Способ оценки зависимости качества связи в системах IP-телефонии от критических параметров IP-сети

Введение

На сегодняшний день системы IP - телефонии активно развиваются в России. По результатам исследования рынка корпоративной IP-телефонии в России [1] выявлено, что доля корпоративной IP - телефонии на 2010г составляла 39%, ее прогнозируемый прирост на 2010г. составлял 13%. Анализ результатов исследования [2] показывает, что в первом квартале 2011 г. доля прироста частного сегмента IP-телефонии составила 11%.

Полученные результаты, объясняются экономической эффективностью использования систем IP-телефонии, увеличением количества предлагаемых моделей и расширением спектра сервисов, поддерживаемых системами IP-телефонии, надеждами на повышение качества IP-телефонии. Расширение спектра предоставляемых сервисов и модельного ряда характеризует маркетинговую политику производителей оборудования. В то время как повышение качества связи при использовании IP - сетей – это решение самой главной проблемы организации информационной безопасности IP-телефонии. Так как обеспечение качества связи позволяет обеспечить доступность и целостность голоса, передаваемого в IP-телефонии. Доступность и целостность столь же важные постулаты безопасности, наряду с конфиденциальностью, которой обычно уделяют самое большое внимание. Решение проблемы качества связи зависит в первую очередь от понимания того как оценивать качество и какие параметры сети передачи данных оказывают наибольшее влияние на качество связи.

Способы оценки качества связи

Оценка качества связи может осуществляться различными методами:

• метод, использующий усредненный показатель мнений о качестве MOS (MeanOpinionScore) и представленный в [3] и [4];

• метод, использующий рейтинг R (QualityRating), определяемый с применением Е-модели [5].

Официально рекомендуемым способом оценки качества IP- и других типов речевой связи является MOS.Оценка MOS в соответствии с [2] осуществляется по пятибалльной шкале. При использовании данной шкалы самому плохому качеству связиприсваивается оценка 1, а самому хорошему качеству связи присваивается оценка 5. Оценку качества связи осуществляет группа людей по звучанию тестовых речевых шаблонов, передаваемых по каналам, поддерживающим разное качество связи. Таким образом, данная оценка является субъективной и может варьироваться от группы к группе. Тем не менее, при достаточно большой выборке может быть получена достаточно точная оценка. Данный алгоритм оценки позволяет понять удовлетворенности пользователей воспринимаемым качеством обслуживания. Результаты исследований [6] показывают следующее:

• очень высокая оценка составляет 4,00 и выше;

• высокая оценка составляет 3,50 – 4,00;

• приемлемая оценка составляет 3,00 – 3,50;

• синтезированный звук получает оценку 2,50 - 3,00.

При использованииосуществлении оценки, с использованием рейтинга R используется сто бальная шкала. Единицы MOS связаны с R сложной нелинейной зависимостью [5]. Данные методы оценки:

• характеризуют QoE - воспринимаемое качество обслуживания;

• являются субъективными;

• не позволяют автоматизировать процесс оценки.

Поэтому для оценки качества передачи голоса в реальных системах и приложениях используется другой показатель качество обслуживания, учитывающий влияние различных параметров работы IP-сети на общую величину качества передачи голоса. Определены критические параметры IP-сети, влияющие на качества связи при передаче голоса:

• задержки при передаче пакетов;

• джиттер (вариация задержки при передаче пакетов);

• потеря пакетов.

На данный момент еще не решена задача по связи значения QoE с критическими параметрами IP – сети.

Характеристика влияния критических параметров IP – сети на воспринимаемое качество обслуживания

В системах IP-телефониивремя ожидания, означает период времени, за который голос проделывает путь от источника до получателя. Данный параметр характеризует запаздывание. Существует три типа задержки:

• задержка на распространение зависит от длины пути, который должен пройти свет по оптоволоконному кабелю или электрический импульс по медным проводам;

• задержка на сериализацию зависит от времени, в течение которого бит или байт помещается в интерфейс (данная задержка пренебрежимо мала);

• задержка на обработку зависит от фактического пакетирования, сжатия и коммутации пакетов.

Джиттер – это неравномерность периодов времени на доставку пакетов. Данный параметр характерен только для пакетных сетей передачи данных. Данный параметр добавляет в передаваемую речь дребезг.

Потеря пакетов в сетях передачи данных – явление, зависящее от используемого транспортного протокола. В сетях передачи данных возникновение критического трафика требует контроля суммарных потерь пакетов.

Решение задачи по связи значения QoE с критическими параметрами IP – сети

В работе [7] был проведен анализ соответствия оценки QoE и значений критических параметров IP – сети. Было выявлено, что значения оценок не совпадают. Анализ проводился для 4 приложений Skype, Gizmo5, Damaka, andVoo 100 студентами в возрасте от 19 до 28 лет, длительность разговора по каждому из приложений составляла 120 секунд, причем при разговоре с обеих сторон находились участники - оценщики. При оценке качества обслуживания использовалось ПО Wireshark и специальный скрипт, отслеживались параметры: полоса пропускания, задержка, джиттер, потеря пакетов.

Необъективность данной оценки заключается в том, что при каждом эксперименте качество исходного (прослушиваемого) голоса было различным, так как на обеих сторонах были участники – оценщики, голос различных людей может восприниматься по-разному. Кроме того в ходе данного эксперимента не менялась полоса пропускания, не менялись нагрузки в сети, поэтому отследить критические значения параметров, при которых качество связи являлось неприемлемым невозможно. В ходе описанного эксперимента не проводилась и оценка существующих систем обеспечения качества обслуживания. Снятие ограничений данного исследования – задача данной работы.

Описание модели оценки зависимости качества связив системах IP-телефонии от критических параметров IP – сети

Задачи данной работы:

• определение степени влияния параметров IP – сети (проводных и беспроводных), таких как задержка, джиттер и потеря пакетов, на качество связи. Данное сопоставление позволит разработать метод автоматизированной оценки качества передаваемой связи;

• степень повышения качества связи при использовании существующих моделей повышения качества обслуживания QoS.

Данная задача будет решаться путем оценки звучания тестовых речевых шаблонов (120 секунд)участников– оценщиков по методике MOSи с использованием рейтинга R с одной стороны. Установки и оценки критических параметров IP-сети, с помощью программно-аппаратных средств с другой стороны. После того, как будет сформирована взаимосвязь между критическими параметрами IP-сети и MOS (R), будет проведена оценка существующих моделей повышения качества обслуживания QoS, реализуемых средствами оборудования Cisco. Оценка будет производиться как для проводных, так и для беспроводных сетей связи, построенных на оборудовании Cisco. Оценку будут производить студенты в возрасте от 16 до 23 лет.

Решение данной задачи будет решаться на стенде.

Стенд состоит из:

• источника голосового сообщения;

• устройство управления;

• канала передачи данных, с регулируемым количеством передаваемых пакетов;

• приемника голосового сообщения;

• анализатора, позволяющего отслеживать критические параметры IP – сети.

Источник голосового сообщения должен позволять формировать исходное сообщение со следующими свойствами:

• постоянное по качеству;

• продолжительное по времени.

В нашем случае это можно сделать, записав исходное сообщение на диктофон. Длительность сообщения должна позволять провести эксперимент с различным количеством пакетов в канале.

Устройство управления – с помощью этого устройства возможно менять кодеки, используемые при передачи голоса, реализовывать различные существующие и реализованные модели QoS.

Модель негарантированной доставки -BestEffortService. Обеспечивает простое увеличение пропускной способности без какого-либо выделения отдельных классов трафика и регулирования.

Модель Интегрированного сервиса - IntegratedService (IntServ). Описана в[8].Модель интегрированного обслуживания обеспечивает сквозное (End-to-End) качество обслуживания, гарантируя необходимую пропускную способность. IntServ использует для своих целей протокол резервирования сетевых ресурсов RSVP (протокол), который обеспечивает выполнение требований ко всем промежуточным узлам.

Модель дифференцированного обслуживания -DifferentiatedService (DiffServ). Описана в [9], [10]. Обеспечивает QoS на основе распределения ресурсов в ядре сети и определенных классификаторов и ограничений на границе сети, комбинируемых с целью предоставления требуемых услуг. В этой модели вводится разделение трафика по классам, для каждого из которых определяется свой уровень QoS. DiffServ состоит из управления формированием трафика (классификация пакетов, маркировка, управление интенсивностью) и управления политикой (распределение ресурсов, политика отбрасывания пакетов). DiffServ является наиболее подходящим примером «умного» управления приоритетом трафика.

Канал передачи данных должен обладать постоянной пропускной способностью. Должна быть возможность загрузки канала пакетами данных, передаваемых с помощью протоколовс установлением соединения и без установления соединения на транспортном уровне (UDP и TCP пакеты). Это позволяет сделать программа jperf. Загрузка канала пакетами производится с некоего начального значения с определенным шагом до значения, при котором эксперт оценит качество связи как неудовлетворительное.

В качестве приемника голосового сообщения должен выступать участник – оценщик, который выставляет оценку качества связи (R-Factor, MOS) на каждом шаге эксперимента в соответствии со своими субъективными ощущениями. Причем количество экспертов должно позволять сформировать усредненное статистическое значение R-Factor и MOS при разном значении критических параметров.

Анализатор должен позволять отслеживать критические параметры IP – сети (задержку, джиттер, потерю пакетов). Необходимо, чтобы анализ перехваченных пакетов можно было провести как в режиме реального времени, так и после проведенного эксперимента, путем просмотра статистики. Для каждого голосового потока RTP необходимо отследить следующие параметры:

• межпакетные интервалы – временное распределение пакетов RTP в потоке (задержку);

• джиттер потока;

• кол-во пакетов – количество пакетов RTP в секунду включая повторные, потерянные и искаженные пакеты;

• полосу пропускания потока – скорость потока в Кбит/c;

• размеры пакета – средние размеры пакетов RTP в виде четырех диаграмм (весь пакет, RTP-нагрузка, RTP-заголовок, сетевой заголовок).

Программа Commview удовлетворяет всем выше перечисленным условиям.

Реализация и анализ данной модели позволит понять влияние различных критических параметров работы IP-сети на общую величину качества передачи голоса.

Результат

В данной работе была выявлена основная проблема, связанная с отсутствия стандартизованного метода автоматизированной оценки качества связи. Проведен анализ существующих методов оценки, решений данной проблемы. Было выявлено, что при сопоставлении критических параметров IP – сетей, таких как задержка, джиттер и потеря пакетов, и воспринимаемого качества обслуживание важно:

• использовать одинаковые тестовые речевые шаблонов (120 секунд);

• использовать одну IP-сеть;

• при передаче голосовых пакетов осуществлять изменение полосы пропускания, изменять нагрузкуна сеть.

В дальнейшем при использовании полученных результатов, планируется разработать автоматизированную методику оценки качества связи.

Результаты, полученные при оценке существующих моделей QoS, позволят сформировать оптимальную сеть передачи данных, позволяющую поддерживать необходимое качество связи.

Литература:

1. DiscoveryResearchGroup. Исследование российского рынка IP-телефонии, 2010г.

2. Discovery Research Group Исследование российского рынка IP-телефонии, 2011г.

3. ITU-T Recommendation P.800 (08/1996). Methods for subjective determination of transmission quality.

4. ITU-T Recommendation P.830 (02/1996). Subjective performance assessment of telephone-band and wideband digital codecs.

5. TU-T Recommendation G.107 (07/2002). The E-Model, a computational model for use in transmission planning.

6. URL: http://sirko-nn.ru/node/13 (дата обращения: 14.02 2011).

7. Maria-Dolores Cano, Fernando Cerdan, Subjective QoE analysis of VoIP applications in a wireless campus environment. Springer Science, 2010г.

8. RFC 1633. Integrated Services in the Internet Architecture: an Overview, 1994г.

9. RFC 2474.Definition of the Differentiated Services Field (DS Field)in the IPv4 and IPv6 Headers, 1998г.

10. RFC 2475.An Architecture for Differentiated Services, 1998г.