OCENA JAKOŚCI USŁUG TRANSMISJI MOWY W SIECIACH IPinfo.wsisiz.edu.pl/~nowickr0/raf/Rafa%B3%20Gadamski%20praca%20... · technologii VoIP wystarczającą szerokością pasma okazuje

Praca dyplomowa jest własnością Pana inż. Rafała Gadamskiego

WYŻSZA SZKOŁA INFORMATYKI STOSOWANEJ I ZARZĄDZANIApod auspicjami Polskiej Akademii Nauk

WYDZIAŁ INFORMATYKI

STUDIA INŻYNIERSKIE

PRACA DYPLOMOWA

Rafał Gadamski

OCENA JAKOŚCI USŁUG TRANSMISJI MOWY W SIECIACH IP

Praca wykonana pod kierunkiem:

dr inż. Jacka Jarmakiewicza



WARSZAWA, 2006r.

Autor: Rafał Gadamski

Tytuł: OCENA JAKOŚCI USŁUG TRANSMISJI MOWY W SIECIACH IP

Rok akademicki: 2006/2007

Dziekan Wydziału: dr inż. Jarosław Sikorski

Specjalność: Informatyka w telekomunikacji

Opiekun specjalności: prof. dr hab. inż. Tadeusz Łuba

Opiekun pracy: dr inż. Jacek Jarmakiewicz

Praca dyplomowa jest własnością Pana inż. Rafała Gadamskiego2

Kwalifikuję do złożenia jako dyplomową pracę inżynierską/magisterskąna Wydziale Informatyki WSISiZ.

Ocena pracy (słownie): ..................................................................................(skala ocen: bardzo dobra, dobra i pół, dobra, dostateczna i pół, dostateczna)

......................................... .......................................................................(data) (podpis opiekuna pracy)

Pracę złożono w .......... egzemplarzach dnia ............................................................

.......................................................................(pieczątka wydziału) (podpis kierownika dziekanatu)

Tytuł naukowy, imię i nazwisko recenzenta pracy:

........................................................................................................................................

Ocena pracy (słownie): ..................................................................................(skala ocen: bardzo dobra, dobra i pół, dobra, dostateczna i pół, dostateczna)

......................................... .......................................................................(data) (podpis kierownika dziekanatu)

Dopuszczam pracę do obrony.

......................................... .......................................................................(data) (podpis dziekana )


Autor: Rafał Gadamski

Tytuł: OCENA JAKOŚCI USŁUG TRANSMISJI MOWY W SIECIACH IP

Rok akademicki: 2006/2007

Dziekan Wydziału: dr inż. Jarosław Sikorski

Specjalność: Informatyka w telekomunikacji

Opiekun specjalności: prof. dr hab. inż. Tadeusz Łuba

Opiekun pracy: dr inż. Jacek Jarmakiewicz



Spis treści

Wstęp

Celem pracy dyplomowej jest:

Analiza i ocena i jakości usługi VoIP w zależności od dostępnej przepustowości w

sieciach IP.

Cel pracy osiągnąłem realizując następujące punkty swojej pracy:

W rozdziale 1. Charakterystyka VoIP zawarłem ogólny opis techniki VoIP, historię i

przyczyny powstawania techniki. Przedstawiłem podstawowe zalety i wady transmisji głosu


Praca dyplomowa jest własnością Pana inż. Rafała Gadamskiegow sieciach IP w porównaniu do standardowej telefonii. Następnie opisałem metodę cyfryzacji

mowy ludzkiej wykorzystywaną w telekomunikacji oraz przedstawiłem kodeki mowy

ludzkiej stosowane w aplikacjach VoIP.

W tym samym rozdziale zawarłem także opis dotyczący protokołu IPv4 pod kontem

wykorzystania do transmisji głosu.

Następny punkt przedstawia wybrane definicje parametrów jakości usług w sieciach

pakietowych.

W ostatnim punkcie rozdziału przeanalizowałem czynniki wpływające na jakość, oraz

przedstawiłem podstawowe metody poprawy jakości transmisji głosu w sieciach IP.

W rozdziale 2 przedstawiłem analizę wybranych darmowych aplikacji VoIP. Analiza

została przeprowadzona pod kątem możliwości jakie oferują takie aplikacje oraz

praktycznych możliwości wykorzystania aplikacji.

W rozdziale 3 przedstawiłem metodę badań poprzez symulację komputerową jak również

podstawowe pojęcia związane z tą metodą. Określiłem jako cel moich badań wyznaczenie

charakterystyk czynników mających bezpośredni wpływ na jakość transmisji głosu w sieciach

IP tj. opóźnień pakietów oraz jittera pakietów oraz przepustowości.

Następnie przedstawiłem i opisałem dwa scenariusze w oparciu, o które przeprowadziłem

badania metodą symulacyjną.

W rozdziale 4 przedstawiłem środowisko badawcze, którego głównym elementem była

aplikacja COMNET III, w której zostały utworzone modele badawcze sieci oparte o

wcześniej przedstawione scenariusze. Aplikacja ta jest narzędziem umożliwiającym tworzenie

i wszechstronne badanie modeli sieci telekomunikacyjnych metodą symulacji komputerowej.

Następnie opisałem przebieg symulacji zbudowanych w oparciu o scenariusze modeli

symulacyjnych.

W następnym punkcie przedstawiłem uzyskane w trakcie badań wyniki. Wyniki dla

poszczególnych scenariuszy zostały uporządkowane w tabelach. Dla wybranych wyników

opóźnień i jittera pakietów VoIP przedstawiłem ich graficzną reprezentację w postaci

wykresów. Przedstawiłem analizę i ocenę uzyskanych wyników oraz wnioski wynikające z

przeprowadzonych badań.

W rozdziale 5 przedstawiłem wnioski dotyczącej mojej pracy dyplomowej oraz jej

podsumowanie.





1. CHARAKTERYSTYKA VoIP

1.1. Ogólny opis techniki VoIP

Jeszcze do niedawna głos można było przesyłać tylko przez konwencjonalne sieci

telefoniczne, w postaci sygnałów analogowych lub impulsów cyfrowych [1 – 4]. Dostępne

obecnie sieci komputerowe, które jeszcze kilka lat temu służyły wyłącznie do przesyłania

danych, pracują teraz tak szybko i stabilnie, że można przez nie przesyłać głos. Technologia,

która umożliwia przesyłanie głosu z wykorzystaniem łączy transmisji danych jest VoIP (ang.

Voice over Internet Protocol), czyli technologia przesyłania głosu przez sieć IP.

Jest to stosunkowo młoda technika przesyłania mowy ludzkiej gdyż pierwszy system

telefonii IP został opracowany w 1995 r., kiedy firma VocalTec stworzyła pierwsze

oprogramowanie komputerowe umożliwiające rozmowę przez sieć IP. Jednak dopiero

pojawienie się bramy w 1996r., umożliwiło rozmowę w czasie rzeczywistym. Możliwość

wykorzystania sieci IP do przenoszenia ruchu telefonicznego stała się ostatnio punktem

zainteresowania wielu firm i organizacji zajmujących się telekomunikacją. Początkowo prace

nad VoIP skupiały się nad produktami pozwalającymi obniżyć koszty rozmów

międzymiastowych i międzynarodowych, które w publicznych sieciach telefonicznych są

wysokie i zależne od odległości miejsca, z którym chcemy się połączyć. Obecnie VoIP

zaczyna być również postrzegany jako alternatywa dla zwykłych sieci telefonicznych.

W technice VoIP wykorzystuje się technologię cyfrową tj. przetwarzanie A/C, kompresję,

czyli kodowanie mowy oraz komutację pakietów IP. Jak wiadomo protokół IP jest

protokołem zawodnym. IP nie jest protokołem przeznaczonym do aplikacji czasu

rzeczywistego, nie posiada i nie oferuje on usług QoS (Quality of Service). Brak jest w

Internecie narzędzi gwarantujących, że dane dotrą do adresata w określonym czasie. Mogą,

więc występować absolutnie różne opóźnienia. Do przesyłania pakietów zawierających głos

jest używany protokół UDP. Protokół ten nie stosuje znaczników czasu, więc nie może

kontrolować opóźnień. Projektanci VoIP wprowadzili, więc protokół RTP, który znajduje się

na szczycie UDP. Dodatkowo, aby zapewnić jakość usług stosuje się standardy protokołów

sygnalizacyjnych H.323 stworzony przez ITU (International Telecommunication Union) lub

SIP (Session Initiation Protocol) stworzony przez IETF (Internet Engineering Task Force),

które mają możliwość ustanowienia i utrzymania połączenia wirtualnego między dwoma

użytkownikami w celu przesyłania danych, sterowania przepływem, przesyłania potwierdzeń

oraz kontroli i korekcji błędów.


Praca dyplomowa jest własnością Pana inż. Rafała GadamskiegoDo zalet telefonii IP należą przede wszystkim małe zapotrzebowanie na szerokość

pasma w tradycyjnej telefonii jest to 64kb/s. Dla usługi VoIP wystarczająca szerokość pasm

to 20kb/s a nawet mniej. Mniejsze zapotrzebowanie na szerokość pasma to zmniejszenie

kosztów połączeń telefonicznych szczególnie w przypadku rozmów międzymiastowych,

międzynarodowych czy też do sieci komórkowych. Kolejną zaletą jest coraz większa liczba

operatorów VoIP, co dodatkowo wpływa na obniżenie kosztów. Z usług telefonii internetowej

może korzystać każdy, kto ma dostęp do Internetu, a chętnych przybywa tym bardziej, że

istnieje możliwość rozmów za darmo między dwoma użytkownikami komunikatorów

Internetach takich jak np. Skype czy Gadu-Gadu. Telefonia internetowa oferuje o wiele

więcej możliwości rozwoju niż tradycyjna telefonia, pozwalając na łatwe tworzenie mostków

konferencyjnych umożliwia stereofoniczną transmisję głosu czy integrację z istniejącymi

usługami w Internecie np. głosowy dostęp do portali internetowych. Oprócz tego dzięki

wykorzystaniu specjalnych bramek dźwiękowych możliwe jest zintegrowanie telefonii IP z

tradycyjną telefonią. Dzięki takiemu rozwiązaniu połączenie głosowe może odbywać się

między abonentem tradycyjnej sieci a użytkownikom korzystającym z tzw. IP Phone lub

komputera z odpowiednią aplikacją. Zastosowanie do komunikacji głosowej wspomnianego

wcześniej telefon IP, pozwala w rozwiązaniach budowanych od podstaw zrezygnować z

okablowania dla zwykłej sieci telefonicznej. IP Phone może być podłączony sieci

komputerowej za pomocą oddzielnej skrętki lub korzystać z jednej wspólnie z komputerem co

ilustruje rysunek Rys 1.1.

Rys. 1.1. Telefon IP jako punkt dostępowy do sieci

Niestety technika ta nie jest pozbawiona wad, a główną przyczyną tych wad jest sam

protokół IP. Telefonia IP charakteryzuje się małą odpornością na straty pakietów oraz dużymi

opóźnieniami, co znacznie obniża jakość przesyłanej mowy. Opóźnienia pakietów już na

poziomie 150ms w jedną stronę utrudniają konwersację, a słabą jakość mowy zaczyna się

przy około 400ms (licząc opóźnienia łącznie w obu kierunkach przekazu [5]). Z kolei

akceptowalna jakość głosu przy stratach pakietów uzyskuje się przy utracie poniżej 5%, a

niedopuszczalna jakość, przy której występuje już niezrozumiałość mowy zaczyna się przy


Praca dyplomowa jest własnością Pana inż. Rafała Gadamskiegoutracie powyżej 16% ogólnej liczby przesłanych pakietów. Dodatkowym czynnikiem

obniżającym jakość telefonii IP jest jitter, czyli zmienność opóźnienia. Jitter powoduje efekt

echa lub drżenie głosu rozmówcy, na co szczególnie jest uczulone ucho ludzkie.

Dla transmisji danych niska jakość sieci globalnej IP ma drugorzędne znaczenie, gdyż

pakiety danych odebrane w niewłaściwej kolejności mogą być odpowiednio uszeregowane,

na pakiety opóźnione można poczekać, a utracone przesłać jeszcze raz. Transmisja Mowy

wymaga jednak odpowiedniej jakości, gdyż zbyt duże opóźnienia, lub zbyt liczne straty

pakietów powodują, niezrozumiałość przesyłanej mowy.

1.2. Charakterystyka i cyfryzacja mowy ludzkiej

Mowa ludzka jest zbiorem fal akustycznych o częstotliwościach z zakresu od 50Hz

nawet do 12kHz, jednak u większości osób dorosłych głos funkcjonuje w zakresie od 50Hz

do 5kHz Rys. 1.2 [6, 7].

Rys. 1.2. Charakterystyka mowy ludzkiej

W wyniku badań nad głosem ludzkim przeprowadzonych na potrzeby telefonii analogowej

okazało się, że większość sygnałów wydawanych głosem ludzkim przy jednoczesnym

zachowaniu zrozumiałości mowy mieści się w zakresie 300Hz – 3400Hz Rys. 1.3.


100 300 1000 3400 10000

80

70

60

50

40

30

p[dB]

f[Hz]

9


Rys. 1.3. Charakterystyka mowy ludzkiej w paśmie telefonicznym

Przyjęcie tego pasma o szerokości nieco 3kHz było kompromisem między kosztem a

jakością, a jako podstawowe pasmo telefoniczne przyjęto pasmo o szerokości 4kHz, na

którym do wczesnych lat 60-tych XX wieku była oparta analogowa transmisja głosu.

Od tamtego czasu transmisja głosu stawała się w coraz większym stopniu transmisją w

formacie cyfrowym.

Do przekształcenia głosu na postać cyfrową używana jest zazwyczaj modulacja

impulsowo-kodowa (PCM - Pulse Code Modulation). Metodę PCM możemy podzielić na

trzy główne etapy:

− próbkowanie,

− kwantowanie sygnału,

− kodowanie,

co ilustruje Rys. 1.4.

Próbkowanie polega na zamianie ciągłego sygnału analogowego na impulsy o

amplitudzie równej chwilowej wartości sygnału w momencie próbkowania i odpowiedniej

częstotliwości [1, 8, 9]. Wykorzystano tu tzw. twierdzenie o próbkowaniu Shannona (Tp ≤

0,5Ts lub fp ≥ 2fg). Twierdzenie mówi, że próbkowanie powinno odbywać się z

częstotliwością, co najmniej dwukrotnie większą niż częstotliwość sygnału próbkowanego. W

telefonii najwyższa częstotliwość transmitowanego głosu wynosi 3400 Hz, wystarczyłoby,

więc zastosować częstotliwość próbkowania o wysokości 6,8 kHz, w praktyce jednak jest ona

większa i wynosi 8 kHz.


80

70

60

50

40

30

p[dB]

100 300 1000 3400 10000f[Hz]

Pasmo telefoniczne

10


Rys. 1.4. Etapy kodowania PCM

Kwantowanie sygnału jest właściwym procesem cyfryzacji sygnału. W operacji tej

dokonywana jest zamiana analogowej wartości próbki sygnału na liczbę, jedną spośród

ograniczonego zbioru. Proces obejmuje: wyznaczanie przedziału zmienności sygnału

wejściowego (określenie zakresu przetwarzania), podział zakresu przetwarzania na N

przedziałów zwanych przedziałami kwantowania i przyporządkowanie im numerów - liczb

binarnych oraz określenie wartości próbki sygnału w odniesieniu do przedziału kwantowania

(wyznaczenie przedziału kwantowania). W europie spotyka się zazwyczaj systemy PCM z

28=256 poziomami kwantowania, z czego bezpośrednio wynika pasmo przenoszenia o

szerokości 64kb/s (fp*N=64kb/s; fp=8 kHz, N=8b). Nie ma co ukrywać, że to bardzo dużo. W

klasycznych sieciach telefonicznych z komutacją łączy można sprostać takim wymaganiom.

Na czas rozmowy zestawia się oddzielne łącze o przepływności 64 kb/s przeznaczone tylko

dla dwóch abonentów.

Kodowanie polega na przyporządkowaniu numerowi przedziału kwantowania, czyli

liczbie ciągu impulsów, przy czym długość ciągu jest stała i nie zależy od wartości

kodowanego sygnału.


PRÓBKOWANIE

KWANTOWANIE

KODOWANIE

11

Praca dyplomowa jest własnością Pana inż. Rafała GadamskiegoWykorzystując tradycyjną telefonię cyfrową, aplikacja przesyłająca głos musi mieć do

dyspozycji pasmo przenoszenia danych o szerokości 64kb/s. Natomiast przy użyciu

technologii VoIP wystarczającą szerokością pasma okazuje się 8-16kb/s, a po zastosowaniu

dodatkowych technik wystarczy nawet łącze oferujące przepustowość rzędu 6kb/s. Nie ma tu

żadnych szumów, które występują tradycyjnej telefonii spowodowanych przez konieczność

wzmacniania i regenerację sygnału, dodatkowo mowę zakodowaną w taki sposób można

wielokrotnie powielać bez obawy o pogorszenie jej jakości. Tak niskie zapotrzebowanie na

szerokość łącza danych uzyskuje się dzięki stosowaniu wyspecjalizowanych kodeków

(koderów/dekoderów) mowy ludzkiej. Z kodeków korzystamy często o tym nie wiedząc np.

prowadząc rozmowy w sieciach GSM, czy też słuchając muzyki lub oglądając filmy zapisane

w postaci plików multimedialnych. Podobne kodeki przygotowano na potrzeby systemów

telefonii IP. Najważniejsze z nich zaprezentowane są w tabeli Tab.1.1. Jak widać,

zapotrzebowanie na pasmo nie przekracza 8kb/s. Mniejsza ilość przekazywanych informacji

oznacza jednak, że sygnał dźwiękowy będzie gorszej jakości [10]. Okazuje się, że nadal jest

on na dość dobrym poziomie. Tab. 1.1.

Kodowanie danych w sieciach pakietowych

KodekStrumień

[kb/s]

Całkowite

zapotrzebowanie

na pasmo w

Ethernecie [kb/s]

Opóźnienia

kodeka (ms)Zastosowanie

G.711

(PCM)64 87,2 0,75

Transmisja głosu w paśmie

300 Hz - 4,4 kHzG.726

ADPCM24 47,2 1 Transmisja głosu

G.728

LD-CELP16 31,5 3 – 5 Transmisja głosu

G.729

CS-ACELP8 31,2 10


300 Hz - 4,4 kHzG.723.1

MP-MLQ6,3 21,9 30


300 Hz - 4,4 kHzG.723.1

ACELP5,3 20,8 30


300 Hz - 4,4 kHz

Jak wynika z powyższej tabeli najlepsze parametry czasowe, a co w znacznym stopniu

wpływa na jakość, ma kodowanie z użyciem kodeka G.711 – kodek jest oparty o kodowanie

PCM bez kompresji, a jego narzut czasowy to około 0,75 ms. W przypadku kodeka G.711

małe opóźnienie jest okupione szerokością strumienia generowanego przez ten kodek

wynoszący 64 kb/s. Dającym stosunkowo dobrą jakość przy niewielkiej zajętości pasma jest


Praca dyplomowa jest własnością Pana inż. Rafała Gadamskiegokodowanie G.729, jednak w tym wypadku opóźnienia wynikające z kompresji głosu

wzrastają do poziomu około 10 ms. Jeszcze większe opóźnienie wprowadzane jest podczas

kodowania za pomocą kodeka G.723.1, które wynosi około 30 ms. Dużą zaletą tej metody

kodowania mowy jest natomiast niewielkie zapotrzebowanie na szerokość pasma, które

wynosi 6,4 lub 5,3 kb/s przy dość dobrej jakości głosu.

1.3. Protokół IPv4

Głównym elementem Internetu jest zestaw protokołów sieciowych zwanych jako TCP/IP

(Transmision Control Protocol/Internet Protocol) [11 – 13]. Zestaw ten był pierwotnie

opracowywany w celu łączenia różnych komputerów w różnych sieciach. Rodzina

protokołów TCP/IP zyskała jednak popularność dzięki temu, że są wykorzystywane w sieci

Internet. Obecnie pod określeniem TCP/IP kryje się cały zestaw protokołów służących do

transferu danych (IP, TCP, UDP), kontroli poprawności połączeń (ICMP), zarządzania siecią

(SNMP), zdalnego włączania się do sieci (Telnet), usług aplikacyjnych służących do

przesyłania plików (FTP). Ta rodzina protokołów używana jest także w innych sieciach

rozległych, a także w sieciach lokalnych. Z uwagi na to że TCP/IP nie jest pojedynczym

protokołem nie korzysta on bezpośrednio z modelu OSI, choć opiera się na nim, i podzielony

jest tylko cztery warstwy. Czterowarstwowy hierarchiczny model protokołów TCP/IP

nazywany jest stosem protokołów TCP/IP. Porównanie stosu protokołów do modelu

odniesienia OSI zostało przedstawione w tabeli Tab. 1.2.Tab. 1.2.

Modele odniesienia OSI i TCP/IPModel OSI Stos protokołów TCP/IPWarstwa aplikacjiWarstwa prezentacjiWarstwa sesji

Warstwa aplikacji: Telnet, FTP, i inne

Warstwa transportowa Warstwa transportowa: TCP, UDP, RTPWarstwa sieciowaWarstwa łącza danych

Warstwa internetowa:

IP, ARP, ICMPWarstwa fizyczna Warstwa fizyczna/interfejsu sieciowego

Pierwsza warstwa modelu TCP/IP – warstwa interfejsu sieciowego odpowiada warstwom

łącza danych i fizycznej modelu OSI i realizuje dostęp do sieci. Odpowiada za dodanie do

datagramów IP nagłówków i zakończeń. Otrzymane w ten sposób ramki mogą być przesyłane

w sieci. W warstwie tej zamieniane są także adresy IP na adresy obowiązujące w sieci, do

której lub z której są kierowane dane.

Warstwa sieciowa nazywana także warstwą Internetową – funkcjonuje bardzo podobnie

do warstwy sieciowej modelu OSI. Warstwa internetowa jest przede wszystkim


Praca dyplomowa jest własnością Pana inż. Rafała Gadamskiegoodpowiedzialna za adresowanie i trasowanie w sieci, a ponadto za fragmentacje pakietów. W

tej warstwie pakiety danych są składane i dzielone na potrzeby transmisji. W warstwie

internetowej działa kilka protokółów IP (Internet Protocol), ICMP (Internet Control Message

Protocol), ARP (Address Resoution Protocol).

Warstwa transportowa - odpowiada za bezpośrednie połączenie pomiędzy użytkownikami

końcowymi, którzy wymieniają między sobą informacje. W warstwie tej używane są dwa

protokoły. TCP(Transport Cpntrol Protocol) – protokół kontroli transportu, oraz UDP (User

Datagram Protocol) – protokół datagramów użytkownika. TCP jest protokołem

połączeniowym, a UDP jest protokołem bezpołączeniowym.

Warstwa aplikacji – odpowiada za dostarczenie użytkownikowi różnych usług. W

warstwie tej funkcjonują dwa typy aplikacji. Oparte na gniazdach oraz aplikacje oparte o

NetBIOS (Network Basic Input Output System).

Protokół IP jest odpowiedzialny za przesyłanie pakietów, zwanych tutaj datagramami,

zapewnia adresowanie i wybór trasy. Jest protokołem bezpołączeniowym, co oznacza że w

trakcie transmisji nie jest sprawdzana poprawność przesyłanych przez sieć datagramów.

Protokół ten nie daje gwarancji ich dostarczenia, mogą one zostać po drodze zagubione,

uszkodzone lub przekłamane. Ściśle związanym z IP jest protokół ICMP, przeznaczony do

informowania komputerów i routerów o błędach występujących sieci IP. ICMP jest zatem

uzupełnieniem protokołu IP nie posiadającego takiego mechanizmu. Protokół IP jest

protokołem przeznaczonym do stosowania w sieciach o dobrej jakości łączy i wysokiej

niezawodności. Jego podstawowymi funkcjami są:

− określenie struktury datagramu,

− określenie schematu adresacji,

− kierowanie ruchem datagramów w sieci,

− defragmentowanie i scalanie datagramów (fragmentacja).

Nagłówek protokołu IP, jest przesyłany z każdym datagramem. Urządzenia zajmujące się

transmisją wykorzystują nagłówek do transportu danych pomiędzy stacjami źródłową i

docelową. Informacje nagłówka IP obejmują między innymi adresy źródłowy i docelowy

Rys. 1.5. Informacje zawarte w nagłówku IP, są również wykorzystywane przy dzieleniu i

łączeniu pakietów danych podczas transmisji.0 1 2 3

0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7

Version IHL Type of Service Total lengthIdentyfication Flags Fragment offset

TTL Protocol Header checksum


Praca dyplomowa jest własnością Pana inż. Rafała GadamskiegoSource address

Destination addressO P T I O N S

Rys. 1.5. Budowa nagłówka IP

− Version: 4 bity – wersja formatu nagłówka IP.

− IHL (Internet Header Lenght): 4 bity – długość nagłówka IP wyrażona w 32 bitowych

słowach. Minimalna wartość tego pola to 5.

− Type of Service: 8 bitów – pole to jest używane do przechowywania wartości mających

podnieść jakość obsługi pakietu. Niektóre sieci wykorzystują ustawione tu bity, a

pozostałe nie. Znaczenie bitów jest następujące:

− Total Length: 16 bitów – całkowita długość pakietu włącznie z nagłówkiem i danymi (w

bajtach). 16 bitów pozwala na przesyłanie maksymalnie 65535 bajtów. Najczęściej

spotykaną długością nagłówka IP jest 20 bajtów. Pakiet przed wysłaniem do kolejnego

węzła, musi być w danym węźle odebrany w całości, co prowadzi do powstawania

opóźnień. Dlatego też pakiety wrażliwe na opóźnienia są krótkie.

− Identification: 16 bitów – wartość ta jest ustawiana przez nadawcę i ma pomagać w

identyfikacji fragmentów przy scalaniu pakietów.

− Fragment Offset: 13 bitów – to pole określa, gdzie w oryginalnym pakiecie powinien być

umieszczony dany fragment, powstały w wyniku podziału pakietu na części. Jednostką

tutaj jest 8 bajtów (64 bity). Pierwszy fragment ma wartość offsetu zero.

− Time to Live: 8 bitów – pole określa maksymalny czas przebywania pakietu w sieci. W

momencie gdy wartość zawarta w polu osiągnie zero, pakiet danych musi zostać

zwrócony. Wartość pola jest modyfikowana w czasie przesyłania komunikatu w sieci.

Jednostką są tu sekundy, ale każda z przetwarzających pakiet stacji ma obowiązek

zmniejszyć wartość o co najmniej jeden (nawet gdy przetwarzanie zajęło mniej czasu).

Działanie to ma spowodować wyeliminowanie pakietów niemożliwych do dostarczenia.

− Protocol: 8 bitów – pole określa, który protokół został użyty na wyższym poziomie w

przetwarzaniu danych pakietu.

− Header Checksum: 16 bitów – suma kontrolna nagłówka danych IP. Ponieważ nagłówek

może się zmieniać, suma jest obliczana w każdym węźle w sieci, do którego dotarł pakiet.

− Source Address: 32 bity – adres nadawcy pakietu.

− Destination Address: 32 bity – adres odbiorcy pakietu.

− Options – dodatkowe informacje o pakiecie danych. Jest to opcjonalna część nagłówka

protokołu IP i najczęściej nie jest dołączana do pakietu.


Praca dyplomowa jest własnością Pana inż. Rafała GadamskiegoIP jest protokołem zawodnym, nie ma na przykład mechanizmów gwarantujących, że

kolejne pakiety dotrą do adresata w określonym czasie, co prowadzi do powstawania

opóźnień. Jedynym kryterium pozwalającym sprawdzić poprawność przesyłania jest suma

kontrolna nagłówka zawarta w polu Header Checksum. Jeżeli w trakcie transmisji został

odkryty błąd to pakiet jest niszczony przez stację, która wykryła niezgodność. W takim

przypadku nie ma żadnych powtórek transmisji i kontroli przepływu danych.

Za sprawdzanie poprawności i kontrole przepływu danych jest odpowiedzialna warstwa

transportowa. Na poziomie tej warstwy do transmisji danych używane są dwa protokoły: TCP

oraz UDP.

Podstawową różnicą pomiędzy dwoma protokółami warstwy transportowej TCP i UDP,

jest to że TCP jest protokołem połączeniowym, a UDP bezpołączeniowym. TCP dostarcza

pakiety w sposób niezawodny. W TCP dostępny jest dodatkowy poziom połączenia, który

wynika z trójkierunkowego potwierdzenia i zapewnia dostarczenie pakietu wykorzystując

pakiety potwierdzające. Trójkierunkowe potwierdzenie jest zestawem komunikatów

powitalnych, służących do ustalenia, czy nadawca i odbiorca są gotowi do transferu danych.

Po otrzymaniu przez odbiorcę pakietu, do nadawcy zostaje wysłany pakiet potwierdzający.

Gdy nadawca otrzyma pakiet potwierdzający, wysyła kolejne pakiety danych do odbiorcy. W

przypadku braku potwierdzenia pakietu może nastąpić retransmisja. Podobnie po wykryciu

błędów na jednym z końców połączenia może nastąpić ponowne wysłanie pakietu do

odbiorcy. Niestety generuje on przy tym duże opóźnienia, a w przypadku wznowienia

transmisji uszkodzonych lub zagubionych pakietów pakiety są dostarczane w różnej

kolejności co jest nie dopuszczalne w przypadku aplikacji czasu rzeczywistego. UDP jest

nazywany protokołem zawodnym, nie posiada mechanizmów kontroli poprawności

dostarczenia danych do miejsca przeznaczenia. W odróżnieniu od TCP w UDP nie występuje

retransmisja uszkodzonych lub zagubionych pakietów.

Zarówno TCP, jak i UDP sprawdzają poprawność odebranych pakietów poprzez

sprawdzenie pola sumy kontrolnej. Pakiety zawierające błędy są odrzucane. Nagłówek TCP,

podobnie jak nagłówek UDP, zawiera numery portów źródłowego i docelowego, służące do

multipleksowania i demultipleksowania.

UDP zazwyczaj jest szybszy od TCP gdyż przy transmisji danych wymaga transferu

mniejszej liczby dodatkowych informacji dodatkowo eliminuje powtarzanie zagubionych

pakietów. W porównaniu z nagłówkiem UDP o rozmiarze 8 bajtów, nagłówek TCP

zawierający 20 bajtów jest długi Rys. 1.6. Dzięki temu dodatkowe obciążenie sieci jest

mniejsze, a łączność szybsza i wydajniejsza.



a)0 16 32

Źródłowy port UDP Docelowy port UDPDługość komunikatu UDP Suma kontrolna UDP

b)

Port źródłowy Port docelowyNumer kolejny

Numer potwierdzeniaHLEN Zarezerwowane Bity sterujące Okno

Suma kontrolna Wskaźnik pilnościOpcje (ewentualne)

Rys. 1.6. Format nagłówka a) UDP, b) TCP

Ogólnie rzecz biorąc, protokół UDP jest wybierany w przypadku zastosowań, w których

szybkość i wydajność są ważniejsze od niezawodności. Aplikacje mogą jednak dokonywać

wiarygodnego przesyłania danych za pomocą UDP. Samo oprogramowanie aplikacji powinno

wówczas przejąć pełna odpowiedzialność za wiarygodność transmisji podczas korzystania z

UDP, co obejmuje utratę komunikatów, powielanie, opóźnienia, nieudane dostawy i utratę

łączności. Należy jednak pamiętać, że takie podejście może być niepraktyczne, ponieważ

duża cześć odpowiedzialności spada na twórców aplikacji. Co gorsza, ponieważ

oprogramowanie sieciowe jest często testowane na wiarygodnych i mało obciążonych

sieciach LAN, procedura testowania może nie obejmować potencjalnych problemów. Wobec

tego protokół UDP jest stosowany wszędzie tam, gdzie niezawodność sieci nie stanowi

większego problemu, zaś najważniejsza jest prędkość transmisji.

Dzięki tym właściwościom UDP jest on stosowany do przesyłania głosu w czasie

rzeczywistym, wiadomo jednak, że protokół IP i UDP są protokołami zawodnymi. IP nie jest

protokołem przeznaczonym do aplikacji czasu rzeczywistego, nie posiada i nie oferuje on

usług QoS. Brak jest w Internecie narzędzi gwarantujących, że dane dotrą do adresata w

określonym czasie. Mogą więc występować duże opóźnienia, jitter czy też zagubienia

pakietów. Dodatkowo stosowany do przesyłania pakietów zawierających głos protokół UDP,

także nie posiada takich mechanizmów, nie stosuje także znaczników czasu, więc nie może

kontrolować opóźnień.

1.4. Definicja parametrów jakości

Nie istnieje jednoznaczna definicja parametrów jakości transmisji [14]. Dostępnych jest

wiele różnych definicji. ITU-T w jednym zaleceń parametry jakości określa jako zestaw

wymagań jakościowych dotyczących wspólnych zachowań jednego lub wielu obiektów [15].

W innym zaleceniu ITU-T, QoS jest definiowany jako efekt sprawności wykonania usług,


Praca dyplomowa jest własnością Pana inż. Rafała Gadamskiegoktóry wskazuje poziom zadowolenia użytkownika [16]. IEEE (Institute of Electrical and

Electronics Engineers – Instytut Inżynierów Elektryków i Elektroników) w dokumencie:

Distributed Multimedia and QOS: A Survey przedstawia definicję QoS dla aplikacji

multimedialnych wymagających transmisji w czasie rzeczywistym jako grupę tych

ilościowych i jakościowych cech charakterystycznych systemów multimedialnych, która jest

niezbędna do osiągnięcia wymaganej funkcjonalności aplikacji [14].

Najczęściej używanymi terminami związanymi z jakością usług są [17]:

− QoS (Quality of Service) – jakość usług,

− CoS (Class of Service) – klasa usług,

− GoS (Grade of Sernice) – kategoria usług,

− SLA (Service Level Agrement) – kontrakt pomiędzy użytkownikiem a operatorem,

− SLS (Service Level Specyfication) – uzgodniony pomiędzy operatorem a klientem zbiór

parametrów sieciowych i ich wartości związanych ze świadczoną usługą,

− TCA (Traffic Conditioning Agrement) – porozumienie określające reguły klasyfikowania

pakietów oraz profile ruchu,

− TCS (Traffic Conditioning Specyfication) – określony zbiór parametrów technicznych i

ich wartości związanych z TCA.

Pojęcia te niestety są często używane w sposób niewłaściwy, oraz są mylone. Najwięcej

nieporozumień jest wokół pojęcia jakości usług. Termin QoS jest używany w różnym

znaczeniu, w zależności od kontekstu, wiąże się to z dwoma spojrzeniami, z jednej strony w

przypadku użytkownika – usługobiorcy, z drugiej zaś strony dostawcy usługi. Odbiorca

kieruje się kryteriami takimi jak uzyskanie zadawalającej jakości głosu, obrazu wideo czy też

krótkiego czasu przesyłania danych. Z kolei dla dostawcy ważna jest uzyskanie wysokiej

oceny przez użytkownika. W tym celu dostawca musi zapewnić kanał transmisyjny

spełniający określone wymagania, które bezpośrednio wpływają na zbiór parametrów

sieciowych i w konsekwencji na dobrą jakość usługi. W obu tych podejściach jest trochę racji.

W. C. Hardy w swojej książce poświeconej jakości usług wyróżnia trzy podstawowe

pojęcia [18]:

− wrodzoną jakość usług (intrinsic QoS),

− postrzeganą jakość usług (perceived QoS),

− ocenioną jakość usług (assessed QoS).

Z pojęciem ocenionej jakością usług mamy do czynienia, gdy użytkownik zdecyduje, czy

chce korzystać z usługi czy z usługi tej zrezygnować. Między innymi wpływ na tą decyzje


Praca dyplomowa jest własnością Pana inż. Rafała Gadamskiegomoże mieć sposób podejścia usługodawcy, sposób w jaki reaguje na zgłoszone problemy i

reklamacje.

Z jakością postrzeganą mamy do czynienia wtedy, gdy użytkownik korzysta z usługi. Na

jego ocenę mają wpływ jego oczekiwania, opinie innych użytkowników usługi, środowisko,

w którym się znajduje, czy też doświadczenia z podobną usługą świadczoną przez innego

operatora. W związku z tym zapewnienie wysokiej wrodzonej jakości usługi nie daje

pewności że klient będzie zadowolony jej poziomu. Samo zapewnieni parametrów

sieciowych może być niewystarczające w sytuacji, gdy korzystanie z usługi będzie

niewygodne z innych czynników, co może znacznie wpłynąć na końcową ocenę.

Wrodzona jakość usługi jest ściśle związana z aspektami technicznymi, począwszy od

zastosowanego łącz fizycznego, skończywszy na protokołach transmisji danych i

zastosowanych mechanizmach zapewniających określoną jakość. W tym kontekście jakość

usługi oznacza zbiór wymagań związanych z daną usługa. Powinny być one spełnione

podczas przesyłania przez sieć strumienia danych w ramach tej usługi [19]. Praktycznie jest to

zbiór parametrów sieciowych, wymaganych do przesyłania strumienia danych. Przez

zapewnienie QoS należy rozumieć przesłanie danych z zapewnieniem określonych wartości

tych parametrów w relacji od końca do końca, czyli od dostawcy do odbiorcy usługi.

Wartości tych parametrów są definiowane przez dostawcę w zależności od rodzaju usługi. W

sieciach IP jakość QoS może być scharakteryzowana miedzy innymi przez następujące

wielkości:

− opóźnienie pakietów (delay, latency) – odstęp czasu pomiędzy chwilą wysłania pakietu z

jednego węzła w sieci i odebrania go w innym węźle sieci,

− zmienność opóźnienia (jitter, delay variation) – zakres, w którym zmienia się wartość

opóźnienia mierzona dla pakietów należących do tego samego strumienia,

− przepływność (throughput) – dostępna prędkość, z jaką pakiety mogą być transmitowane

w sieci,

− prawdopodobieństwo utraty pakietu (packet loos rate) – współczynnik określający

prawdopodobieństwo utraty pakietu w czasie przesyłania przez sieć.

Można więc stwierdzić, że wrodzona jakość usługi jest czynnikiem jaki powoduje

atrakcyjność tej usługi dla potencjalnego użytkownika. Postrzegana jakość usługi decyduje,

czy użytkownik uzna ją za satysfakcjonującą, z kolei oceniona jakość usługi decyduje o

ewentualnej kontynuacji lub rezygnacji z jej korzystania.

Nie trudno zauważyć, że pojęcia postrzeganej i ocenionej jakości usług związane są

bardziej z polityką marketingową usługodawcy, a zapewnienie wysokiej jakości usługi na


Praca dyplomowa jest własnością Pana inż. Rafała Gadamskiegotych poziomach należy do zadań marketingu, projektantów usług i obsługi technicznej.

Badania postrzeganej i ocenionej jakości usługi zaliczane są zazwyczaj przeprowadzane

metodami subiektywnymi. Badanie jakości transmisji głosu tą metodą zwykle

przeprowadzane są w formie testów na wybranej próbce kobiet i mężczyzn w pewnych

ustalonych warunkach. Ocenie podlegają następujące cechy indywidualnego poziomu

zadowolenia:

− konwersacja i odsłuch,

− skala koncentracji,

− głośność odsłuchu,

− poziom zniekształceń.

Wyniki badań podlegają analizie i na ich podstawie definiowany jest parametr MOS (Mean

Opinion Score) będącym średnią ocen nadawanych przez ankietowanych użytkowników

usługi.

Z kolei bezpośredni związek z projektowaniem i właściwościami fizycznymi sieci ma

wrodzona jakość usługi. W przypadku badań dla na tym poziomie mamy do czynienia z

metodą obiektywną badań. Obiektywne metody oceny jakości transmisji głosowych i wideo

w sieciach pakietowych polegają na diagnostyce i ocenie parametrów kanału

telekomunikacyjnego. Jedną z propozycji zestawu parametrów poddawanych do oceny sieci

IP w tym także dla transmisji głosu i wizji jest dokument [20]. Zdefiniowano tam:

− opóźnienie,

− zmienność opóźnienia,

− szerokość pasma,

− niezawodność.

W dalszej części pracy będę analizował i badał problemy związane z oceną i zapewnianiem

jakości usług od strony technicznej.

1.5. Czynniki wpływające na jakość i metody poprawy jakości transmisji głosu

Jednym z największych problemów w dostosowaniu sieci pakietowych do przesyłania

głosu są opóźnienia, które bardzo trudno utrzymać na stałym niewielkim poziomie [10].

Wynika to z tego, że IP i UDP nie posiadają mechanizmów zapewniających QoS. Oba

protokoły nie były tworzone z myślą o wykorzystaniu ich do aplikacji czasu rzeczywistego.

UDP zastosowany ze względu na szybkie działanie w porównaniu z TCP nie posiada jednak

znaczników czasu przez co nie możliwe jest kontrolowanie opóźnień. Z tego powodu


Praca dyplomowa jest własnością Pana inż. Rafała Gadamskiegokonieczne było zastosowanie nowych protokołów RTP (Real Time Protocol) i RTCP (Real

Time Control Protocol) [21, 22]. UDP wsparte przez RTP zapewnia przesyłanie danych

aplikacji czasu rzeczywistego w sieciach pakietowych. Należy tu jednak zwrócić uwagę na to,

że RTP także nie posiada mechanizmów zapewniających jakość usług, ale zapewnia

przenoszenie, synchronizację, identyfikację i multipleksację strumieni multimedialnych.

Dodatkowo praca RTP jest wspierana przez RTCP, który dostarcza mechanizmy kontroli

przepływu danych, przenosi informacje o parametrach jakościowych połączenia sieciowego

takich jak opóźnienia, liczba odebranych pakietów, zmienność opóźnienia.

Ze względu na opóźnienie, pakiety transportujące głos powinny być jak najmniejszych

rozmiarów. Duży wpływ na opóźnienie mają także zatory w sieci, które mogą powodować

opóźnienie w dostarczaniu pakietów, zmianę kolejności ich otrzymywania czy też ich

gubienie. Jak wynika z dokumentów [23, 24] opóźnienie nie powinno przekroczyć 150 ms w

jednym kierunku, aby opóźnienie było niezauważalne przez rozmówców powinno pozostać

na poziomie do 100 ms. Minimalizacja opóźnień jest krytycznym elementem przy wdrażaniu

technologii transmisji głosu, a szczególnie w przypadku sieci IP, w której są ograniczone

możliwości sterowania jakością transmisji. Najistotniejszy wpływ na wielkość opóźnienia

mają następujące czynniki:

− kodowanie dźwięku,

− czas transmisji,

− eliminacja zmienności opóźnienia (jittera).

Jak wspomniałem wcześniej kodowanie dźwięku wprowadza opóźnienie, wielkość

opóźnienia zależy od zastosowanego kodeka i mieści się w granicach od 0,75 ms dla G.711

do 30 ms dla G.723.1 dla innych kodeków wartości podane są w tabeli Tab. 1. Wybór kodeka

jest więc zależny od parametrów sieci, w której transmitowany jest głos. Dla sieci dobrej

jakości, w której występują niewielkie opóźnieniu transmisji przy jednocześnie małej

przepustowości lepiej stosować kodowanie z większą kompresją, natomiast dla sieci o

większym opóźnieniu i większej przepustowości kodowanie o niższym współczynniku

kompresji.

Dodatkowym czynnikiem obniżającym jakość VoIP są zmieniające się w czasie

opróżnienia pakietów nadchodzących do odbiorcy czyli jitter [21, 22]. Efekt jaki on powoduje

jitter znacznie obniża odczuwalną jakość głosu, dlatego konieczne jest wyeliminowanie tego

efektu. W celu usunięcia zmienności opróżnień stosuje się bufor, w którym nadchodzące

pakiety są wstrzymywane na krótki czas a następnie przesyłane do dalszej obróbki w

równomiernych odstępach. Taki bufor wprowadza dodatkowe opóźnienia i są one zależne od


Praca dyplomowa jest własnością Pana inż. Rafała Gadamskiegojakości sieci stosowanej do transmisji danych. Im większe są wahania pomiędzy czasami

dotarcia kolejnych pakietów tym bufor musi być większy. Jeśli bufor będzie zbyt mały a

różnice opóźnień stosunkowo duże pakiety dostarczone zbyt późno zostaną uznane za

zagubione. Zatem wielkość bufora jest kompromisem pomiędzy minimalizacją opóźnienia, a

całkowitym wyeliminowaniem jittera.

Mówiąc o jakości połączenia głosowego w sieci IP należy pamiętać o zjawisku gubienia

pakietów [5, 25]. W przypadku transmisji danych w czasie rzeczywistym nie może mieć

miejsca retransmisja zagubionych pakietów. Dodatkowo pakiety które dotarły uszkodzone lub

przekroczyły dopuszczalny limit czasu opóźnienia, traktowane są jako zagubione. Luki jakie

powstają w miejscach zagubionych pakietów należy w jakiś sposób wypełnić. Stosowanych

jest kilka metod wypełnienia:

− wypełnianie ciszą,

− wypełnianie sygnałem o widmie zbliżonym do widma mowy ludzkiej,

− wypełnienie poprzedzającą lub następującą po niej zawartością pakietu,

− wypełnienie interpolacją lub ekstrapolacją sygnału.

Dzięki zastosowaniu wypełnień w zagubienia małej ilości pakietów są niemal

niezauważalne dla rozmówców, słyszalne są jako lekkie zniekształcenia głosu.

Zagwarantowanie jakości w sieciach z protokołem IP, dla aplikacji i usług czasu

rzeczywistego jest problemem bardzo trudnym do rozwiązania. Obecnie używane sieci z

protokołem IP zazwyczaj nie zapewniają wymaganych parametrów jakościowych na drodze

od dostawcy do odbiorcy [14, 17, 28].

Aby rozwiązać problemy z jakością w sieciach IP organizacja IETF zaproponowała dwie

architektury sieci pakietowcach, umożliwiające realizację usług transmisji danych, głosu,

wideo przy jednoczesnym utrzymaniu QoS na odpowiednim poziomie.

Tymi architekturami są:

− IntServ (Integrated Services) – oparta na integracji usług – z rezerwacją zasobów [26],

− DiffServ (Differentiated Services) – oparta na zróżnicowaniu usług – z przydziałem

priorytetów dla strumieni ruchu [27].

W architekturze IntServ zasoby w sieci są rezerwowane dla poszczególnych lub

zagregowanych strumieni danych [29, 30]. IntServ korzysta ze specjalnie zdefiniowanego

protokołu sygnalizacyjnego, protokołu RSVP (Reservation Protocol), który jest

odpowiedzialny za rezerwację zasobów sieciowych potrzebnych do przesyłania strumienia

pakietów w relacji od końca do końca oraz za zestawianie ścieżek połączeniowych. Ze


Praca dyplomowa jest własnością Pana inż. Rafała Gadamskiegowzględu na to, że implementacja tego protokołu jest wymagana w każdym ruterze IP, ruter

będzie przyjmował do realizacji żądania rezerwacji, co wiąże się z przechowywaniem

informacji o rezerwacji oraz informacji o skojarzonym strumieniu danych. Protokół ten jest

krytycznym elementem modelu usług zintegrowanych. W architekturze IntServ zdefiniowano

następujące klasy usług:

− GS (Guaranteed Service) – usługę gwarantowaną – przeznaczoną dla aplikacji

wymagających gwarancji odnośnie parametrów jakości przekazu danych związanych z

opóźnieniami [31],

− CL (Controlled Load Service) – usługę kontrolowanego obciążenia – przeznaczoną dla

aplikacji wymagających bezstratnego przekazu danych i jakością przekazu określaną jako

lepszą niż Best Effort [32],

− Best Effort – usługę niesklasyfikowaną – standardowe usługi transmisji danych bez

gwarancji QoS.

Architektura DiffServ oparty na koncepcji przyporządkowania pakietów do stosunkowo

niewielkiej liczby klas. Zrezygnowano tu z podstawowego dla modelu IntServ pełnego

rozróżnienia pakietów pochodzących od różnych sesji. Dzięki temu osiągnięto niezależność

wielkości wymaganych zasobów koniecznych do zagwarantowani jakości usług od liczby

niezależnych strumieni obsługiwanych w sieci. Klasyfikacja pakietów do poszczególnych

usług sieciowych realizowana jest dzięki informacjom zawartym w polu TOS (Type Of

Service) nagłówka pakietu IPv4 [33].

Architektura DiffServ definiuje następujące klasy usług:

− EF (Expedited Forwarding) – usługi premiowane – wykorzystywane do zapewnienia

jakości obsługi związanej z parametrami opóźnień i zmiennością opóźnień. Pkiety

należące do tej klasy mają także gwarantowane pasmo. Usługa ta może służyć do

tworzenia połączeń punkt – punkt o określonych parametrach [34],

− AF (Assured Forwarding) – grupy usług zagwarantowanych – nie ma gwarancji odnośnie

wielkości opóźnień pakietów. Ruch zgodny z ustalonym profilem, będzie dostarczony w

granicach ustalonego progu prawdopodobieństwa [35],

− Best Effort – usługę niesklasyfikowaną – standardowe usługi transmisji danych bez

gwarancji QoS.



2. ANALIZA DOSTĘPNYCH APLIKACJI VoIP

Mimo, że rynek telekomunikacyjny zdominowany jest przez tradycyjne usługi, telefonia

internetowa przeżywa okres rozkwitu [36 – 45]. Obszar jej zastosowań ciągle się poszerza, a

projektanci i programiści ulepszają zarówno wykorzystywane przez VoIP protokoły

transmisji danych, jak i aplikacje telefoniczne. Aplikacje stają się coraz bardziej

zaawansowanymi narzędziami, które z powodzeniem mogą w pełni zastąpić zwykłe telefony,

a często funkcjonalnością już je przewyższają.

W tej chwili na rynku znajduje się wiele aplikacji służących do rozmów przez Internet.

Wybierając aplikację należy uwzględnić kilka czynników. Jeśli za pomocą aplikacji oprócz

możliwości rozmowy pomiędzy użytkownikami danej aplikacji (PC2PC), chcemy mieć

możliwość wykonywania rozmów na numery stacjonarne i komórkowe (PC2Phone) należy

wziąć pod uwagę przede wszystkim programy rekomendowane przez polskich operatorów

VoIP: easyCALL, Eterię, Spik, Net2Phone Dialera, Tlenofon i Gadu-Gadu. Godne uwagi i

polecenia są aplikacje wykorzystywane w najpopularniejszych światowych sieciach

PC2Phone – X-PRO oraz aplikacja Skype, która w naszym kraju od pewnego czasu jest

wspierana i promowana przez portal Onet.pl. Trzeba zauważyć, że aplikacje VoIP są często

bezpośrednio powiązane z konkretną usługą danego operatora.

Wszystkie aplikacje nie sprawiają żadnych problemów podczas instalacji i pierwszego

uruchomieniem. Dodatkowo większość z nich ma niewielkie wymagania sprzętowe i z

powodzeniem mogą być zainstalowane na starszych komputerach klasy Pentium II 300MHz.

Jedynym specjalnym wymogiem jest karta dźwiękowa z obsługą funkcji full duplex, czyli

jednoczesnego odtwarzania i nagrywania dźwięku. Obecnie niemal każde urządzenie audio

(także to zintegrowane z płytą główną) dysponuje tą opcją. Istotną sprawą jest rodzaj łącza, za

pomocą którego chcemy korzystać z usług VoIP. Większość aplikacji potrafi automatycznie

dostosować ustawienia do naszego połączenia internetowego, ale oczywiście im jest ono

szybsze, tym lepiej. Ze względu na to, że znaczna część programów utrzymuje poziom

transferu na poziomie 20 kb/s w obu kierunkach nie wskazane jest ich używanie korzystając z

połączeń modemowych. Oczywiście jest to możliwe, ale z bardzo słabą jakością połączeń. W

wypadku Skype poziom obciążenia sieci jest stosunkowo wysoki i utrzymuje się na poziomie

40 kb/s, głównym tego powodem może być to, że aplikacja ta korzysta z szerszego pasma niż

w zwykłych telefonach, które zawiera się pomiędzy 300 Hz i 3 kHz. Ma to na celu


Praca dyplomowa jest własnością Pana inż. Rafała Gadamskiegopolepszenie dynamiki i jakości przesyłanego głosu. Kolejnym wymogiem jest obecność

mikrofonu i głośników lub słuchawek.

Znaczna część aplikacji korzysta ze specjalnych kreatorów, które pomagają w

konfiguracji. Zazwyczaj dotyczą one systemu dźwiękowego (X-PRO, TeleAikon, Net2Phone

Dialer, Eteria) lub ustawień sieci (X-PRO, Eteria). Przykładowo: pozwalają na

personalizowanie ustawień jeszcze przed uruchomieniem programu. Pozostałe aplikacje

automatycznie dostosowują odpowiednie parametry w zależności od konfiguracji systemu.

Wykonywanie połączeń i prowadzenie rozmowy za pomocą aplikacji VoIP nie sprawia

żadnych problemów. Aplikacje zostały utworzone tak aby nie sprawiały problemów nawet

zupełnemu laikowi. Jakość dźwięku zależna jest od kilku czynników: sposobu implementacji

protokołu transmisji pakietów, rodzaju łącza oraz stopnia jego obciążenia.

Typowymi problemami, z jakimi możemy się spotkać w trakcie rozmowy przez VoIP są:

efekt echa, zakłócenia tła (szumy, trzaski), transformacja głosu (głównie polegające na

obniżeniu tonu głosu), zbyt wysokie lub niskie natężenie dźwięku. Większość aplikacji

dysponuje specjalnymi funkcjami redukcji niepożądanych efektów (X-PRO, Net2Phone

Dialer, Gadu-Gadu). Są one szczególnie przydatne, jeśli nie mamy zestawu słuchawek

połączonych z mikrofonem. Innym problemem, z który w większym lub mniejszym stopniu

występuje niemal każdej aplikacji, są opóźnienia. Jak wiadomo nie zależą one od aplikacji, a

od aktualnie panujących w sieci warunków, więc ich wyeliminowanie jest niemożliwe.

Należy je raczej traktować jako "zło konieczne" i po prostu przyzwyczaić się do rozmów

VoIP.

Odczuwanie opóźnienia jest subiektywne, lecz według mnie najlepiej radzą sobie z nim

Skype, Net2Phone Dialer oraz Gadu-Gadu. Transformacja głosu może być wyeliminowana

poprzez wybór odpowiedniego kodeka dźwięku. Niestety, większość programów, z

wyjątkiem X-PRO, Nawijki i Gadu-Gadu, na to nie pozwala.

W wielu aplikacjach poziom głośności w trakcie rozmowy jest regulowany niezależnie

dla mikrofonu i słuchawek. Funkcja ta jest przydatna, gdy warunki sieci nagle ulegają

zmianie i chcemy szybko skorygować ustawienia podczas rozmowy. Bezpośredniej regulacji

dźwięku nie ma Tlenofon, Gadu-Gadu. Ciekawostką jest też system dynamicznego

wyrównywania poziomu czułości mikrofonu, z którego korzysta Skype. Zakłócenia tła lub

chwilowe przerwania połączenia mogą być spowodowane aktywnością innych aplikacji

sieciowych a w szczególności programy typu P2P.

Często w lokalnych sieciach wykorzystywane są mechanizmy NAT, proxy i firewall.

Translacja adresów (Network Address Translation) jest techniką umożliwiającą przypisanie


Praca dyplomowa jest własnością Pana inż. Rafała Gadamskiegowielu komputerom jednego publicznego IP. Sprawne używanie VoIP zakłada korzystanie z

adresu publicznego, jednak obecnie wiele programów potrafi bezproblemowo dodzwonić się

z i do sieci o wspólnym IP. Rozbudowane aplikacje pozwalają bowiem konfigurować NAT.

Pod tym względem wyróżnia się X-PRO, dodatkowo wyposażony w możliwość ustawień

coraz popularniejszej formy zabezpieczania prywatności w Internecie - tunelowania. Obecnie

niemal każda aplikacja korzysta ze standardowego serwera pośredniczącego, tzw. proxy. W

takim wypadku konfiguracja ogranicza się zazwyczaj do wpisania adresów serwerów

pośredniczących. Opcję tę oferują X-PRO, Net2Phone Dialer, Gadu-Gadu, Nawijka oraz

Tlenofon. Niestety, połączenia przez proxy w ogóle nie są obsługiwane przez easyCALL.

Aplikacje VoIP korzystające z wewnętrznej sieci muszą mieć udostępnione odpowiednie

numery portów dla pakietów TCP i UDP. Czasami są one zablokowane przez czuwający nad

przepływem danych w naszym komputerze firewall.

Jeżeli zamierzamy używać VoIP jako rozwiązanie alternatywne dla tradycyjnej telefonii,

mogą być przydatne funkcję pozwalające na uporządkowanie naszych kontaktów oraz

usprawnienie codziennej pracy z aplikacją. Jedną z najważniejszych takich funkcji jest

książka telefoniczna, w której są przechowanie dane adresowe. Dodatkowo książka powinna

umożliwiać szybki dostęp do konkretnego numeru i wybranie go bez konieczności

wpisywania każdej cyfry. Taką funkcję mają choćby Skype, TeleAikon, Eteria, Nawijka oraz

Tlenofon. Inną użyteczną opcją jest możliwość wyeksportowania i zaimportowania listy

kontaktów z centralnego serwera operatora VoIP, co może się okazać przydatne w chwili gdy

mamy kilka komputerów lub po reinstalacji systemu operacyjnego.

Przydatną opcją jest z pewnością szczegółowa ewidencja przeprowadzonych rozmów.

Każdy z programów VoIP realizuje to zadanie na swój sposób: od prostej listy wybranych

numerów (Eteria, Net2Phone Dialer, X-PRO) do rozbudowanego raportu w postaci tabeli, z

której odczytamy datę i długość połączenia (Skype). Część aplikacje zapisują te dane na

dysku komputera, inne łączą się z bazą danych operatora. Aktualny stan konta i długość

rozmowy są wyświetlane w większości aplikacji na bieżąco.

Innym udogodnieniem, szczególnie ważnym w kontaktach biznesowych, jest usługa

konferencji, w czasie której można rozmawiać z kilkoma osobami jednocześnie. Funkcję tę

znajdziemy w programach X-PRO i Skype.

Uwzględniając różnorodność opcji opisanych programów, nie możemy jednoznacznie

wskazać który jest najlepszy. Choć pod względem funkcjonalności i jakości połączeń na

czoło wysuwa się Skype, to rodzimy użytkownik ze względu na pomoc techniczną powinien

wybrać któregoś z polskich operatorów, ale i w tym przypadku Skype dzięki współpracy


Praca dyplomowa jest własnością Pana inż. Rafała GadamskiegoOnet.pl i Skype Technologies radzi sobie bardzo dobrze. Możliwości aplikacji TeleAikon,

Net2Phone, Gadu-Gadu, Nawijka oraz Tlenofon w dużej mierze nie odbiegają od jednego z

najpopularniejszych programów VoIP - Skype. Pod względem bogactwa opcji wyróżnia się

mało w Polsce znany X-PRO. Zawieszanie i przekierowywanie połączeń, prowadzenie

telekonferencji, usługa przekazywania i odbierania wiadomości głosowych voicemail.

Obecnie telefonia VoIP osiągnęła poziom, na którym jest jednocześnie tania, łatwo

dostępna i prosta w obsłudze. Niewielkim nakładem sił i środków każdy może z niej

korzystać zarówno w pracy, jak i w domu. Koszty połączeń międzystrefowych i

międzynarodowych są o wiele niższe niż w wypadku tradycyjnej telefonii, a wybór

operatorów i programów stosunkowo duży.

VoIP pozwala rozmawiać bezpośrednio użytkownikom komputerów (PC2PC).

Wymagania dotyczące sprzętu i ustawień sieci pozostają w dużej mierze takie same jak

podczas rozmów PC2Phone. Wyjątkiem będzie tutaj przydzielanie użytkownikowi

jednoznacznej tożsamości sieciowej. W praktyce wygląda to tak, że musimy zarejestrować

konto w jednej z firm świadczących usługi VoIP. Po takiej rejestracji podobnie jak w

typowych komunikatorach tekstowych otrzymujemy login. Może on pełnić rolę nazwy

wywołania danego użytkownika sieci. Naturalnym i zrozumiałym działaniem wydaje się więc

implementowanie modułu VoIP w komunikatorach internetowych takich jak Gadu-Gadu,

Tlen, Spik, ICQ, AOL czy Yahoo! Messenger. Istnieje niezliczona ilość programów

wyspecjalizowanych w realizowaniu połączeń PC2PC (np. Firefly, eye Pmedia,

BuddyPhone). Możliwość wykonywania rozmów PC2PC mają wszystkie wcześniej

analizowanie aplikacje. Jakość tego typu połączeń jest porównywalna a co ważniejsze w

większości przypadków rozmowy miedzy użytkownikami PC2PC są zupełnie za darmo.

Wiele dużych firm, chcąc zredukować koszty decyduje się na jej użycie. Korzystając z takich

usług, nie musimy mieć specjalnych zestawów słuchawek z mikrofonem. Na rynku jest wiele

firm oferujących swoim klientom tradycyjne, stacjonarne aparaty telefoniczne, które są

przystosowane do obsługi połączeń VoIP. Dzięki funkcji przypisywania numeru

telefonicznego do identyfikatora użytkownika możliwe też jest dodzwonienie się do aplikacji

VoIP na komputerze z telefonu stacjonarnego. Coraz więcej firm oferuje odpłatnie taką

usługę. Tabela Tab. 2.1. poniżej przedstawia z podsumowanie głównej funkcjonalności

aplikacji.


Praca dyplomowa jest własnością Pana inż. Rafała GadamskiegoWnioski z analizy:

− w Internecie znajduje się szeroki wachlarz aplikacji VoIP,

− aplikacje VoIP charakteryzują się łatwością instalacji i użytkowania,

− aplikacje VoIP mają małe wymagania sprzętowe,

− większość aplikacji VoIP korzysta z pasma 300 Hz – 3kHz, takiego jak w zwykłych

telefonach,

− poziom transferu większości aplikacji VoIP oscyluje w granicach 20kb/s,

− aplikacje VoIP można używać w sieciach lokalnych z NAT,

− większość aplikacji dysponuje funkcjami redukującymi niepożądane efekty (echo,

transformacja głosu, szumy).

Zbiorcze porówna nie parametrów funkcjonalnych aplikacji VoIP przedstawiona została

w tabeli Tab. 2.1.



3. KONCEPCJA BADAŃ

Symulacja, słowo te w języku potocznym ma bardzo wiele znaczeń (np. fałszowanie,

udawanie, naśladowanie) niektóre ze znaczeń są w znacznym stopniu rozbieżne [46, 47].

Pojecie symulacji w kontekście metody badawczej definiujemy jako technikę numeryczną

służącą do dokonywania eksperymentów na pewnej klasie modeli matematycznych, które

opisują za pomocą komputera zachowanie się rzeczywistego systemu (badanego obiektu) w

ciągu określonego przedziału czasu.

Można, więc rozumieć symulację jako metoda wnioskowania o zachowaniu się obiektów

rzeczywistych na podstawie obserwacji działania programów komputerowych symulujących

to zachowanie, (tzw. modeli symulujących). Program symuluje zachowanie się obiektu, gdy

zbiór stanów, w których może znajdować się komputer sterowany przez ten program,

odpowiada stanom obiektu, i gdy zmiana stanu w komputerze obrazuje zmianę

odpowiedniego stanu w obiekcie. Aby mogło być zrealizowane badanie systemu muszą

istnieć następujące elementy:

– system, czyli obiekt badany,

– powinien być sformułowany cel badania oraz badane problemy,

– model systemu badanego, gdy nie mogą być realizowane badania bezpośrednio w

systemie rzeczywistym,

– warunki początkowe, graniczne oraz założenia przyjęte w procesie badawczym,

– metody rozwiązania,

– narzędzia umożliwiające zastosowanie metod (o ile takie są wymagane).

W procesie symulacji badany jest nie system rzeczywisty, lecz jego reprezentacja w

postaci modelu symulacyjnego. Model nie jest pełnym odzwierciedleniem rzeczywistego

obiektu, oznacza to, że istnieją charakterystyki systemu rzeczywistego, które są pomijane,

upraszczane lub agregowane. Widać zatem, że istotnymi problemami w badaniach

symulacyjnych są: budowa adekwatnego modelu oraz proces weryfikacji modelu z punktu

widzenia realizacji określonego celu badania.

Model systemu nie będzie zatem przestawiał działania i zachowania rzeczywistego

systemu. Dopiero konstrukcja stanów modelu w procesie symulacji pozwala na

wnioskowanie o zachowaniu się systemu. Można więc stwierdzić, że:

− symulacja jest procesem konstruowania w chronologiczny sposób opisów stanów

tworzących historię stanów,


Praca dyplomowa jest własnością Pana inż. Rafała Gadamskiego− symulacja nie jest czynnością, lecz procesem.

Jednym z głównych etapów badań symulacyjnych jest określenie celu badań. Najbardziej

typowymi celami symulacyjnych badań systemów mogą być następujące problemy:

− określenie jakościowe lub ilościowe wpływu wybranych czynników na badany system,

− wyznaczenie wartości określonych charakterystyk funkcjonalnych systemu (np. czy

zaprojektowany system spełnia zadania w określonych warunkach funkcjonowanie na

żądanym poziomie jakości),

− porównanie alternatywnych systemów w określonych warunkach działania lub wybór

najlepszego wariantu systemu spośród pewnego zbioru wariantów.

3.1. Cel badań oraz schematy scenariuszy badań

W niniejszej pracy celem badań jest wyznaczenie charakterystyk czynników mających

bezpośredni wpływ na jakość transmisji głosu w sieciach IP. Jak wiadomo najważniejszymi i

najczyściej spotykanymi problemami w transmisji głosu w sieciach pakietowych są

opóźnienia pakietów oraz jitter (zmienność opóźnienia). Jednocześnie są to główne czynniki

wpływające na ocenę jakości VoIP.

Opóźnienia Td[s] – jest to sumaryczna wartość opóźnień wprowadzanych przez

poszczególne elementy toru telekomunikacyjnego. W przypadku techniki VoIP taki tor

można zilustrować jak na rysunku Rys. 3.1.

Rys. 3.1. Tor VoIP

Na początku toru znajduje się wejście i wyjście sygnału mowy. Sygnał mowy ludzkiej

przekazany do układu poprzez mikrofon przetwarzany jest na postać cyfrową następnie

kodowany i kompresowany przez koder mowy, który wraz z aplikacją VoIP wprowadza

opóźnienie ∆t1. Kolejnym źródłem opóźnień układu jest sieć przez którą przesyłane są pakiety

mowy w tym przypadku sieć lokalna (LAN) ∆t2 oraz sieć globalna (Internet) ∆t3. Ostatnim

źródłem jest podobnie jak na początku toru aplikacja VoIP oraz w tym przypadku


we/wyaudio

koder/dekodermowy;aplikacja VoIP

koder/dekodermowy;aplikacja VoIP

sieć lokalna

sieć globalna

we/wyaudio

LAN INTERNET

30

Praca dyplomowa jest własnością Pana inż. Rafała Gadamskiegodekodowanie i dekompresja mowy ludzkiej. Dlatego też opóźnienie toru można przedstawić

jak niżej (1):

4321 ttttTd ∆+∆+∆+∆= (1)

Jitter jT∆ [s] – w technice Voice over IP jest traktowana jako zmienna wartość opóźnienia

mierzona dla pakietów należących do tego samego strumienia powodowana przez zatory i

przeciążenia w sieci lub zmiana trasy przepływu pakietu.

Wartość zmienności opóźnienia można oszacować na wiele sposobów, nie ma jednoznacznej

definicji określającej sposób w jaki należy to wykonać. Jednakże istnieją dokumenty

zalecające w jaki sposób należy przeprowadzić obliczenia wartości zmienności opróżnień są

to dokumenty referencyjne IETF RFC 1889 oraz RFC 3550 i na ich podstawie oprę swoje

dalsze obliczenia.

Aby obliczyć jitter niezbędna jest wiedza o tym jakie występowały różnice opóźnień

pomiędzy kolejnymi pakietami przesyłanego strumienia mowy.

Jeśli Si jest wartością czasu znacznika czasu (timestamp – pola przesyłanego w pakiecie)

pakietu i-tego oraz Ri jest czasem przybycia pakietu i-tego do odbiorcy (wyrażonym w

jednostkach znacznika czasu), wtedy dla dwóch pakietów, pakietu i oraz pakietu j różnicę

czasów można wyrazić jako (2):

( ) ( ) ( ) ( ) ( )iijjijij SRSRSSRRjiD −−−=−−−=, (2)

Dla uproszczenia można powiedzieć, że:

– R – oznacza odebrany (Recive),

– S – oznacza wysłany (Send).

Znacznik czasu może być liczony np. w milisekundach od 1 stycznia 1970 roku (początek

Internetu).

Używając różnicę D dla pakietu i oraz pakietu poprzedniego i-1 (w kolejności przybycia),

można przystąpić do obliczenia wartości zmienności opóźnień. Jitter oblicza się

nieprzerwanie – kontynuacyjnie na podstawie poniższej formuły (3):

( ) ( ) ( ) ( )( ) 16/1,1 −−−+= iJiiDiJiJ (3)

czyli , dla pierwszego pakietu (4):

( ) ( )( ) 16/0,101 −−+= iiDJ (4)


Praca dyplomowa jest własnością Pana inż. Rafała Gadamskiegogdzie: D(i-1,i)=(czas odbioru – czas wysłania) – 0, czyli jest to tylko opóźnienie, a 0 to

(Ri-Si), dla drugiego pakietu będzie (5):

( ) ( ) ( ) ( )( ) 16/12,112 −−+= iJDJJ (5).

Innym ważnym parametrem dla jakości usług w sieciach IP jest przepustowość

(throughput) czyli dostępna prędkość z jaką pakiety mogą być transportowane w sieci.

Przepustowość jest funkcją zależną od wielu parametrów. Charakterystyka przepustowości

( ) ( ) ( ) ( )[ ]tNtstetrtP ,,,, zależna jest od parametrów:

– t – czas,

– r(t) – ruch,

– e(t) – błędy,

– s(t) – struktura (wartość stała),

– N(t) – niezawpdość.

Rysunek Rys. 3.2 przedstawia wykres wykorzystania kanału w zależności od czasu.

Grubsza linia obrazuje standardowy ruch w sieci LAN, natomiast cieńsza jest to dodatkowy

ruch spowodowany przesyłaniem pakietów aplikacji służącej do rozmów VoIP.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Czas t[s]

Prz

epus

tow

ość

P[%

]

ruch podkładowy spowodowanytransmisją ftp,http i inne

ruch VoIP

Rys 3.2. Kanał telekomunikacyjny w czasie realizacji usług ftp, http i innych oraz ruchu VoIP

Aby osiągnąć cele badań opracowałem dwa schematy układów badawczych Rys. 3.3 oraz

Rys. 3.4, w oparciu o nie zostaną opracowane scenariusze badań a następnie modele

badawcze.


Praca dyplomowa jest własnością Pana inż. Rafała GadamskiegoNa rysunku Rys. 3.3 przedstawiany jest schemat układu badawczego LAN – DSL. Układ

składa się z dwóch komputerów PC na których uruchomione są aplikację VoIP.

Rys. 3.3. Schemat 1: LAN – DSL

Oba komputery podłączone są do sieci Internet. Komputer A znajduje się w sieli lokalnej

LAN, przez którą ma dostęp do sieci globalnej. Do sieci LAN podłączony jest przez kontroler

sieciowy o prędkości 100Mb/s. Drugi komputer B do sieci globalnej podłączony jest przy

pomocy technologii szerokopasmowego dostępu do Internetu ADSL o prędkości 128/64kb/s

(odbieranie/wysyłanie). Jest to jeden z najpopularniejszych sposobów dostępu do sieci

Internet.

Ilustracja Rys. 3.4 przedstawia schemat układu badawczego DSL – DSL.

Rys. 3.4. Schemat 2: DSL – DSL


LANCSM/CD 100BASET

DSL(ADSL)Neostrada 128

LAN

INTERNET

INTERNET



A B

A B

33

Praca dyplomowa jest własnością Pana inż. Rafała GadamskiegoPodobnie jak poprzedni schemat przedstawione są dwa komputery PC, na których są

uruchomione aplikacje VoIP. W tym przypadku obydwa komputery A i B do sieci globalnej

podłączone są poprzez usługę Neostrada 128 opartą o technologie ADSL.

Scenariusz badań w przypadku schematu pierwszego LAN – DSL będzie następujący.

Komputer A pracujący w sieci LAN będzie miał włączoną aplikację VoIP z pomocą której

będzie prowadzona rozmowa z użytkownikiem komputera B podłączanego do Internety przez

łącze ADSL. Aplikacja do kodowania głosu będzie używała kodeka G.723.1. W sieci LAN, z

której korzysta komputer A pracuje w także inne komputery. Na komputerach są używane

różne aplikacje przesyłające dane pomiędzy komputerami co generuje ruch w sieci LAN. W

oparciu o ten układ pomierzę opóźnienia oraz jitter dla pakietów VoIP przesyłanych

pomiędzy komputerami A i B w zależności od wykorzystania łącza w sieci LAN. Procent

wykorzystania będzie zależny od ruchu panującego w sieci, generowanego przez inne

komputery. Badania przeprowadzę dla wykorzystania sieci w granicach między 5% a 70% z

krokiem co około 10%.

Scenariusz badań dla schematu drugiego DSL – DSL, będzie odmienny od poprzedniego.

Podobnie jak w sytuacji poprzedniej będzie prowadzona rozmowa pomiędzy użytkownikami

komputerów A i B z wykorzystaniem aplikacji VoIP używającej kodeka mowy G723.1. Oba

komputery do Internetu podłączone są do sicie globalnej z wykorzystaniem łącza ADSL. W

tym przypadku pomiary opóźnień i jitter-a pomierzę w zależności od dostępnej

przepustowości łącza DSL. Ograniczenie przepustowości będzie się odbywało na komputerze

A, w przedziale od około 20kb/s do 64kb/s.

W obu powyższych scenariuszach czas rozmów pomiędzy użytkownikami aplikacji VoIP

będzie wynosił 180 sekund.



4. EKSPERYMENTY BADAWCZE I ANALIZA WYNIKÓW

4.1. Środowisko badawcze

Badania odbyły się na średniej klasy komputerze PC o następującej konfiguracji

sprzętowej:

− płyta główna: Asus A7V600 (KT600),

− procesor: AMD Athlon XP 2500 z 512KB cache,

− pamięć operacyjna: DDR 512MB/333MHz,

− dysk twardy: WD Caviar 160GB, ATA-133, 8MB cache,

− k. graficzna: ATI Radon 8500.

Do przeprowadzenia badań zostało użyte oprogramowanie COMNET III, w którym

zostały utworzone modele badanych sieci. Pakiet symulacyjny COMNET III jest narzędziem

umożliwiającym tworzenie i wszechstronne badanie modeli sieci telekomunikacyjnych

metodą symulacji komputerowej. Umożliwia on budowę modelu symulacyjnego sieci

telekomunikacyjnych przy wykorzystaniu biblioteki, w której zawarte są procedury

(podprogramy) będące modelami elementów sieci telekomunikacyjnych typu LAN, WAN

oraz sieci komputerowych. Do zdefiniowania modelu w pakiecie służą trzy podstawowe

modele-komponenty konstrukcyjne:

− węzły - reprezentujące urządzenia fizyczne (komputery i urządzenia komutacyjne),

− linie telekomunikacyjne - przenoszące obciążenie,

− łuki połączeniowe - (element abstrakcyjny) wskazujący jak są kojarzone węzły i linie

telekomunikacyjne. Łuki także opisują styk pomiędzy nimi np. parametry portu węzła,

wprowadzane opóźnienie, tablice opłat w procesie marszrutyzacji.

Modele do eksperymentów badawczych zostały zbudowane w oparciu o wcześniej

przedstawione scenariusze badań. Eksperymenty były przeprowadzone pod kątem zbadania

opóźnień oraz jitera dla pakietowej transmisji mowy w sieci IP.

W oparciu o scenariusz pierwszy LAN – DSL, który zakłada badanie jakości transmisji

głosu w zależności od ruchu panującego w sieci LAN zbudowałem model w aplikacji Comnet

III. Odwzorowanie usługi VoIP zostało opisane w elemencie o nazwie Session Source (źródło

sesji) Rys. 4.1 Jest to element służący do odwzorowania ruchu w postaci seansów (sesji) w

trakcie, których przesłaniu podlega wiele wiadomości z komutacją pakietów.



Rys. 4.1. Parametry źródła sesji

Jak założyłem w scenariusza usługa transmisji mowy oparta jest o kodek mowy G.723.1.

Kodek ten charakteryzuje się następującymi parametrami:

− bitrate: 5,3kb/s,

− częstotliwość próbkowania: 8kHz,

− interwał próbkowania: 30ms,

− wielkość próbki 20b,

− ilość pakietów w czasie 1 sekundy 34 [48].

Na rysunku Rys. 4.1 przedstawione jest okno konfiguracyjne źródła sesji, poszczególne

pola zostały wypełnione na podstawie danych o kodeku, poniżej opis najważniejszych pól:

− Interarrival [s]: 180,0 – jest to parametr określający co jaki czas ma zostać wywołana

sesja - jest to jednocześnie czas trwania sesji (czas rozmowy) określony w założeniach

scenariuszy,

− First arrival [s]: 0,0 – parametr określa początek sesji – czas wysłania pierwszej

wiadomości,

− Msgs/session: 6120,0 – jest to ilość wiadomości w czasie sesji. Wartość została obliczona

na podstawie czasu rozmowy pomnożonego przez ilość pakietów w czasie jednej

sekundy:


Praca dyplomowa jest własnością Pana inż. Rafała GadamskiegospktssessionMsg /34*180/ = .

− Msg IAT [s]: 0,0294 – odstęp czasu pomiędzy kolejnymi wiadomościami:

spktsMsgIAT

/341= ,

− Message size [b]: 20,0 – wielkość wiadomości.

Odwzorowanie ruchu tła zostało zrealizowanie przy użyciu elementu Message Source

(źródło wiadomości) Rys. 4.2. Element jest przeznaczony do generowania ruchu

realizowanego z komutacją pakietów. Objętość wiadomości określana jest jako liczba

jednostek informacji (bajty) lub pakietów. Objętość informacji można zadać wykorzystując

do tego celu proponowaną formułę obliczeniową lub też może być zmienną o określonym

rozkładzie i zadanych parametrach. Intensywność generowania wywołań w źródle

wiadomości określona jest poprzez wyznaczenie odstępu czasu między kolejnymi

wiadomościami.

Rys. 4.2. Parametry źródła wiadomości

Parametry w oknie konfiguracji zostały dobrane tak aby uzyskać odpowiedni ruch w sieci

LAN a tym samym wykorzystanie łącza LAN. Rysunek Rys. 4.2 przedstawia przykładowe

dane konfiguracyjne przy których wykorzystanie łącza wynosiło 20%. Aby uzyskać żądany

wynik zostały ustawione parametry:


Praca dyplomowa jest własnością Pana inż. Rafała Gadamskiego− Interarrival [s]: Exp(3.0) – jest to parametr określający czas pomiędzy wysłaniem

kolejnych wiadomości. Czas ten ma rozkład wykładniczy o parametrze średni czas

dostępu wynosi 3s,

− Msg size calc: Probability distribution – określa sposób definiowania wiadomości –

(rozkład prawdopodobieństwa),

− Msg size unit: Bytes – jednostka w jakich wyrażana jest wielkość wiadomości,

− Prob distib: Nor(2000000.0, 1000000.0) – zmienna wielkość wysyłanych wiadomości w

przedziale od 100kB do 2MB określona rozkładem normalnym.

Model przygotowany w oparciu o scenariusz drugi DSL – DSL był prostszy w

przygotowaniu. W scenariuszu tym założyłem badanie jakości usługi transmisji głosu w

zależności od szerokości dostępnego pasma. Podobnie jak w modelu pierwszym

odwzorowanie usługi VoIP zostało zaimplementowane w elemencie Session Source.

Wszystkie pola konfiguracyjne pozostały bez zmian w stosunku do konfiguracji modelu

pierwszego.

Dostępna przepustowość dla poszczególnych komputerów, pomiędzy którymi odbywa się

transmisja strumienia VoIP w modelu została odwzorowana w elemencie Access Link Detail.

Rysunek Rys. 4.3 przedstawia okno konfiguracyjne tego elementu.

Rys. 4.3. Okno konfiguracyjne elementu Access Link Detail

W oknie tym zostały skonfigurowane następujące pola:

− Parametr set name: 64kb/s – nazwa parametru,

− Number of circiuts: 1 – ilość dostępnych łączy,

− Entry bandwidth/circuit [kb/s]: 64kb/s – parametr określa przepustowość wejściową,

− Exit bandwidth/circuit [kb/s]: 64kb/s – parametr określa przepustowość wyjściową.


Praca dyplomowa jest własnością Pana inż. Rafała GadamskiegoAby wyeliminować wpływ warunków początkowych układu badawczego na wyniki,

przebieg został wydłużony o czas równy jednej sesji 180s. Podczas tego czasu nie są zbierane

statystyki. Dokładniej mówiąc, po trzech minutach czasu systemowego statystyki zostały

wyzerowane, a warunki opisujące stan końcowy systemu zostały przyjęte jako warunki

początkowe właściwego przebiegu.

Liczność próby statystycznej do oszacowania wartości zmiennej losowej wyznaczono,

przy założeniu poziomu ufności 95,0)1( =− α i żądanej dokładności wyznaczenia wartości

średniej opóźnienia na poziomie 25% odchylenia standardowego. W związku z powyższym

liczność próby n jest równa:

2

2

2

2

2

)25,0()96,1()(

σσσ α

⋅⋅=

⋅=

d

Un ,

gdzie:

n – liczność próby,2σ – odchylenie standardowe wartości średniej,

2αU – kwantyl rozkładu normalnego N(0,1) na poziomie istotności α,

d – dokładność wyznaczenia wartości średniej.

Dla 95,0)1( =− α , 96,12

=αU , a więc liczność próby powinna wynosić n = 62.

4656,6105640625,0467044,3 ==n .

4.2. Przebieg badań

Mając już przygotowane modele przystąpiłem do badań. Jako pierwszy został poddany

badaniom model oparty o scenariusz pierwszy (LAN – DSL). Tak jak założyłem scenariuszu,

ruch tła był generowany tak, aby uzyskać rządany poziom wykorzystania łącza. W wyniku

wstępnych badań utworzonego modelu, wyodrębniłem grupę ustawień parametrów, przy

których wykorzystanie łącza zawierało się w przedziale od 5% do 60% z krokiem co około

10%. Wyniki te posłużyły jako baza do dalszych badań modelu, w których przeprowadziłem

pomiar średnich opóźnień i zmienności opóźnień pakietów zawierających dane z aplikacji

VoIP.

Czas badania modelu dla poszczególnych ustawień wynosił od 20 minut dla obciążenia

łącza 5%, 123 minuty dla 40% do około 6 godzin dla wartości obciążenia wynoszącej 60%.

Ze względu na to, że aplikacja COMNET nie umożliwia bezpośredniego pomiaru wartości


Praca dyplomowa jest własnością Pana inż. Rafała Gadamskiegojittera, konieczne było użycie wbudowanej funkcji trace. Funkcja ta polega na śledzeniu

przebiegu poszczególnych pakietów i gromadzeniu danych o czasie dotarcia i wysłania

pakietów przez poszczególne elementy sieci. Dane te funkcja zapisuje do pliku trace.trc na

dysku komputera. Dopiero na podstawie zgromadzonych w ten sposób informacji możliwe

było wyznaczenie zmienności opóźnień pakietów. Uzyskane w ten sposób pliki miały rozmiar

od 140 MB przy 10% wykorzystaniu łącza, 1GB przy 40% do 1,54GB przy 60%.

Badanie właściwości drugiego modelu DSL – DSL odbywało się w podobny sposób jak

w poprzednim przypadku. Zgodnie z założeniami scenariusza drugiego średnie opóźnienia

pakietów i jitter zostały zbadane w zależności od dostępnej przepustowości w zakresie od

19kb/s do 64kb/s z mniejszym krokiem w dolnej części badanego zakresu i większym przy

większej przepustowości.

Badanie tego modelu było mniej czasochłonne niż w przypadku modelu opartego o

scenariusz pierwszy. Średni czas badania dla każdego z badanych wariantów wynosił około

20 minut.

Rozmiary plików funkcji trace także nie były już tak duże jak dla scenariusza pierwszego,

a ich wielkość dla wszystkich badań zawierała się w granicy 140MB.

Jak wcześniej wspomniałem dane zgromadzone w plikach trace.trc zostały zebrane w

celu obliczenia wartości jittera. Ze względu na duży rozmiar plików niemożliwe było ich

bezpośrednie przetwarzanie w aplikacji Excel. Aby wydobyć ze zgromadzonych plików tylko

dane konieczne do wyliczenia zmienności opóźnień pakietów został użyty specjalnie do tego

napisany program. Program na podstawie pliku trace.trc tworzył nowy plik zawierający tylko

informacje o pakietach VoIP. Rozmiar każdego z plików przefiltrowanych przez program

został zredukowany do 2,5MB. Dane z poszczególnych plików zostały zaimportowane do

arkusza kalkulacyjnego. W arkuszu została wyliczona wartość jittera w oparciu o opisane w

podrozdziale 3.2. wzory. Wyniki zostaną przedstawione i opisane w dalszej części pracy.

4.3. Wyniki i ocena wyników badań

Wyniki i ocena wyników badań scenariusza 1 (LAN – DSL)

Uzyskane w trakcie badań wyniki przedstawione są w tabeli Tab. 4.1. Tak jak założyłem

w scenariuszu zostały zbadane opóźnienia pakietów w funkcji obciążenia sieci LAN. Dla

wybranych wartości obciążenia sieci LAN została wyliczona średnia wartość jittera. W

dalszej części zostaną przedstawione wykresy opóźnienia pakietów VoIP w funkcji

obciążenia sieci LAN oraz jittera w funkcji czasu.



Tab. 4.1.

Wyniki badań dla scenariusza LAN – DSL.

Obciążenia sieci LAN [%] Średnie opróżnienia pakietów [ms] Średnia wartość jitter [ms]

0,09 48,55 NB*5,63 51,688 NB*10,45 61,471 0,07553616,44 65,972 NB*20,35 63,342 NB*31,82 67,905 NB*39,29 75,699 0,310543344 81,48 NB*50,6 75,339 NB*54,77 84,667 NB*60,07 115,457 1,09643164,47 140,745 NB**NB – nie badano

Ocena opóźnień pakietów VoIP

Rysunek Rys. 4.4. przedstawia wykres opóźnień pakietów VoIP w funkcji obciążenia

sieci LAN. Jak można zauważyć opóźnienia pakietów mowy dla obciążenia w granicy do

10% zawierają się poniżej 60ms. Są to bardzo małe opóźnienia i są praktycznie

niezauważalne w trakcie rozmowy. Przy obciążeniu sieci w granicach od 10% do 55%

wartość opóźnień oscyluje w przedziale od 60ms do 80ms. Poziom opóźnień także jest mały

a jego wpływ na jakość usługi transmisji głosu równie niewielki. Dopiero po przekroczeniu

obciążenia sieci LAN powyżej 55% można zauważyć znaczny wzrost opóźnień pakietów

VoIP. Opóźnienie przy obciążeniu ruchem tła około 65% wynosi już 140ms.

61,471

140,745

115,457

63,34275,699

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

obciążenie sieci LAN [%]

opóź

nien

ia [m

s]

Rys. 4.4. Opóźnienia pakietów VoIP w funkcji obciążenia generowanego przez źródła ruchu


Praca dyplomowa jest własnością Pana inż. Rafała GadamskiegoWartość opóźnienia 140ms może mieć już odczuwalny wpływ na jakość transmitowanej

rozmowy, mimo to jest to wartość mieszcząca się w granicach większości zaleceń i norm.

Względem rekomendacji ITU-T G.1010 [24] zalecana wartość opóźnień wynosi poniżej

150ms, a wartość graniczna ustalona jest na poziomie 400ms. Podobną klasyfikacja znajduje

się w dokumencie [5], gdzie jakość dla wartości wartość opóźnień 0ms – 150ms jest

traktowana jako dobra, w przedziale 150ms – 250ms wystarczająca, dla opóźnień 250ms –

400ms słaba, a powyżej 400ms jakość jest nie do zaakceptowania.

Ocena jittera pakietów VoIP.

0

0,25

0,5

0,75

1

1,25

1,5

1,75

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105

czas [s]

jitte

r [m

s]

Rys. 4.5. Jitter w funkcji czasu dla obciążenia sieci ruchem tła o wartości 10,33%

Powyższy rysunek Rys. 4.5. przedstawia wykres jittera w funkcji czasu dla obciążenia

sieci w 10,33%. Jak widać poziom zmienności opóźnień pakietów VoIP dla tego poziomu

obciążenia sieci jest bardzo mały i większość wartości jittera zawiera się w przedziale 0ms –

0,25ms. Maksymalna wartość jaką osiągnął jitter wynosi 1,57ms. Zmienność opóźnienia na

takim poziome jaki jest przedstawiony na wykresie nie wpływa na jakość transmitowanego

głosu i nie jest słyszalna. Średnia wartość jittera wyniosła 0,075ms.

Kolejną wartością obciążenia sieci LAN, dla której były przeprowadzone obliczenia

wartości jittera jest obciążenie 44%. Wykres zmienności opóźnień pakietów VoIP w funkcji


Praca dyplomowa jest własnością Pana inż. Rafała Gadamskiegoczasu dla ruchu tła na poziome 44% jest przedstawiony na rysunku Rys. 4.6. W tym wypadku

00,5

1

1,52

2,53

3,54

4,55

5,56

6,57

7,58

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105

czas [s]

jitte

r [m

s]

Rys. 4.6. Jitter w funkcji czasu dla obciążenia sieci ruchem tła o wartości 44%

wartość jittera jest zauważalnie wyższa niż dla obciążenia 10%, ale wartości jakie osiągnął

także nie są duże. Jak widać pojawiła się większa ilość wartości w granicach do 1,5ms,

podczas gdy na poprzednim wykresie była to wartość maksymalna. Wartość maksymalna

jittera w tym przypadku wyniosła 7,55ms zaś średnia 0,3105433ms.



00,5

11,5

22,5

33,5

44,5

55,5

66,5

77,5

88,5

99,510

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105

czas [s]

jitte

r [m

s]

Rys. 4.7. Jitter w funkcji czasu dla obciążenia sieci ruchem tła o wartości 60%

Na rysunku Rys. 4.7. znajduje się wykres jittera w funkcji czasu dla obciążenia sieci

ruchem tła na poziomie 60%. Maksymalna wartość jittera w tym wypadku osiągnęła 9,2ms.

Jak widać na przedstawionym wykresie pojawiło się znacznie więcej wartości jittera w

przedziale 0,5ms – 2ms niż w dla obciążenia sieci 10% i 44%. Średnia wartość jittera

wyniosła 1,096431ms. Wielkość jittera dla pakietów VoIP przy tak obciążonej sieci LAN w

porównaniu do poprzednich wariantów wzrosła już w znacznym stopniu. Nie są to jednak

duże wartości biorąc pod uwagę ruch jaki panuje w sieci.

Jakość rozmowy może być już dla takich zmienności opóźnień znacznie gorsza niż w

przypadku mniej obciążonej sieci. Biorąc jednak pod uwagę zaawansowane możliwości

nawet darmowych aplikacji VoIP umożliwiających zniwelowanie wartości jittera stosując

bufor jittera. Co prawda zastosowanie takiego rozwiązania wprowadza dodatkowe

opóźnienia. Jednak przy stosunkowo małych wynikach opóźnień pakietów uzyskanych

podczas badań modelu opartego scenariusz LAN – DSL nie powinno mieć większego

wpływu na odczucie spadku jakości spowodowanego zwiększeniem sumarycznego opóźnia

pakietów.

Wartość średnia jittera według SLA firmy Verio dla komercyjnych usług VoIP nie

powinna przekraczać poziomu 0,5ms, a wartość maksymalna powinna być mniejsza od 10ms.

Według norm firmy QWEST wartość maksymalna jittera wynosi 2ms.


Praca dyplomowa jest własnością Pana inż. Rafała GadamskiegoWyniki dotyczące zmienności opóźnienia pakietów VoIP dla scenariusza 1 nawet w

przypadku obciążenia sieci ruchem tła w 60% są zadawalające i nie powinny być przeszkodą

w trakcie konwersacji. Dodatkowo należy zaznaczyć iż mowa jest tu o domowym

zastosowaniu aplikacji VoIP i transmisji głosu w sieci bez gwarancji jakości usług.

Wyniki i ocena wyników badań scenariusza 2 (DSL – DSL)

Wyniki badań opartych o scenariusz 2 (DSL – DSL) znajdują się w tabeli Tab. 4.2. Tak

jak założyłem w scenariuszu 2 zbadałem opóźnienia oraz zmienność opóźnień pakietów

VoIP. W tym wypadku opóźnienia badane były w zależności od przepustowości łącza DSL.

Jitter podobnie jak w poprzednim wypadku został wyliczony tylko dla wybranych wartości

opóźnień. Tab. 4.2

Wyniki badań dla scenariusza LAN – DSL.

Przepustowość łącza DSL [kb/s] Średnie opróżnienia pakietów [ms] Średnia wartość jitter [ms]

19 44872,916 NB*20 17828,213 NB*20,5 4581,081 NB*20,6 1959,733 NB*20,7 48,97 1,91083E-1221 48,55 NB*22 47,234 NB*24 44,931 NB*32 38,598 NB*44 33,416 1,92507E-1256 30,455 NB*64 29,098 1,93268E-12*NB – nie badano

Ocena opóźnień pakietów VoIP


Praca dyplomowa jest własnością Pana inż. Rafała GadamskiegoRysunek Rys. 4.8. przedstawia wykres opóźnień pakietów VoIP w funkcji

przepustowości łącza DSL. Jak widać w przedziale przepustowości do 20kb/s opóźnienia są

29,09833,41648,55

1959,733

44872,916

1

10

100

1000

10000

100000

15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

przepustowść łącza DSL [Kb/s]

opóź

nien

ia [m

s]

Rys. 4.8. Opóźnienia pakietów VoIP w funkcji przepustowości łącza DSL

duże. Pakiety z takimi opóźnieniami zostałyby uznane przez aplikację VoIP za pakiety

zagubione. Opóźnienia o tak dużej wartości wynikają z minimalnego zapotrzebowania na

przepustowość łącza zastosowanego kodeka VoIP. Kodek G.723.1 wymaga minimalnej

przepustowości 20,8kb/s. Jak widać na wykresie już przy przepustowości 20,7kb/s opóźnienia

spadły znacznie, a przy przepustowości 21kb/s opóźnienia osiągnęły poziom 48,55ms. Po

przekroczeniu tej granicy można zauważyć stopniowy spadek opóźnień pakietów VoIP.

W przedziale przepustowości 21kb/s – 32kb/s opóźnienia wahają się w granicy od 48ms

przy 21kb/s do 38ms przy 32kb/s. Są to małe wartości i mieszczą się w granicach opóźnień

0ms – 150. Przy takich opóźnieniach jakość usługi traktowana jest jako dobra. Opóźnienia

przy większych przepustowościach są jeszcze mniejsze i w znacznie mniejszym stopniu

wpływają na jakość usługi transmisji głosu i jeszcze mniejszym stopniu wpływają na jakość

konwersacji za pośrednictwem aplikacji VoIP.

Zmieniłem automatem kb/s na kb/s

Ocena jittera pakietów VoIP

Uzyskane wyniki jittera pakietów VoIP da drugiego scenariusza przedstawione są na

rysunkach Rys. 4.9., Rys. 4.10. oraz Rys. 4.11. Wyniki przedstawione na wykresach trudno

uznać za wiarygodne wyniki jittera pakietów VoIP. Tak małe wartości jittera w rzeczywistej

sieci telekomunikacyjnej są nie do uzyskania. Wartości wahają się w granicy błędu zegara


Praca dyplomowa jest własnością Pana inż. Rafała Gadamskiegoatomowego i są rzędu 10-14s. Wynikają one raczej z niedokładności działania podzespołów

komputera lub systemu operacyjnego.

0,000000000002176

0,000000000001717

0

5E-13

1E-12

1,5E-12

2E-12

2,5E-12

20 25 30 35 40 45 50

czas [s]

jitte

r [m

s]

Rys. 4.9. Jitter w funkcji czasu dla przepustowości łącza DSL 20,7kb/s

0

1E-12

2E-12

3E-12

4E-12

5E-12

6E-12

20 25 30 35 40 45 50

czas [s]

jitte

r [m

s]

Rys. 4.10. Jitter w funkcji czasu dla przepustowości łącza DSL 44kb/s



0

1E-12

2E-12

3E-12

4E-12

5E-12

6E-12

20 25 30 35 40 45 50

czas [s]

jitte

r [m

s]

Rys. 4.11. Jitter w funkcji czasu dla przepustowości łącza DSL 64kb/s

Podsumowując uzyskane wyniki badań dla obu scenariuszy można zauważyć, iż

największe opóźnienia pakietów VoIP oraz zmienność opóźnień pakietów VoIP zostały

uzyskane w scenariuszu 1 przy obciążeniu sieci LAN ruchem tła na poziomie 60% – 65%.

Opóźnienia pakietów VoIP nawet przy dużym obciążeniu sieci LAN ruchem tła przyjmują

wartości odpowiednio od 115ms dla obciążenia 60% do około 140ms przy 64% obciążeniu.

Biorąc pod uwagę tylko opóźnienia pakietów VoIP, jakość usługi transmisji głosu nawet przy

obciążeniu sieci w 65% i opóźnieniach niespełna 150ms mieści się w dolnej granicy

przedziału opóźnień, przy których jakość jest traktowana jako dobra. Wielkości zmienności

opóźnień pakietów VoIP dla obciążenia ruchem tła na poziomie 60% także mieszczą się w

dopuszczalnych granicach. Niestety biorąc pod uwagę oba te czynniki odczuwalna jakość

prowadzonej konwersacji przy użyciu aplikacji VoIP może spaść już w znacznym stopniu.

Większość mechanizmów pozwalających zmniejszyć wpływ jittera ze względu na

wprowadzenie dodatkowego opóźnienia na buforowanie pakietów stosuje się przy

opóźnieniach pakietów nie większych niż 100ms. Opóźnienie jakie wprowadza zazwyczaj

bufor jittera wynosi około 30ms.


Praca dyplomowa jest własnością Pana inż. Rafała GadamskiegoPozostałe wyniki opóźnień i jittera pakietów przenoszących próbki głosu są bardziej

optymistyczne i nawet po zastosowaniu w aplikacji VoIP wspomnianego bufora jittera nie

powinny znacznie wpływać na obniżenie jakości głosu.

Na podstawie uzyskanych w trakcie badań wyników można uznać iż technika VoIP nie

bez powodu staję się coraz bardziej doceniana wśród użytkowników domowych jak również

w firmach i wielkich korporacjach.

Telefonia internetowa w porównaniu do standardowych systemów telekomunikacyjnych

wypada bardzo dobrze pod względem wymaganej przepustowości łącza

telekomunikacyjnego. W systemie PCM dla jednej rozmowy zestawiany jest kanał o

przepływności 64kb/s na cały okres trwania połączenia, podczas gdy w technice VoIP przy

zastosowaniu kodeka G.723.1 wystarczy niespełna 21kb/s. Dodatkowo podczas gdy

rozmówcy przez pewien czas nie są aktywni aplikacja nie przesyła żadnych danych.

Niestety usługi VoIP oparte o nie przystosowany do tego typu usług protokół TCP/IP

przegrywa konkurencję pod względem niezawodności i jakości. Biorąc jednak pod uwagę

szybki rozwój VoIP oraz coraz lepszą jakość sieci IP, a także coraz częstsze stosowanie w

tych sieciach mechanizmów zapewniających jakość usług należy się spodziewać, iż technika

transmisji głosu w sieciach pakietowych zajmie w niedługim czasie znaczącą pozycję na

rynku telekomunikacyjnym wypierając powoli standardową telefonię.



5. WNIOSKI

Podsumowując pracę dyplomową sądzę, że udało mi się zrealizować wszystkie zakładane

cele, chodź oczywiście ostatnie zdanie należy do czytelników pracy i recenzenta.

W ramach scenariuszy badań przygotowałem w aplikacji COMNET III modele badanych

sieci w oparciu o które przeprowadziłem badania metodą symulacji komputerowej.

Uzyskałem w ten sposób zbiór wyników dla różnych wariantów obu scenariuszy co pozwoliło

mi na ich analizę. Wyniki badań i wnioski z analiz zostały przedstawione w rozdziale 4

niniejszej Pracy dyplomowej.

W ramach dążenia do realizacji zamierzonego celu, udało mi się poszerzyć swoją wiedzę

na temat sieci teleinformatycznych a w szczególności zagadnień dotyczących jakości usług,

ich miar i kryteriów oraz sposobów zapewniania jakości usług w sieciach IP.

Dzięki analizie tematu jak i wykonaniu pracy dyplomowej zapoznałem się także z metodą

badawczą jaką jest symulacja komputerowa. W szczególności z wykorzystaniem narzędzia

symulacyjnego jakim jest COMNET III będącym doskonałym narzędziem do symulacji i

badań procesów zachodzących w sieciach teleinformatycznych. Mam nadzieję, że zdobytą

dzięki realizacji pracy dyplomowej wiedzę i umiejętności będę mógł wykorzystać w

przyszłości w pracy zawodowej.

Dla uzupełnienia zbioru czynników mających wpływ na jakość usług VoIP pracę

należałoby jeszcze wzbogacić o pomiar zagubień pakietów w badanych modelach. Niestety w

aplikacji jakiej użyłem do badań nie ma takiej możliwości.

Kontynuując badania na temat jakości usług w sieciach IP w przyszłości na pewno

poszerzyłbym spectrum badanych czynników wpływających na jakość o zgubienia pakietów.

Do badań należałoby użyć bardziej zawansowanych aplikacji symulacyjnych jakimi są

niewątpliwie NS-2 oraz OMNeT.



LITERATURA

[1] Brachmański S.: VoIP-ocena jakości transmisji mowy metodami subiektywnymi.

[2] NetWorld: IP dochodzi do głosu, 05.2000

[3] http://akson.sgh.waw.pl

[4] CISCO AVVID: Broszura informacyjna

[5] Schulz T.: Voice over IP, (white paper), Eicon Techonology Corporation, 2000 http://www.eicon.com

[6] Dunsmore B., Skandier T.: Cisco. Technologie telekomunikacyjne, MIKOM, Warszawa 2003

[7] Norris M. Teleinformatyka, WKŁ, Warszawa 2002

[8] Wrażeń M., Jarmakiewicz J.: Sieci i systemy telekomunikacyjne

[9] www.chip.pl

[10] Całka J.: Organizacja transmisji głosu w sieci IP, STUDIA INFORMATICA 2001, Numer 2 (44)

[11] Scrimger R., LaSalle P., Leitzke C., Parihar M., Gupta M.: TCP/IP. Biblia, Helion, Warszawa 2002

[12] Cisco Systems, Inc.: Akademia sieci Cisco, CCNA semestr 1 i 2, wydanie II, Mikom, Warszawa 2005

[13] http://szmarcin.w.interia.pl/, Analiza możliwości realizacji usług telekomunikacyjnych przez sieć Internet

[14] Grzybek W., Janukiewicz J.: Jakość usług w sieciach IP, KST’2002

[15] ITU-T Recommendation X.902 (11/95): Information technology – Open distibutet processing – Reference

Model: Foundation

[16] ITU-T Recommendation E.800 (08/94): Terms and definitions related to quality of service and network

performance including dependability

[17] Jajszczyk A., Stankiewicz R.: Sposoby zapewniania gwarantowanej jakości usług w sieciach IP, PTiWT nr

2/2002

[18] Hardy W. C.: „QoS” Measurement nad Evaluation of Telecommunications Quality of Service, John Willey

& Sons Ltd., 2001 England

[19] Crawley E., Nair R., Rajagopalan B., Sandick H.: A Feamework for QoS-based Routing in the Internet,

RFC 2386, August 1998

[20] Ferguson P., Huston G.: Qaulity of Service in the Internet: Fact, Fiction, or Compromise?, INET98’,

Genewa 1998

[21] Audio-Video Transport Working Group: RTP: A Transport Protocol for Real-Time Applications, RFC

1889, January 1996

[22] Schulzrinne H., Casner S., Frederick R., Jacobson V.: RTP: A Transport Protocol for Real-Time

Applications, RFC 3550, July 2003

[23] ITU-T Recommendation G.114 (05/00): One-way transmission time

[24] ITU-T Recommendation G.1010 (11/01): End–User Multimedia QoS Categories

[25] Brachmański S., Łabno P.: Wpływ zagubień pakietów na zrozumiałość mowy w sieciach IP, KST '2002,

Instytut Telekomunikacji Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2002

[26] Braden R., Clark D., Shenker S.: Integrated Services in the Internet Architecture: an Overview, RFC 1633,

June 1994


http://szmarcin.w.interia.pl/

http://www.chip.pl/

http://www.eicon.com/

http://akson.sgh.waw.pl/

Praca dyplomowa jest własnością Pana inż. Rafała Gadamskiego[27] Black D., Carlson M., Davies E., Wang Z., Weiss W.: An Architecture for Differentiated Services, RFC

2475, December 1998

[28] Burakowski W., Kopertowski Z.: Sieci IP z jakością obsługi, , KST '2000, Instytut Telekomunikacji

Politechniki Warszawskiej, Wojskowy Instytut Łączności w Zegrzu

[29] Braden R., Zhang L., Berson S., Herzog S., Jamid S.: Resource ReSerVation Protocol (RSVP) - Vrsion 1

Functional Specification, RFC 2205, September 1997

[30] Wrocławski J.: The Use of RSVP with IETF Integrated service, RFC 2210, September 1997

[31] Shenker S., Partride C., Guerin R.: Specification of Guaranteed Quality of Service, RFC 2212, September

1997

[32] Wrocławski J.: Specification of the Controlled-Load Network Element Service, RFC 2211, September 1997

[33] Nicholas K., Blade S., Baker F., Black D., Definition of the Differentiated Services Field (DS Field) in the

IPv4 and IPv6 Headers, RFC 2474, December 1998

[34] Jacobson V., Nicholas K., Podusi K.: An Expedited Forwarding PHB, RFC 2598, June 1999

[35] Heinanen J., Baker F., Weiss W., Wrocławski J.: Assured Forwarding PHB Group, RFC 2597, June 1999

[36] Nawojczyk D.: Komputerofon - Przegląd programów do rozmów VoIP, http://www.chip.pl/

[37] http://www.counterpath.com/

[38] http://www.skype.com/

[39] http://skype.onet.pl/

[40] http://www.eteria.pl/

[41] http://web.net2phone.com

[42] http://www.easycall.pl/

[43] http://spik.wp.pl

[44] www.tlenofon.pl/

[45] http://www.gadu-gadu.pl/

[46] Pencak Z.: Inżynieria sieci telekomunikacyjnych, WSISiZ, Warszawa 2001

[47] http://encyklopedia.pwn.pl

[48] Voice Over IP – Per Call Bandwidth Consumption, Cisco Systems, Inc., 2005


http://encyklopedia.pwn.pl/

http://www.gadu-gadu.pl/

http://www.tlenofon.pl/

http://spik.wp.pl/

http://www.easycall.pl/

http://web.net2phone.com/

http://www.eteria.pl/

http://skype.onet.pl/

http://www.skype.com/

http://www.counterpath.com/

http://www.chip.pl/

Documents

OCENA JAKOŚCI USŁUG TRANSMISJI MOWY W SIECIACH IPinfo.wsisiz.edu.pl/~nowickr0/raf/Rafa%B3%20Gadamski%20praca%20... · technologii VoIP wystarczającą szerokością pasma okazuje