QoS para VoIP I: Avaliação da Largura de Banda e do Atraso

QoS para VoIP I: Avaliação da Largura de Banda e do 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 I apresenta a parte teórica relativa à 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 2006. Email: jmdsouza@fitec.org.br Categoria: VoIP Nível: Introdutório Enfoque: Técnico Duração: 20 minutos Publicado em: 18/12/2006 1

QoS para VoIP I: 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 esses calculadores transformam o tráfego especificado em Erlang (Erl) em largura de banda VoIP? Veremos esse ponto na seção Largura de Banda. 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 100.000. 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 1.000.000 de pacotes tem atraso superior ao valor requerido. A avaliação da largura de banda e atraso para VoIP será abordada em dois tutoriais. O presente tutorial parte I apresenta 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 será objeto do tutorial parte II. O calculador VoIP estará em breve disponível também no site da FITec. 2

QoS para VoIP I: Largura de Banda VoIP Os calculadores usam a tradicional fórmula B de Erlang para o cálculo do bloqueio [Tude 03]: Onde: A é o tráfego oferecido; e m é o número necessário de circuitos ou canais de voz. Então, dado o bloqueio e o tráfego podemos determinar o número de canais de voz. Repetindo o exemplo de [Moreira 06]: que largura de banda é necessária para cursar o tráfego de 30 Erl com bloqueio menor ou igual a 1% usando o CODEC G.729? Para se determinar a largura de banda VoIP leva-se também em consideração as opções de configuração do CODEC [Cisco 02] para cálculo da largura de banda por canal (dependente do CODEC e sua configuração): Tipo de CODEC: G.711, G.729, G.726, etc.; Número bytes de voz (amostras) para o CODEC utilizado. Depende do: tempo de processamento (frame time), número de bytes da amostra (bytes/frame), número de amostras por pacote (frames/packet); Ativação do detector de silêncio (VAD, Voice Activity Detection); Compressor de cabeçalho RTP; Cabeçalho IP/UDP/RTP; Cabeçalho da camada 2. Vamos a seguir detalhar o cálculo de largura de banda usando nos calculadores [VoIPWestbay, VoIPWebtorial] e também implementado no calculador da FITec. Dados de entrada de tráfego: Tráfego em Erl: 30 Erl; Bloqueio: 1%; Usando a fórmula B de Erlang, são necessários 42 canais. CODEC: G.729, sendo que para o cálculo da largura de banda do CODEC são necessários os seguintes dados: 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 do cabeçalho IP/UDP/RTP e da camada 2. A expressão da largura de banda LB, expressa em bit/s, é: 3

(1) O CODEC G.729 amostra Tp_a = 10 ms de voz em Tm_a = 10 bytes. O número de amostras por pacote pode ser 2 ou 3 no caso da Cisco, apresentado na tabela 1 a seguir [Cisco 02]. CODEC Voice BW (kbit/s) Tabela 1: Dados de configuração do CODEC G.729 [Cisco 02]. Frame Size Payload Packets per Second IP/UDP/ RTP Header CRTP Header L2 Layer 2 Header Total Bandwidth (kbit/s) No VAD Total Bandwidth (kbit/s) With VAD efficiency 50% G.729 8 10 20 50 40 Ether 14 29.6 14.8 G.729 8 10 20 50 2 Ether 14 14.4 7.2 G.729 8 10 20 50 40 PPP 6 26.4 13.2 G.729 8 10 20 50 2 PPP 6 11.2 5.6 G.729 8 10 20 50 40 FR 4 25.6 12.8 G.729 8 10 20 50 2 FR 4 10.4 5.2 G.729 8 10 30 33 40 Ether 14 22.4 11.2 G.729 8 10 30 33 2 Ether 14 12.3 6.1 G.729 8 10 30 33 40 PPP 6 20.3 10.1 G.729 8 10 30 33 2 PPP 6 10.1 5.1 G.729 8 10 30 33 40 FR 4 19.7 9.9 G.729 8 10 30 33 2 FR 4 9.6 4.8 A expressão (1) da largura de banda pode ser aplicada para se preencher a coluna Total Bandwidth No VAD (Voice Activity Detector). Caso o VAD seja ativado, para achar a largura de banda multiplica-se o resultado da expressão (1) pela eficiência do VAD. Como já comentado, caso não houvesse o componente aleatório do atraso (caso ideal), a largura de banda VoIP seria suficiente para o dimensionamento dos enlaces. Vamos discutir esse componente na próxima seção. 4

QoS para VoIP I: Atraso Os pacotes de voz são gerados de forma determinística na fonte. Como existem vários fluxos de voz que chegam ao primeiro nó (multiplexador/roteador) da rede, os pacotes devem ser ordenados e reenviados ao próximo nó da rede. Para essa ordenação o nó possue uma fila para armazenamento dos pacotes e uma disciplina de tratamento. Geralmente a disciplina é: primeiro pacote que chega, primeiro servido (FCFS, First Come First Served). Caso a rede suporte outros serviços, como o de dados, o nó pode também garantir prioridade para os pacotes de voz. 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, ou seja, ao longo da rede os pacotes de voz apresentam uma variância não nula. Figura 1: Ilustração da multiplexação estatística. A figura 1 ilustra o efeito da multiplexação estatística. Note que se um pacote de voz deve esperar o fim da transmissão de um pacote de dados em um enlace de baixa velocidade, essa espera pode gerar um atraso indesejável. Em [Cisco 02_2] sugere-se que em enlaces com taxa acima de 768 kbit/s não há necessidade de fragmentação. Considerando o seguinte exemplo: num enlace de 64 kbit/s a transmissão de um pacote de 1500 bytes tem tempo de transmissão de (1500 * 8 bits) / (64000 bit/s) = 187,5 ms, ou seja, um pacote de voz pode esperar 187,5 ms para ser transmitido. No caso de enlaces lentos, o que pode ocorrer nas redes de acesso, sugere-se que os nós fragmentem os pacotes de dados, caso chegue um pacote de voz durante a transmissão. O valor desejável para o atraso depende da qualidade de serviço a ser oferecida ao usuário. Para o usuário do serviço de voz é o atraso fim-a-fim que conta, ou seja, o atraso devido à multiplexação estatística ao longo da rede, sendo esse um de seus componentes. E quais são os outros componentes do atraso? Componentes do Atraso Uma discussão sobre os componentes do atraso pode ser encontrada em [Abreu e Souza 06, Boger]. O objetivo é conhecer o budget do atraso de modo a deduzir a parte relativa à multiplexação estatística para uma certa qualidade de serviço. O budget do atraso para o CODEC G.729, sem incluir o atraso na rede, é 5

mostrado na tabela 2 [Boger]. Tabela 2: Budget do atraso para o CODEC G.729. Componente Codificação e Empacotamento Serialização (64 kbit/s) (20% overhead) Serialização (2 Mbit/s) Dejitter Atraso 25 ms 3 ms 0,1 ms 50 ms Para um serviço VoIP de alta qualidade o atraso fim-a-fim (numa direção) deve ser menor que 150 ms, ou seja, o atraso na rede deve ser menor que 75 ms (150 ms menos 75 ms do budget do CODEC G.729). Para o CODEC G.723 que tem maior tempo de codificação, o atraso na rede deve ser menor que 50 ms. Os valores acima estão compatíveis com valores de SLA contratado [Voip-info] para QoS VoIP (reproduzidos na tabela 3). SLA Qwest Tabela 3: SLA publicado no Voip-info. Voice BW (kbit/s) Atraso (ms) 50 Medido em Out/2004: 40,86 Frame Size Jitter (ms) 2,0 Medido em Out/2004: 0,1 Payload Perda (%) 0,5 Medido em Out/2004: 0,03 Axiowave 65 0,5 0 Verio 55 0,5 0.1 Internap 45 0,5 0.3 6

QoS para VoIP I: Análise do Atraso O atraso na rede depende do atraso em cada nó e do número de nós entre origem e destino. No nó, o tráfego de entrada VoIP pode ser especificado pela largura de banda utilizada ou em Erlangs. Vimos como achar a largura de banda VoIP dado o tráfego em Erl e os CODEC s utilizados. Como representar a largura de banda estatisticamente? Veremos daqui a pouco. O tempo de serviço de cada pacote depende da velocidade do enlace, supondo que o nó suporta enviar os pacotes nessa velocidade. 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. Consideramos que o tempo de serviço é constante (determinístico, representado pela letra D no jargão da teoria de filas), assim o tempo de serviço de um pacote VoIP é obtido pela multiplicação do número de bytes pelo tempo de serviço de um byte. 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. Como representar o tráfego de entrada no nó? Vamos supor que a chegada de pacotes VoIP é um processo de Poisson com taxa de chegada constante. De outra forma, a probabilidade que um pacote VoIP ocorra em (t, t+ Dt) é igual a l Dt, onde l é a taxa de chegada do processo. Ou seja, não depende de t, que indica a história passada. Essa é também a hipótese usada na fórmula B de Erlang. Esse tipo de modelo é também dito Markoviano (representado pela letra M na teoria de filas). Nos modelos Markovianos o tempo entre eventos, no nosso caso entre pacotes VoIP, tem função de distribuição exponencial. Para quem se interessar pelo assunto, vale a pena consultar [Iversen 05]. A hipótese Markoviana implica que a variância da largura de banda de entrada é não nula, ou seja, para a taxa de chegada l. Para representar o comportamento de um nó da rede vamos usar o modelo de filas M/D/1, ou seja: M, A chegada de pacotes VoIP é Markoviana; D, O tratamento de pacotes pelo nó é Determinístico; 1, O nó tem um servidor. 7

O modelo M/D/1 é usado em [Karam 01]. A taxa de chegada de pacotes VoIP tem variância não nula devido à variação do tráfego de voz e competição com outros serviços. O modelo de chegada Markoviano tenta captar essa variância. Assim como a fórmula B de Erlang, esse não é um modelo perfeito da realidade mas é útil e prático para a análise de fatores que influenciam atraso e para o dimensionamento. A análise da competição com outros serviços e diferentes esquemas de prioridade não é objeto desse tutorial, envolvendo além do modelo M/D/1 o tratamento de filas com prioridade. Supomos que os pacotes VoIP tem prioridade sobre os demais pacotes e causam a suspensão da transmissão dos pacotes não-voip na chegada do pacote VoIP (via fragmentação). O modelo M/D/1 tem expressões fechadas para a distribuição do atraso e dos seus momentos, no nosso caso queremos a expressão da média e da variância. Essas expressões são dadas em [Iversen 05] vamos reproduzi-las a seguir. Expressões do modelo M/D/1 para a determinação do atraso de um nó Relembrando as hipóteses para o uso do modelo M/D/1 na determinação do atraso: 1. 2. 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. A expressão da função de distribuição do atraso é obtida em [Iversen 05], expressão (13.50). A expressão considera um tempo de serviço normalizado e igual a 1. Observações para o uso da expressão: 1. 2. A taxa de chegada l < 1. Já vimos que a taxa de utilização deve ser menor que 1 para estabilidade da fila. Como a taxa de utilização é igual a l vezes o tempo de serviço e este é normalizado e igual a 1, então l < 1; Para achar o atraso real devemos multiplicar o valor obtido pela expressão (normalizado) pelo tempo de serviço. Seja W a variável aleatória que representa o atraso. (2) é o complemento da função de distribuição. Então, para o quantil de determinar t tal que =., por exemplo, queremos Expressão para o atraso em função do número de nós 8

O atraso em um dado nó j é representado péla variável aleatória Wj. Os atrasos Wj, j = 1...n são independentes. O atraso de um pacote que atravessa n nós, W, é a soma dos atrasos em cada nó, ou seja, W = W1 + W2 +...+ Wn Pelo teorema central do limite [ver, Wiki_Central], para n suficientemente grande (quando n tende para infinito) W tende para uma distribuição Normal com 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. Elas são derivadas da expressão (13.8) em [Iversen 05]. (3) Resta saber para que valores de n o Teo Central do limite é aplicável. Comparando com os resultados de [Karam 01], para n maior ou igual a 5 obtemos bons resultados. Em [Wiki_Central] há uma ilustração mostrando que para uma função mal comportada, em n = 4 já se está próximo da normal. 9

QoS para VoIP I: Exemplo Considere uma comunicação ponto-a-ponto com cinco nós. As curvas da figura 2 mostram o atraso para diversas utilizações e diversas fontes VoIP. Como discutido na introdução, a avaliação do atraso deve considerar o quantil e não a média. Consideramos: O quantil de (menos que 1 em 1.000.000 de pacotes sofrem o atraso requerido); Que cada fonte VoIP oferece 0.12 Erl; Comunicação ponto-a-ponto com 5 nós; Número de fontes de tráfego: 100, 250 e 500. Notamos que: Figura 2: Atraso ponto-a-ponto, quantil = 10-6. 1. O atraso varia com o tráfego (número de fontes). A variação é proporcional ao tráfego; 2. Para uma mesma utilização o atraso diminui com o tráfego. Exemplo: para uma utilização de 0.5 (50%) a largura de banda do enlace é o dobro da banda VoIP requerida. Quanto maior o tráfego maior a largura de banda e menor o tempo de serviço de um pacote VoIP, diminuindo o atraso; 3. O aumento da utilização do enlace para o mesmo tráfego aumenta o atraso. A tabela 4 mostra para os diversos tráfegos o atraso avaliado pela média e usando o quantil de utilização de 50%. e 10

Tráfego (Erl) Tabela 4: Atraso em ms. Média (1 nó) (ms) Média (5nós) (ms) Quantil (1 nó) (ms) Quantil (5 nós) (ms) 12 0.50 2.50 5.25 9.36 30 0.24 1.20 2.50 4.46 60 0.13 0.65 1.40 2.50 11

QoS para VoIP I: Considerações Finais O presente tutorial mostra a como o modelo de filas M/D/1 é utilizado para a avaliação do atraso, indicando as equações necessárias à avaliação. Mostramos 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. No próximo tutorial será apresentado o calculador desenvolvido para a avaliação de largura de banda e atraso apresentada. Referências [Abreu e Souza 06], Abreu e Souza F.N., Monitoração de Desempenho de Voz sobre IP (VoIP), Tutorial Teleco, http://www.teleco.com.br. [Boger] Boger Y., Fine-tuning Voice over Packet services, http://www.protocols.com/papers/voip2.htm. [Cisco 02_1] Traffic Analysis for Voice over IP http://www.cisco.com/univercd/cc/td/doc/cisintwk/intsolns/voipsol/ta_isd.htm. [Cisco 02_2] Using QoS to Optimize Voice Quality in VoIP Networks http://www.cisco.com/warp/public/779/smbiz/community/qos_voip.html. [Iversen 05] Iversen V.B., Teletraffic Engineering, http://www.tele.dtu.dk/teletraffic/. [Karam 01] Karam, M.J., Tobagi F.A., Analysis of the Delay and Jitter of Voice Traffic Over the Internet, Infocom 2001, http://citeseer.ist.psu.edu/karam01analysis.html. [Moreira 06] Moreira de Souza, J, Qualidade de Serviço (QoS) II: Desempenho de Tráfego, Jan 2006, www.teleco.com.br. [Tude 03] Tude E., Tráfego Telefônico, www.teleco.com.br. [UIT www] http://www.itu.int/home/index.html. [Voip-info] http://www.voip-info.org/wiki/view/qos. [VoIPWestbay] http://www.erlang.com/calculator/eipb/. [VoIPWebtorial] http://www.webtorials.com/main/eduweb/voice/traff-eng/index.htm. [Wiki_Central] http://en.wikipedia.org/wiki/central_limit_theorem. 12

QoS para VoIP I: Teste seu Entendimento 1. A taxa de pacotes na fonte VoIP durante a conversação: Constante. Aleatória. Proporcional ao tempo. Nenhuma das respostas. 2. Qual o tempo de serviço de um pacote de 100 bytes num enlace de 64Kbps? 20 ms. 12.5 ms. 125 ms. 10 ms. 3. Qual a taxa de utilização de um serviço VoIP que usa 1,208 Mbps num enlace de 2,048 Mbps? 70%. 20%. 60%. 90%. 4. O modelo de filas M/D/1 supõe que o tempo de serviço é: Exponencial. Determinístico. Variante com o tráfego. Aleatório. 13