Análise do Tráfego de Protocolos de Telefonia IP

Transcrição

1 Análise do Tráfego de Protocolos de Telefonia IP Geneflides Laureno da Silva, Raimir Holanda Filho Universidade de Fortaleza Resumo O objetivo principal deste trabalho é realizar a caracterização do tráfego dos protocolos SIP/RTP e IAX em ambientes que utilizam a Telefonia IP como padrão de comunicação em redes locais. O trabalho permitiunos avaliar e validar uma metodologia para coleta, tratamento dos dados e análises estatísticas. Tal conjunto de informações nos possibilitou observar que os fluxos de dados de tais protocolos possuem diferenças significativas quanto ao impacto da quantidade de dados que são injetadas nas LANs. A partir de tais dados, pudemos analisar o tráfego de voz nas redes IP e concluir que caracterizar este volume, com foco específico em protocolos de Telefonia IP tem considerável relevância no dimensionamento, bilhetagem e tarifação destas redes. Provedores de serviço de acesso e gerentes de ambientes de redes sem fio são, potencialmente, os grandes usuários desta caracterização. 1. Introdução A forma como nos comunicamos atualmente, tem contribuído substancialmente para mudanças culturais dentro de nossa sociedade. O principal ator responsável por tais transformações sem dúvida tem sido o fato da inserção cada vez maior dos mecanismos tecnológicos dentro do ambiente de nossas rotinas. No universo das comunicações, principalmente no domínio das redes de computadores e sistemas de telecomunicações, protocolos como: ISDN [1], TCP/IP [2], H.323 [3] e SIP [4] tem desempenhado papel fundamental na evolução das referidas estruturas, permitindo integrações, remodelagem e surgimento de novas arquiteturas. O desenvolvimento de padrões abertos de protocolos voltados à telefonia e sessões multimídia, em conjunto com arquiteturas open source, tem permitido à companhias de pequeno porte o acesso ao uso de plataformas de vanguarda, antes restritas apenas a uma parcela do universo empresarial, devido seus elevados custos de aquisição, implantação e manutenção. Tal acesso, entretanto, tem incorporado às redes um elevado volume de tráfego, que caso não seja bem mensurado, pode causar transtornos e prejuízos. Diante desta realidade, onde a palavra chave convergência é o principal pilar de sustentação para estas rotas por onde transitam tais informações, conhecer o comportamento do tráfego em tais redes torna-se fator essencial para desenvolvimento de uma visão crítica e analítica das atuais necessidades e melhorias demandadas. Nosso trabalho tem como principal objetivo, caracterizar o comportamento do tráfego de Telefonia IP, dentro de ambientes corporativos, através da análise de fluxos, quando do uso dos protocolos SIP/RTP [4][12] e IAX [6]. A Telefonia IP tem emergido nos anos recentes, através do uso da tecnologia VoIP [7], como a real solução para a evolução dos cenários tradicionais de telefonia, os quais tinham como base para transporte de voz técnicas como PCM [8] e TDM [9]. No entanto tais técnicas não compreendem o escopo da quantidade de serviços e aplicações disponibilizadas pelos novos cenários com redes integradas e móveis e que também possibilitam o tráfego de dados, internet, voz e multimídia. Na seção II do nosso trabalho, realizaremos um breve descritivo da arquitetura dos dois protocolos (SIP e IAX) a serem analisados, visando uma contextualização dos mesmos dentro do escopo de atuação das pequenas corporações. Na seção III descreveremos a metodologia adotada para capturar e filtrar as informações obtidas e os cenários de coleta, com o intuito de realizar a caracterização. A consolidação dos resultados com os respectivos gráficos é apresentada na seção IV. Finalmente na seção V discorremos as conclusões e perspectivas de trabalho futuros. 2. Arquiteturas SIP e IAX O SIP (Session Initiation Protocol) pode ser descrito de uma maneira genérica como uma arquitetura cliente / servidor que também pode atuar de forma similar aos padrões P2P (Peer to Peer). Sua operação é baseada nos

2 padrões da Internet e mecanismos tais como os utilizados para envio e recebimento de s e funcionamento dos web-browsers. Podemos citar como padrões estabelecidos de internet os seguintes protocolos: SMTP [10] e HTTP [11]. Na Figura 1 abaixo podemos ver os principais componentes da arquitetura SIP e na seqüência um pequeno descritivo dos respectivos elementos. A Figura 2 a seguir mostra os componentes da arquitetura do protocolo IAX e em seguida também descrevemos de forma resumida seus componentes e sua operação. Figura 1. Componentes da Arquitetura SIP O objetivo não é detalhar a arquitetura, mas o ponto de destaque do protocolo SIP que gostaríamos de explicitar neste trabalho é o fato da existência de protocolos distintos para fase de sinalização e para fase de troca dos pacotes de voz em si. Neste contexto, evidencia-se a necessidade de dois passos bem definidos para que ocorra uma sessão completa com o uso do protocolo SIP. O passo inicial de sinalização com as trocas de mensagens e o passo seguinte que é o transporte da voz em si através do protocolo RTP. Este sem dúvida é o fator primordial de diferenciação da forma de operação do SIP quando comparado ao protocolo IAX. No SIP, a fase de sinalização onde ocorre a troca de mensagens é realizada utilizando-se tradicionalmente a porta UDP Já na fase da troca dos pacotes de voz entra em cena o protocolo RTP, podendo as portas oscilarem entre 5000 e Neste contexto, evidenciase a necessidade de dois passos bem definidos para que ocorra uma sessão completa com o uso do protocolo SIP. Como o SIP atua com sessões multimídia e não apenas para voz, devemos também mencionar a existência do protocolo SDP [13] e sua participação com a responsabilidade de informar o tipo de mídia que está sendo transmitida pelo RTP. O protocolo SIP também tem despontado como base para surgimento de novas arquiteturas, como o IMS [14], que notoriamente tem emergido como uma estrutura chave para o FMC (Fixed Móbile Convergence). Figura 2. Componentes da Arquitetura IAX Podemos definir o IAX como um protocolo para controle de aplicações e mídia, tendo como principais funções criar, modificar e terminar sessões multimídia no escopo do protocolo IP (Internet Protocol). O Cliente IAX troca requisições, respostas e fluxos de pacotes de voz diretamente com o Servidor IAX. O maior diferencial da arquitetura deste protocolo se comparada ao SIP é exatamente o fato dele está presente tanto na fase de sinalização como no momento do transporte da mídia. O IAX é responsável pelo controle e despacho, operando com uma única porta de comunicação: tradicionalmente UDP Ele não necessita de portas e protocolos distintos para realizar registros, autenticações e envio de mídia. Esta abordagem simplifica os procedimentos para administração de firewalls, pois requer regras de configuração apenas para uma única porta. Outro ponto importante é a unificação dos caminhos de sinalização e transmissão do áudio, facilitando a transparência de navegação dos pacotes, quando do uso de NAT [15]. O Servidor IAX é responsável por autenticar, autorizar e controlar todas as aplicações e sessões multimídia. Embora o IAX possua maior flexibilidade em certos aspectos, o SIP tem se tornado o padrão utilizado pelos grandes fabricantes. Tópicos como vídeo em telefones, integração com pequenas quantidades de codificadores de voz, limitação de uso por parte de softphones e telefones IP ainda tem sido fatores que tem restringindo o crescimento e adoção do protocolo IAX.

3 3. Metodologia O cenário de coleta para obtenção das amostras de tráfegos (traces), foram o ambiente interno de 04 corporações, de acordo com o padrão mostrado na Figura 3. Nesta topologia, diversos dispositivos estão conectados na LAN e trocam informações com o Voice Server. Os equipamentos em sua maioria eram ATAs (Analog Telephone Adapters), telefones IP e softphones instalados nos computadores da rede local. A Figura 4 mostra as fases da metodologia e a seguir a descrevemos, bem como sua adoção no referido contexto. A primeira fase da metodologia (AMOSTRAS DE TRÁFEGO) é aquela em que obtemos as amostras de tráfego, com as quais realizamos os estudos e buscas de comportamento. A ferramenta utilizada para coleta do tráfego foi o programa coletor tcpdump [16], habilitando-o na interface de rede local do Voice Server de cada empresa. Todo o tráfego que fluiu através destas conexões foi capturado e gravado em um arquivo especifico com as referidas informações. Figura 4. Metodologia para Caracterização de Tráfego Figura 3. Cenário de Coleta de Tráfego Todos estes componentes ou utilizavam o protocolo SIP ou o protocolo IAX para sinalizar e trocar pacotes de voz com o Voice Server. Eram exatamente as fontes geradoras de tráfego dentro da rede IP e também se integravam com a rede de telefonia tradicional PSTN (Public Switched Telephone Network). O novo tráfego gerado dentro da rede local, comporá exatamente toda a gama de troca de sinalização efetuada, bem como os pacotes de voz propriamente dito, que trafegam entre os dispositivos dos usuários finais e o Voice Server. A utilização dos protocolos dentro deste contexto, as transações e o impacto do volume de dados agregado torna-se o foco de nossa pesquisa, especificamente para caracterizar o comportamento do tráfego quando do uso de SIP/RTP e IAX. Após definido o cenário de coleta, foram escolhidas as ferramentas a serem adotadas para captura e filtragem das informações, as quais serão mencionadas a seguir. O passo seguinte foi realmente aplicar o método para caracterizar o comportamento do tráfego de Telefonia IP. O período especificado para coleta foi de 25 minutos, entre os horários de 09:30 às 11:30, tendo seu início e fim variando de corporação para corporação. A Tabela 1 a seguir mostra as informações referentes a quantidade de ramais, tamanho dos arquivos capturados e o tempo de coleta. Tabela 1. Coletas de Amostras de Tráfego

4 Na fase seguinte (COMPOSIÇÃO DOS FLUXOS) foi utilizada uma outra ferramenta chamada Wireshark [17], com a qual foi possível atuarmos nos arquivos obtidos com a coleta e filtrarmos os pacotes relacionados aos protocolos SIP/RTP e IAX. Aplicando-se os filtros, exportamos os dados do formato do tcpdump para o formato txt e através de um programa desenvolvido na linguagem perl foi realizada a agregação dos fluxos dos dados. Na terceira fase (VARIÁVEIS ESTATÍSTICAS) nos baseamos no trabalho [18] para seleção de dois discriminadores: quantidade de pacotes por fluxo e total de bytes por fluxo para a partir dos mesmos definirmos variáveis estatísticas que nos forneçam informações do comportamento do tráfego dos referidos protocolos. A última fase do método (CARACTERIZAÇÃO DO TRÁFEGO) é aquela em que se realiza as conclusões referentes a análise do comportamento das variáveis definidas para o trabalho estatístico e então se relata a consolidação das características observadas. Estas características são exatamente o que chamamos de caracterização do tráfego. Em nosso trabalho, nas seções seguintes onde apresentamos os resultados e as conclusões, poderemos ver as variáveis utilizadas e a caracterização obtida. 4. Resultados Durante o processo de sinalização os protocolos tiveram operação similar, devido os mecanismos de troca de informações entre clientes e servidor seguirem um padrão de troca de mensagens bem semelhantes. Detectamos uma forte presença de fluxos com pequenas quantidades de pacotes, o que se explica exatamente por compor apenas a etapa de troca de mensagens de sinalização para inicio ou fim de sessões, autenticação, localização e controle. A Figura 5 a seguir evidencia este comportamento, onde podemos observar as curvas para o tráfego SIP e IAX com fluxos com quantidade de 1, 5, 10 e 15 pacotes. Figura 5. Fluxos de Sinalização SIP - IAX O importante é atentarmos para a quantidade de bytes que os fluxos possuem, constatando-se que no SIP, por exemplo, os fluxos que contém cinco pacotes possuem tamanho de 3571 bytes, enquanto no IAX este tamanho cai para 401 bytes. A diferença na quantidade de bytes aumenta substancialmente e proporcionalmente ao aumento da quantidade de pacotes por fluxo. A Figura 6 mostra a distribuição percentual da quantidade de pacotes por fluxo de cada protocolo, durante os processos de sinalização. Fica evidente que em torno de 80% dos fluxos do protocolo SIP são compostos por fluxos com 6 pacotes. Já o protocolo IAX apresenta 40% dos fluxos com tamanho de 5 pacotes. Ratificamos que isto no escopo da etapa de sinalização. Figura 6. Percentual dos Fluxos com Quantidade de Pacotes

5 A Figura 7 a seguir, mostra um comportamento comparativo entre IAX e RTP durante a etapa de troca dos pacotes de voz, após a etapa de sinalização. Podemos observar que as curvas são bem lineares e que a diferença do comportamento praticamente é inexistente. Novamente o fator de divergência é referente a quantidade de bytes por fluxo em cada uma das curvas. Os fluxos RTP apresentam valores um pouco maiores que os IAX. O que se percebe é que quanto maior a quantidade de pacotes no fluxo, mais estável permanece o tamanho médio em bytes dos pacotes. No tráfego RTP esta média gira em torno de 214 bytes, enquanto no IAX esse valor cai para uma média de 204 bytes por pacote. Uma diferença de 10 bytes por pacote. Em ambientes onde chamadas de voz são constantes e o volume da quantidade de bytes trafegados pode impactar no desempenho da rede, conhecer estas características pode realmente fazer a diferença no momento de se dimensionar tais ambientes. As figuras 5, 6, 7 e 8 evidencia-nos que o binômio SIP/RTP dispõe de fluxos com quantidade de bytes maiores que os fluxos IAX. Podemos supor uma chamada de voz com aproximadamente pacotes por fluxo. Caso seja uma chamada usando SIP/RTP, possuirá 100K a mais de informação que se utilizado o protocolo IAX. 5. Conclusões e Trabalhos Futuros Figura 7. Fluxos de Voz RTP x IAX A Figura 8 abaixo demonstra a comparação do tamanho médio em bytes dos pacotes dos fluxos RTP contra o tamanho médio em bytes dos pacotes dos fluxos IAX. Com a Figura 8 podemos visualizar o tamanho real da diferença medida em bytes das curvas apresentadas na Figura 7. Figura 8. Tamanho Médio de Pacotes RTP x IAX A base inicial deste estudo permitiu-nos comprovar a forma da operação dos protocolos SIP/RTP e IAX diante do contexto real de pequenas corporações e mostrou-nos importantes características a cerca do volume e caracterização do tráfego de Telefonia IP dentro destas topologias. Diante deste entendimento colocamos as seguintes considerações sobre nosso trabalho realizado com a Telefonia IP e os referidos protocolos: Na fase de sinalização o protocolo SIP apresenta quantidades de bytes em seus fluxos de pacotes consideravelmente maiores que o protocolo IAX. Durante a etapa de transferência de mídia em si, o RTP também demonstrou uma quantidade maior de bytes nos fluxos, sendo que a diferença comparativa ao IAX apresentou valores pequenos. Em torno de 10 bytes por pacote. O impacto deste volume de informações nas redes locais é considerável e a partir dos números observados pudemos caracterizar um comportamento principalmente referente ao tamanho dos fluxos em bytes deste tipo de tráfego. Realizar análises para caracterização de tráfego pode parecer inicialmente uma tarefa não tão complexa. Especificamente no contexto das redes IP este fato pode ganhar maior relevância diante dos vários estudos já realizados, como exemplos: [19], [20], [21] e [22]. Estes modelos de trabalho tem sido de grande utilidade por descrever e nortear diversas técnicas para medição, análise e caracterização de tráfego IP, o que por si só já se torna uma tarefa trabalhosa e dependendo da técnica

6 empregada, também com um relativo grau de complexidade. A caracterização do tráfego de Telefonia IP pode contribuir para uma melhor predição das falhas, detecção de intrusão e percepção de congestionamentos nas redes locais, bem como possibilitar um dimensionamento mais coeso dos dispositivos exigidos em tais ambientes. Sugerimos como tópicos para futuros trabalhos: Aplicar outros discriminantes para análise de variáveis estatísticas, como exemplo: tempo entre fluxos, tempo total dos fluxos entre outros. Explorar diferentes combinações de variáveis estatísticas. Aprimorar metodologia de coleta, análise e caracterização do tráfego. 6. Referências [1] Gary C. Kessler (1990) ISDN: Concepts, Facilities and Services. [2] Douglas E. Comer (1995) Internetworking with TCP/IP Vol.1: Principles, Protocols and Architecture. [3] Thom, G. A (1996) H.323: the multimedia communications standard for local area networks, Communications Magazine IEEE. [4] Rosemberg, J. et all (2002) SIP: Session Initiation Protocol, RFC [5] Leif Madsen, Jared Smith and Jim Van Meggelen (2005) Asterisk: The Future of Telephony. [6] Spencer, M. et all (2006) IAX: Inter-Asterisk exchange Version 2, IETF draft-guy-iax-01. [7] Goode, B. (2002) Voice Over Internet Protocol (VoIP), Proceedings of the IEEE. [8] Cattermole, K. W. (1969) Principles of Pulse Code Modulation, London:Iliffe Books. [9] Bennett, W. R. (1941) Time Division Multiplex Systems, Bell System, Technical Journal, Volume 20, page 199. [10] Klensin, J. (2001) Simple Mail Transfer Protocol, RFC [11] Berners-Lee, T., Fielding, R. and Frystyk, H. (1996) Hypertext Transfer Pretecel- HTTP/1.0, RFC 1945 [12] Schulzine, H., Casner, S., Frederick, R. and Jacobson, V. (1996) RTP: A Transport Protocol for Real-Time Applications, RFC [13] Handley, M. and Jacobson, V. (1998) SDP: Session Description Protocol, RFC [14] Miikka Poikselkã, George Mayer, Hisham Khartabil and Aki Niemi (2004) The IMS IP Multimedia Concepts and Services in the Mobile [Domain. [15] Srisuresh, P. and Egevang, K. (2001) Traditional IP Network Address Translator (Traditional NAT), RFC [16] Jacobson, V., Leres, C. and McCanne, S. (1997) tcpdump, LBNL, University of California. [17] Sanders, C. (2007) Practical Packet Analysis: Using Wireshark to Solve Real-World Network Problems. [18] Moore, A., Zuev, D. and Crogan, M. L. (2005) Discriminators for use in flow-based classification, RR-05.13, Department of Computer Science, University of London. [19] Krieger, U.(2005) Deliverable No: D.WP.JRA , IP Traffic Characterization, Measurements and Statistical Method, a Description of the Current State. EuroNGI [20] Quittek, J., Zseby, T., Claise, B. and Zander, S. (2003) "Requirements for IP flow information export". Internet-draft, IETF, [21] Muscariello L. (2006) On Internet Traffic Measurements, Characterization and Modelling, Politécnico de Torino. [22] A. nevin, Y. Jiang, B. Libaek, S. Johansen, O. I. Hillestad, V. Nicola, P. Svensson, and P. J. Emstad. (2004) Traffic management in a multi-provider context: Preliminary report, State of the Art, deliverable no: D.JRA.2.2.1, Section 3.5: Service differentiation for audio and video streams. Technical report, EuroNGI, 2.1.4,