Networks, [7] Lakaniemi, A. Rosti, J. Raisanen, V.I.,Subjective VoIP speech quality evaluation based on network measurements, IEEE International Conference on, [8] Stone, T. Alena, R. Johnson, M. IP telephony for interplanetary exploration, IEEE Aerospace Conference,

14 [9] Soldatos, J.; Vayias, E.; Kormentzas, G., On the Building Blocks of Quality of Service in Heterogeneous IP Networks, Communications Surveys & Tutorials, IEEE, [10] Xiao, X., & Ni, M. N, Internet QoS: A Big Picture, IEEE Network, Março/Abril

15 VoIP e Qos: Teste seu Entendimento 1. Qual das alternativas abaixo representa um dos problemas encontrados na transmissão de Voz nas aplicações VoIP? O atraso fim-a-fim, que não deve ultrapassar 300 ms. O atraso em nós da rede, provocado pelo enfileiramento de pacotes, quando a rede fica congestionada. O compartilhamento da largura de banda por vários tipos de aplicação, sem a devida priorização dos dados multimídia em tempo real. Todas as alternativas anteriores. 2. Qual foi o tipo de avaliação de desempenho utilizada no contexto deste tutorial? A avaliação de Codecs de Voz usando o método Mean Opinion Score (MOS). A avaliação de rotas usando o método de menor custo. A avaliação de rotas usando o método de menor números de Saltos (Hops). Avaliação de Codecs de Voz usando o método Absolute Category Rating (ACR). 3. Dentre os codecs avaliados, qual o que teve melhor desempenho? Nenhum deles, sendo necessário avaliar outros codecs. O codec G.729, que com banda de 8 kbit/s não ocasionou problemas de desconforto de conversação. O codec G.711, que teve seu diferencial no momento de maior congestionamento de dados, possuindo maior imunidade a perdas de pacote do tipo rajada e não havendo degradação completa da voz. Tanto o codec G.711 como o G.729 tiveram bom desempenho. 15

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