Полная версия

Главная arrow Информатика arrow Введение в инфокоммуникационные технологии

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Контроль и качество передачи

Приложения реального времени, такие как передача голоса по 1Р, представляют собой проблему для сетей передачи данных. Трудности с обеспечением производительности и неправильная настройка в конвергентных сетях могут отрицательно повлиять на работу критически важных голосовых приложений и приложений передачи данных. Предприятиям следует держать под контролем весь жизненный цикл VoIP — начиная с внедрения и заканчивая последующими сценариями расширения.

Даже в условиях все более широкого распространения технологии передачи голоса по IP, связанные с ней требования осознают еще не все заинтересованные стороны. Поставщики стараются убедить предприятия, что VoIP внедрить легко, поэтому многие сетевые администраторы исходят из того, что их сети функционируют правильно, если они могут измерить такие базовые параметры, как латентность (задержка), уровень потери пакетов и частота отказов. Однако голосовые и прочие приложения реального времени нельзя приравнивать к приложениям обработки и передачи данных.

Передача голоса по IP является главнейшим из критически важных для предприятия приложений. Оно должно функционировать безупречно. Самые крупные современные сетевые инфраструктуры оптимизированы для передачи данных, но не конвергентного трафика данных и голоса. В то время как в сетях передачи данных нормальной считается готовность уже в 99,9%, указанное значение не отвечает ожиданиям в отношении телефонных систем, которым, скорее, требуются знаменитые «пять девяток» — готовность на уровне 99,999 %. При уменьшении готовности до 99,9 %, время простоя увеличилось бы с 26 с до 43 мин в месяц — на первый взгляд разница незначительная, но в ответственные периоды простои связаны с крайне высоким риском для предприятий.

Для того чтобы пользователи признали новую технологию, при вводе в эксплуатацию телекоммуникационной системы на базе IP должны обеспечиваться высочайшее качество и абсолютно бесперебойная работа. Нередко первое развертывание системы проходит без осложнений. Реальные проблемы возникают, когда необходимо подключить вторую или большую по размерам группу пользователей либо когда происходит переход с высокоскоростной локальной сети на значительно более медленное подключение к глобальной. Менеджеры ИТ зачастую пытаются решать возникающие проблемы путем увеличения пропускной способности, продолжая следовать распространенному заблуждению, что таким образом можно добиться требуемого качества передачи. Однако, к сожалению, трудности со снижением производительности VoIP не удается свести к проблемам с пропускной способностью или производительностью.

Потеря пакетов или их непоследовательный прием составляют значительную часть проблем, имеющих отношение к качеству услуг (Quality of Service, QoS) в системах передачи голоса по IP. Протокол TCP способен решить их путем повторной передачи, но VoIP работает с протоколом UDP, и поэтому потеря пакетов отрицательно сказывается на качестве разговора. Именно при переходе с традиционных соединений глобальных сетей на многопротокольную коммутацию в соответствии с метками (Multi-Protocol Label Switching, MPLS), зачастую принимаются «произвольные» решения в отношении настроек класса услуг (Class-of-Service, CoS).

Хотя приложения реального времени, в частности передача голоса или видео по IP, обрабатываются в первую очередь, тем не менее результирующее воздействие, оказываемое на другие, столь же критически важные для предприятия приложения, недооценивается. В итоге приложения TCP после перехода на VoIP работают значительно медленнее, и это замедление можно измерить.

Основной предпосылкой успешного внедрения является наличие стратегического плана для управления производительностью VoIP и приложений. Этот план на протяжении всего жизненного цикла VoIP будет обеспечивать прозрачность от периферии до центра сети. Оценка, постоянный мониторинг, управление, а также оптимизация и планирование будущего роста — вот четыре важнейших компонента так называемой стратегии AMMO (Assess, Monitor, Manage, Optimize — оценка, мониторинг, управление, оптимизация).

Оценка (Assess). Проект VoIP может быть успешным лишь в том случае, если голосовой трафик и трафик критически важных для предприятия данных сосуществуют бесконфликтно. Благодаря всеобъемлющей оценке всей сетевой инфраструктуры можно исключить появление значительных проблем, связанных с производительностью приложений и развертыванием VoIP. Кроме того, безусловно, требования к назначению приоритетов для передачи голоса по IP должны быть ясно определены, поскольку соответствующий трафик характеризуется нетерпимостью к ошибкам. Трафик VoIP должен получать более высокий приоритет по сравнению с пакетами данных, что в свою очередь может отрицательно сказаться на продвижении данных в сети. Вот несколько факторов, на которые следует обратить внимание:

  • • учет и мониторинг нагрузки на сеть и ее производительности перед внедрением VoIP;
  • • генерирование синтетического трафика VoIP (прогнозирование качества вызова);
  • • определение уровня сервиса.

Оценка представляет собой наиболее эффективный метод. Изменения, предпринимаемые администратором для оптимизации VoIP на данном этапе, приводят к бесперебойному внедрению и повышению производительности, а также предотвращают возникновение проблем на следующих этапах жизненного цикла VoIP.

Мониторинг (Monitor). Фундаментальной предпосылкой проактивного мониторинга является распознавание потенциальных проблем до того, как снизится производительность. В качестве примеров подобного рода можно привести пики трафика Web, способные отрицательно повлиять на качество голоса, или неожиданно большое число одновременных вызовов, которые могут помешать другому, критически важному для предприятия приложению.

Проблемы с производительностью нужно распознать и устранить до того, как они приведут к снижению продуктивности работы пользователей. Благодаря возможности получать отчеты о полной истории изменения производительности администратор сможет восстановить цепь событий, произошедших до какого-либо определенного момента времени, быстро определить причины отказа и сократить среднее время устранения неполадок. Постоянный мониторинг должен осуществляться в нескольких точках сети: в ядре (центральные серверы), на отдельных маршрутизаторах, в разбросанных по сети пунктах, а также в каналах глобальной сети. Наибольшее внимание следует уделить выбору точек измерения в средах MPLS.

Управление (Manage). Проблемы с передачей голоса по IP могут иметь множество причин: физические проблемы в абонентской сети, перегруженный порт, неправильно сконфигурированный класс услуг или возникновение значительной вариации времени задержки непосредственно в приложении передачи голоса.

Необходима всеохватывающая стратегия управления и диагностики ошибок, поскольку минуты и секунды могут иметь определяющее значение для продуктивности работы. Спорадически возникающие проблемы зачастую скрывают в себе еще большие опасности, нежели проблемы, проявляющиеся в реальном времени: они возникают и исчезают или усугубляются с течением времени. При передаче голоса по IP особенно важно выявлять и устранять нерегулярно возникающие проблемы до того, как они разрастутся и станут мешать работе пользователей. Поэтому сетевые администраторы должны проводить диагностику проблем, связанных с абонентской сетью, портами и параметрами качества услуг по всему предприятию.

Оптимизация (Optimize). Бесперебойное использование VoIP — процесс непрекращающийся, требующий планирования емкости сети и управления трафиком, определения основных параметров производительности и систематического улучшения работы. Наконец, это вопрос прозрачности и управления. Менеджер ИТ, принимая решение о способах повышения производительности конвергентной сети, должен опираться на информацию об управлении всей инфраструктурой. Вместо того чтобы угадывать причины падения производительности, он, благодаря возможности получения подробного обзора состояния сети, способен обоснованно решать следующие задачи:

  • • максимально эффективное использование и тонкая настройка возможностей CoS в рамках внедрения MPLS;
  • • повышение уровня сервиса по договоренности с провайдером услуг;
  • • назначение приоритетов трафику, с тем чтобы критически важные для предприятия и наиболее чувствительные к задержкам приложения получали преимущество;
  • • планирование будущего роста и изменений (к примеру, повышение пропускной способности).

Многие предприятия решаются на поэтапное внедрение VoIP. Они начинают с пилотного проекта, который постепенно расширяется. Поскольку любые изменения (как запланированные, так и не запланированные) могут повлиять на производительность VoIP, новые требования надо определять заблаговременно. Данные об основных параметрах имеющейся системы и тенденциях, проявляющихся в ее работе, могут оказать помощь при расчете оптимальной величины емкости сети для намечающихся расширений.

Управление жизненным циклом в рамках стратегии AMMO предоставляет обширные практические рекомендации для обеспечения высокой производительности VoIP. Чтобы пользователь извлек пользу из отдельных этапов оценки, мониторинга, управления и оптимизации, ему необходим обширный и глубокий обзор состояния сети. В противном случае он не сможет распознавать новые проблемы или даже управлять сетью для успешного обеспечения ее высокой производительности. Если благодаря наличию управляющей информации от центра до периферии сетевые администраторы смогут получить полный обзор сети передачи голоса и данных во всех пунктах маршрута VoIP, они сумеют обеспечить предсказуемую сквозную производительность всех приложений в локальной и глобальной сетях.

Ранее мы рассматривали протоколы, касающиеся одной из ключевых проблем VoIP — установления, поддержания и прекращения мультимедийного соединения в условиях составной сети, одна часть которой (или несколько) работает по протоколу ТфОП, а другая (или другие) по протоколу IP.

Оба элемента такой сети являются в значительной степени антиподами: ТфОП создавалась как сеть передачи аналоговых речевых сигналов, в некоторой степени толерантных к ошибкам, но очень чувствительных к задержке, и ее вариации (jitter), тогда как сеть на базе протокола IP появилась и развилась как сеть передачи данных, терпимая к задержке, зато чувствительная к ошибкам.

Таким образом, необходимо приспособить часть сети VoIP, работающую по протоколу IP, для передачи стандартного телефонного сигнала. Более того, в связи с появлением приложения IPTV сеть VoIP должна качественно передавать не только речевую, но и видеоинформацию. Говоря кратко, перед сетью VoIP стоит задача обеспечения качества доставки (Quality of Service, QoS) мультимедийной информации. Заметим, что требования к качеству доставки пакетной информации зависят от типа приложения.

Так, некоторые приложения устойчивы к потере пакетов, причем небольшую их часть можно даже восстановить на основе принятых данных. К такому типу относится большая часть мультимедийных приложений, в первую очередь аудио- и видеоприложения. Допустимый процент потери пакетов не должен, как правило, превышать 1 %. В то же время для таких видов мультимедийного трафика, как сжатые аудио- и видеосигналы, характерна очень большая чувствительность к потере пакетов, и для них даже 1 % является недопустимым.

Далее, говоря о QoS, мы будем иметь в виду механизмы, посредством которых можно обеспечить требуемое качество доставки конкретного мультимедийного приложения. Эти механизмы будут обсуждаться на примере телефонного соединения VoIP.

Проблемы качества соединения VoIP уже упоминались в примере, где говорилось о двух работающих совместно ключевых протоколах надежной доставки пакетной информации реального времени — о транспортном протоколе реального времени (RTP), предоставляющем транспортные услуги мультимедийным приложениям, и управляющем протоколе реального времени (RTCP), который обеспечивает управление потоком данных и контроль перегрузки.

Надо сказать, что не существует точной оценки качества ни речевого, ни телевизионного сигналов, поскольку они зависят от восприятия человека, т.е. такая оценка в значительной степени субъективна. На помощь приходит статистика. Например, для оценки качества речи была предложена так называемая средняя экспертная оценка (Mean Opinion Score, MOS). Она формируется на основе большого числа испытаний, в каждом из которых участвует множество экспертов. Возможные значения MOS находятся в пределах от 1 до 5. Средний показатель с цифрой 4 соответствует хорошему качеству речевого соединения, менее 3,5 означает неудовлетворительное качество.

На рис. 2.3 приведены логические оценки качества телефонного сигнала, соответствующие разным областям значений MOS. Оценивать можно и с помощью коэффициента R в процентах. Если R превышает 93 %, значит, качество передачи телефонного сигнала хорошее. Абонент замечает ухудшение качества при значениях R менее 70 %.

При наличии стойкой тенденции уменьшения значений MOS и R обычно проводится детальное тестирование соединения с целью определения возможной причины ухудшения показателей.

Логические оценки качества телефонного сигнала

Рис. 2.3. Логические оценки качества телефонного сигнала

Качество телефонного соединения зависит от условий, в которых находятся пользователи.

Применительно к соединению VoIP MOS дает интегральную оценку влияния на качество речи таких факторов, как вносимая задержка, ее вариация, потеря пакетов, эхо, условия помещения и др.

Задержка пакетов (delay/latency) зависит от множества факторов, включая методы обработки и преобразования сигнала, свойства сетевого оборудования, используемой среды передачи и т.д.

Для достижения удовлетворительного качества время задержки пакетов соединения VoIP не должно превышать 150 мс. Правда, нередко в соединении VoIP присутствуют спутниковые участки со временем задержки до 500 мс, однако не все пользователи замечают это, а некоторые достаточно успешно адаптируются.

Задержка в сетях VoIP складывается из четырех составляющих:

  • • задержки распространения (propagation delay) вследствие конечной скорости распространения сигнала в среде передачи (меди, волокне, спутниковой линии и др.);
  • • задержки пакетов в сетевых устройствах (handling delay), когда требуется время для формирования пакетов, сжатия, коммутации и т.д.;
  • • задержки при преобразовании битов в байты на интерфейсах (serialization delay), которая, как правило, существенно меньше двух первых составляющих;
  • • специфической для пакетных сетей «задержки в очереди» (queuing delay), возникающей при задержке пакетов, вызванной перегрузкой сети.

Вариация задержки в соединении VoIP является результатом флуктуации времени отправления и прибытия пакетов. Если два узла не подключены к одному коммутатору, то возможно изменение задержки от пакета к пакету. Когда соединение перегружено, вариация задержки растет. Для таких приложений, как загрузка файлов и серфинг в Web, это, как правило, не так уж и важно. Однако потоковое видео и IP-телефония очень чувствительны к величине вариации. Для борьбы с ней обычно используют специальные буферы памяти, что остается эффективным лишь до определенного предела, поскольку буфер большей емкости увеличивает общее время задержки пакетов. Так, увеличение емкости буфера до 300 мс может заметно ухудшить качество соединения VoIP.

Таким образом, хотя время задержки и ее вариация являются принципиально разными понятиями, они взаимосвязаны. Допустимая величина вариации задержки лежит в диапазоне от 100 до 150 мс.

Буферы для компенсации вариации задержки бывают двух типов — статический и динамический. Динамический обычно увеличивает свою емкость, опираясь на результаты анализа вариации задержки нескольких последних пакетов.

Потеря пакетов может быть причиной ухудшения качества соединения VoIP. Сброс (потеря) пакетов чаще всего возникает при перегрузке соединений и приводит к пропаданию целых фрагментов данных из потока передачи, нарушению соединений и другим проблемам. Более того, возможна повторная передача сброшенных пакетов, что только усугубляет проблему.

Все время работы соединения VoIP можно условно разбить на два периода — потери отдельных пакетов и потери множества соседних пакетов. Сброс отдельных пакетов (gap) практически не влияет на качество соединения, поскольку имеющиеся методы позволяют это скрыть. Параметрами gap являются плотность, т. е. отношение длительности соответствующего интервала к общему времени разговора, процент потерянных пакетов за определенный период и его средняя длительность.

Сброс большого числа соседних пакетов обычно происходит на участках высокой плотности, когда пакеты передаются пачками (burst). В подобных ситуациях качество соединения VoIP может серьезно ухудшиться. Оценкой этого параметра является процентное содержание пачек пакетов во время соединения, а также плотность пачек, т.е. средний процент потерянных пакетов в пачке.

Для восстановления используется целый ряд механизмов (рис. 2.4). Если пакет не принят в ожидаемое время (оно может быть переменным), то считается потерянным и заменяется последним успешно принятым пакетом. Поскольку потеря пакета приводит к утрате всего 20 мс речевого сигнала, то абонент не заметит замены. Такой механизм называется «стратегией скрытия» (Concealment Strategy). При ее использовании для кодеров G.729, согласно неписаному правилу, допускается потеря до 5 % пакетов в сеансе связи. Следует отметить, что указанный механизм эффективен только при потере отдельных пакетов.

Эхо при разговоре нередко приводит к существенному ухудшению качества телефонного разговора. Основным источником этого явления в традиционной ТфОП является отраженный сигнал в дифференциальной системе Hybrid местной АТС, где проис-

Механизмы восстановления

Рис. 2.4. Механизмы восстановления

ходит стык четырехпроводной части телефонного соединения с двухпроводной абонентской линией собеседника.

В традиционной ТфОП применяются так называемые эхопо- давители (Echo Cancellers). Эхо характеризуется громкостью и длительностью — чем больше эти показатели, тем неприятней эффект. Допустимым считается величина запаздывания порядка 25 мс.

В современных пакетных сетях эхоподавители встраиваются в низкоскоростные речевые кодеки. Основным параметром таких устройств является время ожидания приема отраженного сигнала (Echo Tail), реальные значения которого могут составлять 16, 24, 32, 64 и 128 мс. Очень важно точно сконфигурировать величину ожидания при первоначальной настройке оборудования VoIP. Если величина времени срабатывания эхоподавителя установлена неточно, то участники разговора будут слышать собственное эхо.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>