Arquitetura de Monitoração de Chamadas Telefônicas IP
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1 Arquitetura de Monitoração de Chamadas Telefônicas IP Defesa de Dissertação de Mestrado do IM/NCE Universidade Federal do Rio de Janeiro Mestrando: Leandro Caetano Gonçalves Lustosa Orientador: Prof. Paulo Henrique de Aguiar Rodrigues, PhD. Junho de 2005
2 Serviços de Voz sobre IP (VoIP) Expansão do mercado Consolidação da tecnologia Aumento de largura de banda Demanda dos usuários Problemáticas Voz é extremamente sensível a parâmetros de Qualidade de Serviço (QoS) Importância da monitoração da qualidade de chamadas de forma precisa e abrangente Monitoramento do serviço Detecção de problemas Validação de novas configurações de rede Acompanhamento do grau de satisfação dos usuários
3 Soluções de monitoração existentes Metodologia Coleta de CDR de gateways de voz Simulação de chamadas através de agentes distribuídos Monitoramento passivo Desvantagens Não leva em consideração telefones IP Não obtém estatísticas de chamadas reais Amostragem pode não ser fiel à realidade Não analisa chamadas criptografadas Chamadas ponto-a-ponto podem não ser analisadas Exemplos CESNET e ECAS HUANG, CHAO e LIU BROOM e HOLLIER e diversas soluções comerciais
4 Definição de uma nova arquitetura de monitoração Metodologia CDRs coletados diretamente de telefones IP e gateways de voz Especificação de um novo formato de CDR (Voice Quality CDR) Especializado para monitoração de qualidade de chamadas VoIP Vantagens Mais abrangente, pois é capaz de avaliar todas as chamadas reais Criptografadas Ponto-a-ponto
5 Implementação Implementação de biblioteca para avaliação de qualidade e emissão de VQCDR, denominada VQuality Integração desta biblioteca a telefones IP e gateways de voz Coleta, autenticação e armazenamento de VQCDR Entidade central (VQCDR Server) Telefone IP com emissão de VQCDR VQCDR Base Armazenamento VQCDR Server Gateway de Voz com emissão de VQCDR VQCDR Base Autenticação
6 Métodos de avaliação de qualidade de voz Subjetivos Conjunto de avaliadores ouvintes atribuem um pontuação de 1 (péssimo) a 5 (excelente) A pontuação de opinião média, ou MOS (Mean Opinion Score) avaliam o sistema de transmissão Método caro, demorado e de difícil implantação Objetivos Uso recursos computacionais para inferir a qualidade Implementação mais barata, rápida e simplificada
7 Métodos objetivos Perceptuais Comparação de um sinal de referência (trecho de voz previamente gravado) com o sinal degradado (submetido a sistema de transmissão) Exemplos Modelo E Perceptual Speech Quality Measure (PSQM) ITU-T P.861 Perceptual Analisys Measurement System (PAMS) Perceptual Evaluation of Speech Quality (PESQ) ITU-T P.862 Análise dos fatores que influenciam a qualidade da voz Atraso, perda na rede, descarte no buffer de compensação de jitter, distorção inerente do codec, etc Avaliação de cada um desses fatores em separado Melhor diagnóstico de problemas de transmissão mais preciso Capacidade de operação em tempo real
8 Modelo E Saída do modelo (de 0 a 100). Pode ser convertida para a escala MOS Perdas defasadas com relação ao sinal de voz: - atraso Nível de ruído básico R = Ro - Is - Id - Ie + A Perdas simultâneas à fala: - ruído de quantização Perdas relativas à tecnologia associada: - perda de pacotes na rede - descarte no buffer de compensação de jitter - codec utilizado Fator de vantagem: 0 (telefonia fixa) 10 (telefonia celular) 20 (enlace satélite)
9 Determinação de Id Id Ta Atraso absoluto Atraso do codificador Tabelado ITU-T G.114 Atraso da rede Calculado pela pilha RTP/RTCP Atraso do buffer de compensação de jitter Conhecido apenas pela aplicação
10 Buffer de compensação de jitter Atraso mínimo TX Atraso máximo Atraso mínimo TX Atraso máximo Atraso mínimo Atraso máximo Atraso Rede Buffer MAX MIN 2 MAX RX RX Reprodução Atraso Rede Buffer 1 MIN 2 MAX 0 3 MIN Reprodução Para variação de atraso na rede = é necessário um tamanho de buffer = 2 Atraso absoluto = (atraso 1º quadro) + (tam. buffer)/2 + (atraso codec) O buffer pode ser reiniciado em momentos de silêncio
11 Determinação de Ie Valores específicos para cada codificador Degradação inerente Fator de robustez Codificador Considerados uniformemente distribuídos Perda na rede Ie Conhecido apenas pela aplicação Descarte no buffer de compensação de jitter
12 Influência da distribuição de perdas Chamada A (perdas isoladas) Pacote recebido Pacote perdido Chamada B (perdas em rajadas) Ambas as chamadas possuem 25% de perda (12 perdas em 48 pacotes). Então MOS de A = MOS de B? PROVAVELMENTE NÃO! Perdas com distribuição randômica versus perdas em rajadas (codificador G.711)
13 Efeito de memória recente A localização da rajada influencia na percepção humana Chamada com duração de 60 segundos Início RUÍDO RUÍDO Término MOS 3.82 RUÍDO MOS 3.28 RUÍDO MOS 3.18 O usuário não nota instantaneamente a transição da qualidade Alta Padrão da qualidade conforme percepção dos usuários Qualidade da transmissão segundos Baixa 4-5 segundos
14 Determinação de Ie (Modelo E estendido) Perda na rede Descarte no buffer de compensação de jitter Degradação inerente Fator de robustez Codificador Distinção entre períodos de perdas em rajadas e perdas isoladas Distribuição de perdas Ieb Ieg Fator Ie é computado separadamente para os períodos de isoladas e perdas rajadas Ie(av) Modelagem do Efeito de Memória Recente para o cômputo do fator Ie
15 Determinação de Ie (Modelo E estendido) Ieb Pacote recebido Pacote perdido I1 I1 I2 Ie(av) Ieg I2 perdas isoladas perdas em rajadas perdas isoladas perdas em rajadas perdas isoladas I 1 = I eb b / t ( I I ) e 1 eb Transição de qualidade ruim para boa 2 I 2 = I eg + ( ) g / t2 I I e 1 Transição de qualidade boa para ruim eg
16 Revisão Expressão proposta pela ETSI para I1 (transição de qualidade ruim para boa ) : I 1 = I eb ( ) b / t1 I I e eg 2 Expressão revisada: I 1 = I eb b / t ( I I ) e 1 eb 2 Erro se propaga na determinação do MOS
17 Abordagem revisada Abordagem do ETSI MOS abordagem revisada MOS abordagem do ETSI MOS (fim de chamada) = 3,28 MOS (fim de chamada) = 2,66 As duas curvas representam a qualidade percebida pelo usuário A curva gerada pela abordagem do ETSI é mais pessimista
18 Voice Quality CDR (VQCDR) Identificadores da chamada protocolo voip, codec, usuário chamado e chamador, etc... Indicadores de qualidade da chamada Delay Impairment, Equipment Impairment, taxa de perdas, taxa de descarte do buffer de compensação de jitter, fator R, MOS, etc. Início e duração da chamada Campos opcionais Informações específicas para aplicação Voice Quality Log (VQLog) Histórico da qualidade (variação da qualidade ao longo da chamada) TCP porta 80 (configurável) Facilidade em operação com firewalls
19 Biblioteca Voice Quality (VQuality) Flexibilidade e extensabilidade Desenvolvida com técnicas de orientação a objetos Suporte a diferentes sistemas operacionais Facilidade de extensão Inclusão de novos modelos de avaliação objetiva Integração a diferentes implementações de VoIP Independência do protocolo de sinalização (SIP, H.323, MGCP, etc) Portabilidade Implementação em C++ padrão, exceto: Sockets TCP Implementação de uma biblioteca própria Tratamento de Threads Uso da biblioteca Pthreads-win32 Disponível para Linux, FreeBSD e Windows Facilidade para portar para outras plataformas
20 Arquitetura da VQuality Parser Module (PM) Recebe da pilha de protocolo VoIP os parâmetros necessários para o cômputo da qualidade Voice Quality Evaluation Module (VQEM) Obtenção dos parâmetros coletados pelo PM Cálculo da avaliação da qualidade VQCDR Generation Module (VGM) Acionamento do módulo VQEM Montagem do VQCDR Envio do CDR gerado para o VQCDR Server Telefone IP Pilha 0 de Protocolo VoIP Parser Module Voice Quality Evaluation Module VQuality VQCDR Generation Module VQCDR VQCDRServer
21 Telefones IP integrados a VQuality VQOpenPhone para ambiente Windows VQMeeting para ambiente Unix Terminais H.323 baseado na biblioteca OpenH323 O mecanismo de cálculo de RTT da pilha RTP/RTCP precisou ser implementado Ao final da chamada computam a qualidade de voz recebida, apresentam o resultado no visor e emitem o VQCDR
22 VQPlot Aplicativo que lê e apresenta graficamente as informações de um arquivo VQLog Junto a um cliente integrado à biblioteca VQuality, como o VQOpenPhone, constitui uma sofisticada ferramenta de depuração de problemas
23 VQuality CDR Server (VQCDR Server) Collector Module (CM): coleta e interpreta o VQCDR e aciona o AM e o SM Authenticator Module (AM): valida o VQCDR Storage Module (SM): armazena o VQCDR em uma base de dados (ex. SQL e servidor RADIUS) VQCDR Server Collector Module Authenticator Module Storage Module
24 O serviço H.323 IP Phone (Software) Instituição A Instituição B H.323 IP Phone (Software) PBX Gateway de voz Ambiente H.323 Gatekeeper H.323 Ambiente H.323 Gatekeeper H.323 H.323 IP Phone (Software) Cisco ou Asterisk LDAP RADIUS Asterisk SIP/H.323 Gateway Asterisk SIP/H.323 Gateway RADIUS RTFC LDAP SIP IP Phone (Software) Ambiente SIP Proxy SIP SER Ambiente SIP Proxy SIP SER SIP IP Phone (Software) Gateway de voz RTFC PBX SIP IP Phone (Software) Cisco ou Asterisk Somente o gateway Cisco emite CDR com indicação de qualidade Ambiente onde o arquitetura de monitoração está sendo validada
25 GnuGK AM e RADIUS SM GnuGK AM Específico para o Gatekeeper H.323 GnuGK Faz uso de porta de gerência do GnuGK para obter os dados necessários para autenticação do VQCDR RADIUS SM Específico para RADIUS Entretanto, RADIUS faz a interface com os mais variados bancos SQL Para mapear os campos do VQCDR no RADIUS foi solicitado um número de identificação de fabricante à IANA (UFRJ 21715)
26 Ambiente de Visualização Após processadas, as informações coletadas pela arquitetura são disponibilizadas em gráficos via WEB
27 4 7 PQ R S * 1 2 A B C 4 5 G H I J K L 7 8 P Q R S T U V 3 D E F 6 M N O 9 W X Y Z * 0 # CISCO IP PHONE 7902 SERIES Arquitetura de monitoração em operação VQCDR Server 3 O AM autentica o VQCR GnuGK Authenticator Module (GnuGk AM) H.323 Gatekeeper GnuGK 4 O AM acessa o GnuGK para validar o Autenticação VQCDR RadiusStorageModule (Radius SM) Radius Server 2 O CM coleta o VQCDR e aciona o AM ColectorModule(CM) Emissão do VQCDR Armazenamento Caso o VQCDR seja validado, o 5 SM aciona o Radius Server para armazenar o VQCDR O Radius Server recebe o VQCDR e acessa o SQL Server para armazenar as 6 informações do VQCDR em uma base de dados 1 O telefone IP computa a qualidade da chamada e emite um VQCR para o VQCDR Server Telefone IP integrado a VQuality 7 Web Server Armazenamento Estatísticas de qualidade das chamadas são disponibilizadas via interface web SQL Server
28 Conclusões O estudo do Modelo E resultou em uma revisão do cômputo de sua forma estendida A arquitetura de monitoração implementada permite a monitoração mais abrangente que outras soluções relacionadas Implementações realizadas VQuality Terminais H.323 com suporte a emissão de VQCDR Correção da OpenH323 conforme especificação da pilha RTP/RTCP VQMeeting para Unix VQOpenPhone para Windows VQPlot VQCDR Server GnuGK Authentication Module RADIUS Storage Module A arquitetura está sendo operacionalizada e validada no ambiente do serviço fone@rnp
29 Trabalhos futuros Integração da VQuality a clientes SIP e ao gateway Asterisk Criação de um AM para o proxy SIP SER Esperamos que a cooperação com fabricantes possibilitará integração da VQuality a telefones IP proprietários em hardware e software Análise da base de dados alimentada no serviço fone@rnp Análise do transporte de voz no backbone da RNP e redes coligadas Validação e aprimoramento da infra-estrutura de QoS implantada Análise de assimetria atraso/qualidade de voz (uso de NTP ou GPS) Desenvolvimento de uma ferramenta automatizada para simulação e avaliação de chamadas Determinação de capacidade de chamadas Estudo de políticas de QoS para transporte de voz Uso em ambientes com fio e sem fio Integração da VQuality ao Network Simulator Análise de ambientes mais complexos Desenvolvimento de ferramenta para avaliação de qualidade de troca de tráfego entre provedores VoIP
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