Tehnologii de garantare a calitatii serviciului-QoS

Principala operatie a familiei de protocoale TCP/IP este de a oferi traficului de date serviciul de realizare a transferului de date catre destinatie (best-effort).Acest serviciu pentru transferul informatiilor functioneaza bine atunci cand reteaua este foarte putin incarcata.

Odata cu noile aplicatii- impreuna cu cerintele lor pentru largimea de banda, intarziere, jitter, si pierderea de pachete- implementate in retele, mecanismele de garantare a calitatii au adaugat la principala functie a protocolului TCP/IP si productivitatea performantei mai buna a retelelor.

Tehnicile de garantare a calitatii apelurilor sunt alcatuite si clasificate dupa felul trateaza apelul.Acestea sunt grupate astfel:

Ø      Tehnici de garantare a calitatii (QoS) la nivelul Legatura de Date (Link Layer). Tehnicile de garantare a serviciului pentru nivelul Legatura de Date sau Nivelul 2 OSI controleaza traficul pe fiecare conexiune de date in parte.De exemplu, standardadul IEEE 802.1p/Q introduce un numar de octeti in cadrele Ethernet indicand prioritatea fiecarui cadru.Switch-urile Ethernet pot folosi aceasta prioritate pentru a decide ce cadre sa comute inaintea altora.Acest lucru ajuta la nivelele inferioare, dar fara unele corelatii cu tehnicile QoS ale nivelelor superioare, nu pot oferi o garantare a serviciilor pentru utilizatori - al caror trafic trebuie sa fie mentinut constant de-a lungul tuturor conexiunilor de date.Metoda oferita de CISCO, Link Fragmentation and Interleaving (LFI), imparte pachetele mari, astfel ca pachetele mici de voce nu raman blocate in spatele pachetelor ce fac parte dintr-un transfer de fisiere care sunt de obicei de dimensiuni mari.Traficul de date intr-o retea nu poate sa fie mai rapid decat decat cea mai inceata sau congestionata legatura din aceasta retea.

Ø      Tehnici QoS pentru IP. Mecanismelede garantare pentru nivelul 3 OSI, RSVP,DiffServ, lucreaza pentru a intruni cerintele aplicatiilor de retea de la un capat la altul.Protocolul RSVP rezerva resurse pentru a satisface cerintele de banda, jitter si intarziere pentru o anumita conexiune printr-o serie de routere.acest protocol ofera cele mai bune rezultate atunci cand este folosit pentru conexiuni de durata asa cum sunt fluxurile video si cand doar cateva conexiuni solicita la un moment dat rezervare de resurse.DiffServ marcheaza fiecare pachet IP cu o prioritate relativa, astfel fiecare router are obligatia sa trateze acel pachet

6.1.1 Tehnici QoS pentru nivelul Legatura de Date (Link Layer)

6.1.1 IEEE 802.1p/Q

Mediul de transmitere Ethernet este retele locale -LAN, fiind cele mai raspandite retele. Standardul Ethernet este omniprezent-majoritatea computerelor fiind echipate cu o interfata Ethernet.Standardul IEEE 802.1p/Q specific pentru interfetele Ethernet adauga un camp de 4 octeti fiecarui header al oricarui cadru MAC (Media Access Control).In acest camp, trei biti alcatuiesc campul de Prioritate.Cei trei biti de prioritate furnizeaza opt clase diferite de servicii (Class Of Services - COS)

Figure 1. Campurile standardului 802.1p/Q din headerul Ethernet

6.1.2 Compresia Header-ului RTP

Marimea combinata a headerelor IP, UDP si RTP, 40 de octeti, adauga o cantitate semnificativa de supraincarcare pentru transmisiile voce- VoIP.Marimea combinata a headerului poate fi mai mare decat marimea informatiei de voce utila, depinzand de codecul folosit si de intarzierea pachetelor.Aceasta supraincarcare a headerului poate consuma o buna parte din largimea de banda a conexiunilor de capacitate redusa de tip WAN, mai ales daca se considera ca traficul de voce se face in ambele directii.

Figure 5.Headerele IP, UDP si RTP pot fi comprimate de la 40 de octeti la 2 octeti

O examinare mai atenta a continului headerelor IP, UDP si RTP arata faptul ca multe din valorile campului nu se schimba in timpul unui transfer de informatie vocala-VoIP.Producatorii de routere au avantajul de a oferi o caracteristica numita 'compresia headerului RTP' sau cRTP.Cand cRTP este activat, marimea combinata a headerelor este comprimata intre 2 si 5 octeti.Economia de banda poate face loc pentru mai multe apeluri VoIP simultane pe aceeasi legatura (conexiune).Totusi, cRTP pretinde un schimb, compresia consuma din resursele procesorului si adauga intarzieri.Datorita acestei intrebuintari mari a procesorului si a intarzierilor adaugate, cRTP ar trebui folosit doar pentru legaturi de 512 kbps sau mai putin.

6.1.3 Fragmentarea conexiunii si Intercalarea - Link Fragmentation and Interleaving (LFI)

Este o metoda proprie routerelor pentru a trata conexiunile de mica viteza.Pachetele de orice marime ajung la interfetele routerului; unele dintre acestea au marimea 40 de octeti, in timp ce altele au 1500 de octeti.Pachetele cu informatie vocala sunt in general cele de marime mica.Pe o conexiune de viteza mica, nu se doreste ca un pachet cu informatie vocala sa se opreasca in spatele unui pachet de 1500 de octeti care face parte dintr-un transfer de fisier-intarzierea pachetelor VoIP pot reduce calitatea apelului.Activand aceasta functie intr-un router inseamna ca acel router va fragmenta pachetele mari, si va intercala pachetele mici printre fracmentele mari, care sunt reansamblate la destinatie.Aceasta intercalare evita intarzieri excesive pentru pachetele de dimensiuni reduse.

Figure 6 Asa arata fluxul de informatie inainte si dupa LFI (sursa Cisco Systems)

6.2 Tehnici QoS pentru IP

Un set de mecanisme de garantate a calitatii (QoS) din ce in ce mai cunoscut este intalnitla nivelul 3 al OSI in stiva de protocoale TCP/IP.Ne referim la acele tehnici ca tehnici de garantare a calitatii IP deoarece acestea ofera avantajul specific caracteristicilor ce se gasesc in protocolul internet (IP).

6.2.1 TOS/IP Prioritate/DiffServ

Exista un camp de 1 octet in headerul fiecarui pachet IP care in general nu a fost folosit in trecut.Aceasta inseamna ca prin setarea oricarui octet cu valoarea 0 (zero) din orice pachet IP se face o risipa de spatiu.

O tehnica de garantare a calitatii folosita in mare masura implica setarea bitilor din acest octet la o valoare diferita de zero.In specificatiile header-ului din versiunea 4 a protocolului IP, acest camp este numit Type Of Service (TOS)-Tipul Serviciului.Majoritatea stivelor de protocoale TCP/IP au acest octet setat cu valoarea 0 (zero), si cele mai multe echipamente de retea au ignorat acest octet.Recent acest octet a fost redenumit in "Differentiated Services" -Servicii Diferentiate sau pe scurt octetul DiffServ.

Octetul TOS si IP Precedence (Prioritate IP) au fost prima incercare pentru a oferi calitatea serviciului (QoS).Patru dintre bitii octetului TOS au fost destinati tipului de serviciu.Cei patru biti creaza patru clase de servicii: minimizare intarzierii (minimize delay) maximizarea rezultatului (maximize throughput), maximizarea coeficientului de siguranta (maximize reliability) si minimizarea costului (minimize monetary cost).

Prioritatea IP (IP Precedence) se foloseste de primii trei biti ai octetului TOS.Routerele pot interpreta acesti biti ca opt clase diferite de servicii.

Figure 7.Bitii octetului TOS si Prioritatii IP, si definitiile lor originale

DiffServ este ultima incercare de oferire a calitatii serviciului folosind octetul TOS.DiffServ foloseste primi sase biti ai octetului TOS, cunoscut si ca Differentiated Services

Code Point (DSCP).Cei sase biti ai DSCP permit intre 26 sau 64 de clase diferite de servicii.

Figure 8. Octetul DiffServ este present in fiecare pachet IP

Insasi programele aplicatie pot seta DSPC, dar acest lucru se intampla foarte rar. Setarea se poate face si de catre limitatorul de trafic " traffic shaper " , care se uita la altceva in cadrul pachetului, cum ar fi numarul portului, pentru a decide cum sa seteze DSPC.In general gateway-urile VoIP seteaza acestoctet asa cum genereaza pachetele de voce pentru apelurile din centralele PSTN.

Majoritatea aparatelor telefonice IP si gateway-urile VoIP seteaza acest octet cu o valoare diferita de 0 (zero) pentru a indica prioritatea ceruta in tehnologia VoIP. O valoare folosita in general pentru aceast octet este 160 sau binar 10100000.Uneori aceasta valoare este mentionata ca "5" deoarece primii trei biti reprezinta valoare 5 in binar. Traficul VoIP de stabilire a apelului foloseste in general o alta valoare: 96 sau binar 01100000.Campul DSPC creaza o schema eficienta pentru clasificarea diferitelor tipuri de trafic.Daca un singur router din reteaua prin care circula datele pana la destinatie nu recunoaste DSPC-ul, atunci intreaga cale poate fi considerata ca una fara garantii.

6.2.2 Protocolul de Rezervare a Resurselor-Resource Reservation Protocol (RSVP)

Protocolul de Rezervare a Resurselor-Resource Reservation Protocol (RSVP), asa cum ararta si numele sau, rezerva resursele pentru a intruni cerintele pentru largimea de banda, jitter, si intarzierea pachetelor pe o destinatie anume dintr-o retea printr-un numar de routere.RSVP mai este denumit si "Integrated Services" -Servicii Integrate sau pe scurt IntServ.RSVP trimite pachete IP de control de la un capat la altul al retelei.Aceste pachete de control instiinteaza routerele intermediare despre resursele necesare pentru viitorul flux al unei aplicatii ce foloseste stiva de protocoale TCP/IP si fac rezervari pentru aceste cerinte (largime de banda, cozi de asteptare si altele).Stiva TCP/IP comunica cu primul router,care ,in schimb,comunica cu alte routere pana la destinatie.Protocolul RSVP poate lucra in tandem cu alte tehnici de garantare a calitatii serviciului, cum ar fi cea mai avantajoasa coada de asteptare,pentru a a impune rezervarile de resurse.Doua mesaje principale ale RSVP sunt interschimbate de routere si PC-urile Client:

Ø      Cerere de rezervare - Reservation request (RESV)

Acest mesaj este trimis de la destinatie la sursa pe drumul de intoarcere a informatiilor.Fiecare router din retea pana la destinatie treuie sa accepte sau sa respinga cererea de rezervare.

Ø      Calea (PATH)

Acest mesaj este trimis catre routerele dintre sursa si destinatie.Mesajul PATH ajuta routerele sa mentina o informatie despre starea acestora si cu scopul de a trimite mesaje RESV.

Figure 9 Fluxul de mesaje RSVP intreroutere si PC-urile Client

Un dezavantaj al protocolului RSVP este acela ca necesita largime de banda si resurse ale routerului in plus.Acest dezavantaj se traduce prin urmatoarea regula: fluxurile in plus adauga aproximativ 100 biti/secunda/conexiune pentru largimea de banda folosita si necesita aproximativ 1KB RAM/router/conexiune.In plus, trebuiesc cateva secunde pentru a stabili separarea controlului fluxurilor.RSVP este unul dintre protocoalele cu cele mai competitive tehnici de garantare a calitatii serviciului (QoS) pentru a fi configurat corect.

Pe de alta parte, RSVP poate oferi un nivel garantat al serviciului pentru traficul aplicatiilor, care poate fi important pentru traficul sensibil la intarzieri cum este VoIP.

6.3 Posibilitati de alegere a acordului

Acordul este efectuat pentru a imbunatati eficienta.Este la fel ca atunci cand dorim sa acordam un post de radio pentru a-l auzi mai clar.

In acelasi fel exista si posibilitati de acordare pentru a imbunatatii eficienta retelei si a desfasurarii traficului de voce.Atunci cand este vorba de imbunatatirea eficientei retelei trebuie sa luam in considerare compromisurile.Depinzand de mediul retelei se poate negocia : cresterea utilizarii procesorului si mai putina memorie RAM, sau intarziere mai mare si risc de pierderea informatiei mai mic.

Adesea, acest lucru implica schimbari ale configuratiei-a roterelor,switch-urilor,serverelor VoIP sau aparatelor telefonice IP.Configuratia prestabilita (default) nu functioneaza correct,de aceea trebuiesc facute anumite ajustari pentru a imbunatatii eficienta.

6.3.1 Setari de finete pentru TCP/IP

Stiva de protocoale TCP/IP in general are o foarte mare eficienta.Totusi, in unele cazuri, acordarea poate imbunatatii performantele.Prezint aici cateva din zonele evidente care pot fi ajustate:

Ø      TCP window size (marimea ferestrei).Aceasta determina volumul de informatiece poate transmisa inainte ca sursa sa trebuiasca sa se opreasca din transmis si sa astepte confirmarea.Daca reteau este foarte sigura-unde sansele ca pachetele sa se piarda sunt foarte reduse-atunci cresterea "window size" poate aduce imbunatatiri la nivelul realizarii transferului.Pe de alta parte,daca reteaua pierde pachete frecvent, un "window size " mare ar face ca un numar mare de pachete sa trebuiasca sa fie retransmise atunci cand sunt pierdute sau eronate,avand ca rezultat un nivel scazut al realizarii transferului.Majoritatea stivelor de protocoale TCO/IP regleaza "window size" dinamic pentru a optimiza performantele pe o plaja intinsa a conditiilor de functionare a retelelor.

Ø      MTU sizes and low latency- Marimea MTU si latenta joasa.Unitatea Maxima a Tranmisiei (MTU- maximum transmission unit) sau capacitatea maxima a unui cadru al unei informatii transmisa in retea este de obicei de 1500 de octeti.Dar la o viteza de 56 kbps, 1500 de octeti necesita un timp mai mare de 200 ms pentru a fi transmisi.Pentru a evita depasirea intarzierii admisa de tehnologia VoIP, trebuie setat MTU la o valoare mai mica pentru ca pachetele sa aiba intarzirile acceptate si pentru a putea transmise si pe legaturi de joasa viteza.

Ø      Concurrent sessions per URL (Sesiuni multiple pe URL)-Cand tastam un URL in browserul web, acesta deschide porturile TCP/IP pentru a primi informatiile cerute.O pagina web tipica este alcatuita din mai multe fisiere.Programatorii stivelor de protocoale TCP/IP trebuie sa ia o decizie de acord-deschiderea numarului optim de conexiunipentru a primi informatiile intr-un timp relative scurt.Compromisul facut pentru descarcari multiple este memoria in plus si programare complexa.Beneficiul este rapiditatea timpului de raspuns.

6.3.2 Compromisurile setarilor de finete pentru VoIP

Implementarile ajustarilor VoIP determina multe compromisuri posibile.Adesea se negogiaza asupra calitatii (sau riscului) in schimbul unor resurse limitate,cum ar fi largimea de banda.Prezint aici cateva din posibilitatile de ajustare pentru tehnologia VoIP, acompaniate de compromisurile facute.

6.3.2.1 Configuratia Aparatelor telefonice IP

Configurarea aparatelor telefonice ofera o mutime de variante.Desi cei mai multi producatori aleg parametrii configuatiei optime pentru setarea prestabilita (default), in unele cazuri trebuiesc facute unele schimbari.

Codecul.Calitatea apelului este forte mult afectata de alegerea codecului ales.Dar codecurile care ofera o calitate foarte buna necesita mai multa latime de banda in general.Codecuri precum G.711 necesita o latime de banda de cateva ori mai mare de cat codecul G.729.Deci atunci cand se alege un codec se face un compromis intre calitatea apelului si banda consumata.

Silence suppression.Inseamna ca atunci cand nu se vorbeste, foarte putina informatie vocala sau chiar deloc este transmisa.Aceasta caracteristica poate reduce necesarul de banda pentru un apel folosind VoIP cu pana la 50%.Totusi, rezultatul unei convorbiri poate fi unul intrerupt si poate nerva un pic utilizatorii cand aud o liniste totala in timpul unei convorbiri.Inca odata se face un compromis intre calitatea apelului si banda consumata.

Jitter buffer size.Acest parametru face ca orice variatie a fluxului de pachete sa nu fie resimtita de utilizarori.Daca problema de variarie persista in retea,atunci ar trebui setata o valoare mai mare pentru marimea buffer-ului.Aceste buffere mai mari adauga intarzieri, care pot afecta calitatea apelului.Aici se face un compromis intre calitate si intarziere.

Intarzierea dintre pachete (speech packet size).Aceasta intarziere reflecta marimeainformatiei utile care este transmisa in fiecare pachet de voce (VoIP).Cu cat este mai mare cantitatea de informatie utila cu atat informatia vocala ce poate fi transmisa intr-un pachet este mai mare, avand ca rezultat reducerea inarcarii cu headere dintr-un flux de date cu informatie vocala.Totusi, daca un pachet mai mare se pierde, impactul asupra calitatii este mai mare decat in cazulin care s-ar fi pierdut un pachet cu informatie vocala mai mic.

6.3.2.2 Controlul Accesului - Gatekeeper H.323

Controlul accesului este o tehnica de ajustare a retelei care asigura accesul la resursele acesteia.Conexiunile WAN au o marime finita a largimii de banda.Permitand unui numar nelimitat de utilizatori sa foloseasca aceste resurse limitate ale retelei ceea ce duce la nemultumirea tuturor utilizatorilor.

Pentru mediul de desfasurare a tehnologiei VoIP, se face un compromise intre calitatea apelului si permiterea mai multor utilizatori sa efectueze apeluri in acelasi moment.

Figure 15.Gatekeeper-ul controleaza cate apeluri sunt premise in retea la un anumit moment

6.3.2.3 Checksums UDP

Complexitatea tehnologiei VoIP consta in numarul mare de parametrii ce trebuiesc configurati pentru ca apelurile sa se ridice la calitatea ceruta de utilizatori.

Unul dintre acesti parametrii de ajustare este si campul UDP Checksum din header-ul UDP care ofera informatii despre integritatea pachetului.La trimitere se aplica o ecuatie matematica sofisticata asupra continului pachetului si se stocheaza acest rezultat in campul UDP Checksum.La destinatie se face operatia inversa pentru a se verifica integritatea pachetului.

Figure 16. Campul UDP checksum poate fi ignorat.

Unele aparate telefonice IP si gateway-uri VoIP seteaza acest camp (UDP checksum) cu valoarea 0 (zero), renuntandu-se astfel la verificarea integritatii pachetului care se face la receptia lui.Motivul pentru care se renunta la acest camp este cresterea eficientei compresiei header-ului RTP.Renuntandu-se la acest camp algotitmii cRTP pot face compresia mult mai bine a campurilor din header.Tehnologia VoIP accepta compromisul intre riscul de a transmite/primi eronat informatii si compresia mai buna.