Quality-of-Service Konzept

Quality-of-Service Konzept (Öffentliche Version)
VoIPman Series
Quality-of-Service Konzept
Quality-of-Service (QoS) ist ein wichtiger Aspekt im Zusammenhang mit Voice-over-IP. Steht
beispielsweise nicht genügend Bandbreite zur Verfügung oder steigen die Latenzzeiten aufgrund
eines hohen Datenaufkommens an, hat dies einen direkten Einfluss auf die IP-Telefonie.
Autoregulation
Der Sprachkanal wird im VoIP-Umfeld über RTP (Real-time Transport Protocol) realisiert;
einem Protokoll, welches auf UDP (User Datagram Protocol) basiert. Im Gegensatz zu TCP
(Transmission Control Protocol) setzt sich UDP in einem hybriden Umfeld unter Last klar
gegen TCP durch, da es keinen Kontrollmechanismus für Überlast und Paketverlust (Congestion
Control, Sliding Window bei TCP) beinhaltet. Im Endeffekt kann das dazu führen, dass UDP,
respektive RTP, einen Grossteil der verfügbaren Bandbreite einnimmt - was der IP-Telefonie
prinzipiell zugutekommt.
Anforderung an die Infrastruktur
Diese Autoregulation alleine genügt jedoch oftmals noch nicht, um einen qualitativ hohen Service für
IP-Telefonie zu bieten. VoIP stellt folgende Anforderungen an die Infrastruktur:
1.
2.
3.
4.
Paketverlust sollte unter 1% bleiben (Loss)
Latenzzeit zwischen zwei Teilnehmern sollte 150ms nicht übersteigen (Latency)
Latenzabweichung zwischen zwei Teilnehmern sollte nicht mehr als 30ms betragen (Jitter)
Pro Sprachkanal mit G711 Codec (a-law) werden ohne Enkapsulierung 64kbit/s benötigt.
Effektiv sollte aber eine Bandbreite von mind. 89kbit/s verfügbar sein für LAN (Ethernet),
respektive 79kbit/s mit PPP (ADSL, Wählleitung)! Andere Codecs benötigen i.d.R. weniger
Bandbreite, die Sprachqualität ist aber auch entsprechend niedriger.
Die Sprachqualität wird von den Punkten 1 bis 3 beeinflusst, Punkt 4 beeinflusst bei Überlast
wiederrum die Punkte 1-3. Massgebend ist aber auch die Wahl des Codecs. Am Ende des
Dokumentes ist ein Exkurs dazu zu finden.
SME
VoIPman GmbH
24/07/2009
Quality-of-Service Konzept (Öffentliche Version)
VoIPman Series
VoIPman, Snom & QoS
Die VoIPman Telefonanlage und die Snom Telefone markieren ausgehende Pakete im TOS-Feld (Type
of Service) des IP-Headers wie folgt:
Paket
DSCP Class Snom
Signalisierung SIP
DSCP Class VoIPman
Telefonanlage
EF
Sprachkanal RTP
CS3
CS 5 (160)
Videokanal RTP
AF41
-
CS 5 (160)
Die DSCP Class der Telefonanlage ist letztendlich ausschlaggebend für die Konfiguration von QoS, da
sie sich über das Internet mit einem SIP-Provider verbindet. Im Intranet, wo auch die Endgeräte
platziert sind, können im Normalfall Paketverlust, Latenzzeit und Latenzabweichung vernachlässigt
werden.
Zusätzlich implementiert die VoIPman Telefonanlage einen Jitter-Buffer mit einer maximalen
Buffergrösse von 200ms (Best Practice). Ein Jitter-Buffer „glättet“ die durch ein Übertragungsmedium
entstandenen Laufzeitunterschiede. Zwar werden weniger Pakete, welche in der falschen
Reihenfolge eingetroffen sind, verworfen (da sie im Buffer sortiert werden und in der richtigen
Reihenfolge der Telefonanlage übergeben werden), aber die Gesamt-Durchlaufzeit (Delay) von
Paketen wird erhöht.
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Integration ins Netzwerk
VoIP-Provider
Internet
2
3
Router
1
1
1
Intranet
VoIPman
Phone
Phone
1. Verkabelung
Sowohl die VoIPman Telefonanlage, als auch die Endgeräte (Telefone) sollten mit 100Mbit und
Vollduplex ins Netzwerk integriert werden. Bei Halbduplex führen Kollisionen zu mehr
Paketverlust, was sich negativ auf die Sprachqualität auswirkt.
2. Internet-Anbindung
Die verfügbare Bandbreite ist massgebend für die Anzahl gleichzeitiger Telefonate. Ausgehend
davon kann anhand eines Rechners die Bandbreite bestimmt werden:
http://www.asteriskguru.com/tools/bandwidth_calculator.php
Falls es sich nicht um eine dedizierte Internet-Anbindung für IP-Telefonie handelt, muss die
Bandbreite, die für Surfen, Email, etc. benötigt wird, zur VoIP-Bandbreite addiert werden!
Es ist zu beachten, dass die Telefonie bidirektional ist. Entsprechend muss sowohl Up-, als auch
Downstream die kalkulierte Bandbreite erreichen.
3. Internes Netzwerk
Je nach Produkt muss der VoIP-Datenverkehr in Richtung des Internets unterschiedlich priorisiert
werden. Die DSCP Klassifizierung der IP-Pakete ausgehend von der VoIPman Telefonanlage
ermöglicht es, in Netzwerken mit High-End Komponenten ein einfaches und wirksames Qualityof-Service zu implementieren. Die exakte Konfiguration ist der jeweiligen Dokumentation des
Herstellers des eingesetzten Gerätes zu entnehmen. Nachfolgende Merkmale können für eine
Priorisierung verwendet werden:
 IP-Adresse der Telefonanlage und/oder des VoIP-Providers
 Ports TCP-5060 für SIP, UDP >1024 für RTP
 IP ToS Feld der Pakete der Telefonanlage
 Input Interface einer direkt angeschlossenen Telefonanlage
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24/07/2009
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Exkurs: Wahl des Codecs
Wenn es um den richtigen Codec geht, fällt die Wahl nicht immer einfach. Überlegungen mit
Bandbreite, Performance, Sprachqualität und teilweise sogar Lizenzkosten spielen eine Rolle.
Sollte die Netzwerkkapazität (Bandbreite) für die gewünschte Anzahl Sprachkanäle mit G711 (a-law,
u-law) Codec nicht ausreichend sein, kommen beispielsweise G726 oder G729 ins Spiel, wobei
letzterer lizenzpflichtig ist (siehe digium.com). Der Codec ist dabei massgebend für die
Dimensionierung der Bandbreite.
70
64
Bandbreite [kbit/s]
60
50
40
40
30
Bandbreite
20
13
10
8
6.3
G.729a
G.723.1
0
G.711
G.726
GSM AMR
Codec
Abbildung 1: Bandbreitenbedarf von Codecs
Eine eher selten eingesetzte Alternative: Mit dem VoIP-Provider könnte ein IAX-Trunk konfiguriert
werden und sich so IP-Overhead zu sparen, was sich bei mehreren gleichzeitigen Calls rentieren
kann. Ein solches Trunking kann die Anzahl gleichzeitiger G711 Kanäle maximal verdoppeln.
Codec-Umwandlungen oder rechenintensive Codecs (bspw. G729, G729a) bedeuten aus Sicht
einer Telefonanlage, dass weniger Anrufe gleichzeitig getätigt werden können.
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24/07/2009
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Der MOS (Mean Opinion Score) wird zur Bewertung der Sprachqualität eingesetzt. Die Skala liegt
zwischen 1 und 5 wobei 5 der beste, zu erreichende Wert ist. Als Faustregel gilt, dass Werte knapp
unter 4 vergleichbar mit der Sprachübertragung im Mobilfunknetz; knapp über 4 hingegen
vergleichbar mit der Sprachübertragung im Festnetz sind.
4.4
4.2
MOS
4
3.8
0% Loss
3.6
1% Loss
3.4
5% Loss
3.2
3
G.711
G.726
GSM AMR
G.729a
G.723.1
Codec
Abbildung 2: Sprachqualität von Codecs
Referenzen
[1] VoIP over PPP Links with Quality of Service (LLQ / IP RTP Priority, LFI, cRTP), Cisco Systems
(2006), http://www.cisco.com/application/pdf/paws/7111/voip-mlppp.pdf
[2] Audio-Codecs zur Sprachdigitalisierung, Elektronik-Kompendium.de,
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/net/0905121.htm
[3] Speech Codecs and Associated PSQM Values, Vocal Technologies (2009)
http://www.vocal.com/speech_coders/psqm_data.html
[4] Bandwidth Calculator, Asterisk-Guru,
http://www.asteriskguru.com/tools/bandwidth_calculator.php
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