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Arquitetura de Monitoração de
Chamadas Telefônicas IP
Defesa de Dissertação de Mestrado do IM/NCE
Universidade Federal do Rio de Janeiro
Mestrando: Leandro Caetano Gonçalves Lustosa
Orientador: Prof. Paulo Henrique de Aguiar Rodrigues, PhD.
Junho de 2005
Serviços de Voz sobre IP (VoIP)
• Expansão do mercado
– Consolidação da tecnologia
– Aumento de largura de banda
– Demanda dos usuários
• Problemáticas
– Voz é extremamente sensível a parâmetros de Qualidade de
Serviço (QoS)
• Importância da monitoração da qualidade de
chamadas de forma precisa e abrangente
–
–
–
–
Monitoramento do serviço
Detecção de problemas
Validação de novas configurações de rede
Acompanhamento do grau de satisfação dos usuários
Soluções de monitoração existentes
Metodologia
Coleta de CDR de
gateways de voz
Simulação de chamadas
através de agentes
distribuídos
Desvantagens
• Não leva em
consideração telefones IP
CESNET e ECAS
• Não obtém estatísticas de
chamadas reais
HUANG, CHAO e LIU
• Amostragem pode não
ser fiel à realidade
• Não analisa chamadas
criptografadas
Monitoramento passivo
Exemplos
• Chamadas ponto-a-ponto
podem não ser analisadas
BROOM e HOLLIER e
diversas soluções
comerciais
Definição de uma nova arquitetura de
monitoração
• Metodologia
– CDRs coletados diretamente de telefones IP e
gateways de voz
– Especificação de um novo formato de CDR (Voice
Quality CDR)
• Especializado para monitoração de qualidade de chamadas
VoIP
• Vantagens
– Mais abrangente, pois é capaz de avaliar todas as
chamadas reais
• Criptografadas
• Ponto-a-ponto
Implementação
• Implementação de biblioteca para
avaliação de qualidade e emissão
de VQCDR, denominada VQuality
Integração desta biblioteca a
telefones IP e gateways de voz
Gateway de
Voz com
emissão de
VQCDR
VQCDR
VQCDR
• Coleta, autenticação e
armazenamento de VQCDR
VQCDR Server
ut B
en as
tic e
aç
ão
A
rm
az Ba
en se
am
en
to
– Entidade central (VQCDR Server)
A
•
Telefone IP
com emissão
de VQCDR
Métodos de avaliação de qualidade de voz
• Subjetivos
– Conjunto de avaliadores ouvintes atribuem um
pontuação de 1 (péssimo) a 5 (excelente)
– A pontuação de opinião média, ou MOS (Mean
Opinion Score) avaliam o sistema de transmissão
– Método caro, demorado e de difícil implantação
• Objetivos
– Uso recursos computacionais para inferir a qualidade
– Implementação mais barata, rápida e simplificada
Métodos objetivos
• Perceptuais
– Comparação de um sinal de referência (trecho de voz
previamente gravado) com o sinal degradado (submetido a
sistema de transmissão)
– Exemplos
• Perceptual Speech Quality Measure (PSQM) – ITU-T P.861
• Perceptual Analisys Measurement System (PAMS)
• Perceptual Evaluation of Speech Quality (PESQ) – ITU-T P.862
• Modelo E
– Análise dos fatores que influenciam a qualidade da voz
• Atraso, perda na rede, descarte no buffer de compensação de jitter,
distorção inerente do codec, etc
– Avaliação de cada um desses fatores em separado
• Melhor diagnóstico de problemas de transmissão mais preciso
– Capacidade de operação em tempo real
Modelo E
Saída do modelo (de 0 a
100). Pode ser convertida
para a escala MOS
Perdas defasadas com
relação ao sinal de voz:
- atraso
R = Ro - Is - Id - Ie + A
Nível de
ruído básico
Perdas simultâneas à fala:
- ruído de quantização
Perdas relativas à
tecnologia associada:
- perda de pacotes na
rede
- descarte no buffer
de compensação de
jitter
- codec utilizado
Fator de vantagem:
0 (telefonia fixa)
10 (telefonia celular)
20 (enlace satélite)
Determinação de Id
Id
Ta
Atraso do
codificador
Atraso
da rede
Tabelado –
ITU-T G.114
Atraso
absoluto
Atraso do
buffer de
compensação
de jitter
Conhecido apenas
pela aplicação
Calculado pela
pilha RTP/RTCP
Buffer de compensação de jitter
imo ximo imo
n
í
m má mín
o
s
so
so
ra
At Atra Atra
o
xim nimo ximo
á
m mí
má
o
s
o
o
s
s
ra
At Atra Atra
TX 1 2 3
TX 1 2 3
RX
RX
∆
Reprodução
Atraso
Rede Buffer
1 MIN
∆
2 MAX
0
3 MIN
∆
∆
1 2 3
∆
Atraso
Rede Buffer
1 MAX
∆
2 MIN
2∆
3 MAX
∆
∆
∆
Reprodução
0
1 2 3
∆
2∆
∆
• Para variação de atraso na rede = ∆ é necessário um tamanho de buffer = 2∆
• Atraso absoluto = (atraso 1º quadro) + (tam. buffer)/2 + (atraso codec)
• O buffer pode ser reiniciado em momentos de silêncio
Determinação de Ie
Valores
específicos para
cada codificador
Degradação
inerente
Fator de
robustez
Considerados
uniformemente
distribuídos
Conhecido apenas
pela aplicação
Codificador
Perda na
rede
Descarte no
buffer de
compensação de
jitter
Ie
Influência da distribuição de perdas
Chamada A (perdas isoladas)
Pacote recebido
Pacote perdido
Chamada B (perdas em rajadas)
Ambas as chamadas possuem 25% de perda (12 perdas em 48 pacotes).
Então MOS de A = MOS de B? PROVAVELMENTE NÃO!
• Perdas com distribuição randômica versus perdas em rajadas
(codificador G.711)
Efeito de memória recente
• A localização da rajada influencia na percepção humana
Chamada com duração de 60 segundos
Início
Término
MOS 3.82
RUÍDO
RUÍDO
MOS 3.28
RUÍDO
RUÍDO
RUÍDO
RUÍDO
MOS 3.18
• O usuário não nota instantaneamente a transição da
qualidade
Padrão da qualidade
conforme percepção
dos usuários
Alta
15 - 30 segundos
Qualidade da
transmissão
4 - 5 segundos
Baixa
Determinação de Ie (Modelo E estendido)
Perda na
rede
Descarte no buffer de
compensação de
jitter
Degradação
inerente
Codificador
Fator de
robustez
Fator Ie é
computado
separadamente
para os períodos
de isoladas e
perdas rajadas
Distinção entre
períodos de perdas
em rajadas e
perdas isoladas
Distribuição
de perdas
Ieb
Ie(av)
Ieg
Modelagem do “Efeito de
“Memória Recente” para o
cômputo do fator Ie
Determinação de Ie (Modelo E estendido)
Pacote perdido
Pacote recebido
Ieb
I1
I1
Ie(av)
I2
I2
Ieg
perdas
isoladas
perdas
em rajadas
I1 = I eb − (I eb − I 2 ) e
perdas
isoladas
−b / t1
Transição de qualidade “ruim” para “boa”
perdas
em rajadas
I 2 = I eg
+ (I
1
− I eg
perdas
isoladas
)e
− g / t2
Transição de qualidade “boa” para “ruim”
Revisão
• Expressão proposta pela ETSI para I1 (transição de
qualidade “ruim” para “boa”) :
I1 = I eb − (I eg − I 2 ) e
− b / t1
• Expressão revisada:
I1 = I eb − (I eb − I 2 ) e −b / t1
• Erro se propaga na determinação do MOS
Abordagem revisada × Abordagem do ETSI
MOS – abordagem revisada
MOS (fim de chamada) = 3,28
MOS – abordagem do ETSI
MOS (fim de chamada) = 2,66
• As duas curvas representam a qualidade percebida pelo usuário
• A curva gerada pela abordagem do ETSI é mais pessimista
Voice Quality CDR (VQCDR)
• Identificadores da chamada
– protocolo voip, codec, usuário chamado e chamador, etc...
• Indicadores de qualidade da chamada
– Delay Impairment, Equipment Impairment, taxa de perdas, taxa de
descarte do buffer de compensação de jitter, fator R, MOS, etc.
• Início e duração da chamada
• Campos opcionais
– Informações específicas para aplicação
– Voice Quality Log (VQLog)
• Histórico da qualidade (variação da qualidade ao longo da chamada)
• TCP porta 80 (configurável)
– Facilidade em operação com firewalls
Biblioteca Voice Quality (VQuality)
• Flexibilidade e extensabilidade
– Desenvolvida com técnicas de orientação a objetos
– Suporte a diferentes sistemas operacionais
– Facilidade de extensão
• Inclusão de novos modelos de avaliação objetiva
• Integração a diferentes implementações de VoIP
• Independência do protocolo de sinalização (SIP, H.323, MGCP, etc)
• Portabilidade
– Implementação em C++ padrão, exceto:
• Sockets TCP
– Implementação de uma biblioteca própria
• Tratamento de Threads
– Uso da biblioteca Pthreads-win32
– Disponível para Linux, FreeBSD e Windows
• Facilidade para portar para outras plataformas
Arquitetura da VQuality
• Parser Module (PM)
– Recebe da pilha de protocolo VoIP os parâmetros necessários para o
cômputo da qualidade
• Voice Quality Evaluation
Module (VQEM)
– Obtenção dos parâmetros
coletados pelo PM
– Cálculo da avaliação da
qualidade
• VQCDR Generation Module
(VGM)
– Acionamento do módulo
VQEM
– Montagem do VQCDR
– Envio do CDR gerado para o
VQCDR Server
Telefone IP
Pilha
0 de
Protocolo
VoIP
VQuality
Parser
Module
VQCDR
Voice
Quality
Evaluation
Module
VQCDR
Generation
Module
VQCDRServer
Telefones IP integrados a VQuality
• VQOpenPhone para ambiente Windows
• VQMeeting para ambiente Unix
• Terminais H.323 baseado na biblioteca OpenH323
– O mecanismo de cálculo de RTT da pilha RTP/RTCP precisou ser
implementado
• Ao final da chamada computam a qualidade de voz recebida,
apresentam o resultado no visor e emitem o VQCDR
VQPlot
Aplicativo que lê e
apresenta
graficamente as
informações de um
arquivo VQLog
Junto a um cliente
integrado à
biblioteca VQuality,
como o
VQOpenPhone,
constitui uma
sofisticada
ferramenta de
depuração de
problemas
VQuality CDR Server (VQCDR Server)
Collector Module (CM): coleta e
interpreta o VQCDR e aciona o AM e o
SM
Authenticator Module (AM): valida o
VQCDR
Storage Module (SM): armazena o
VQCDR em uma base de dados (ex.
SQL e servidor RADIUS)
VQCDR
Server
Authenticator
Module
Collector
Module
Storage
Module
O serviço fone@RNP
H.323 IP Phone
(Software)
PBX
Instituição B
Instituição A
Gateway de voz
Ambiente H.323
Ambiente H.323
Gatekeeper H.323
Gatekeeper H.323
H.323 IP Phone
(Software)
H.323 IP Phone
(Software)
LDAP
Cisco ou Asterisk
RADIUS
Asterisk
SIP/H.323
Gateway
Asterisk
SIP/H.323
Gateway
RADIUS
RTFC
RTFC
SIP IP Phone
(Software)
SIP IP Phone
(Software)
LDAP
Ambiente SIP
Ambiente SIP
Proxy SIP SER
Proxy SIP SER
Gateway de voz
PBX
SIP IP Phone
(Software)
Cisco ou Asterisk
• Somente o gateway Cisco emite CDR com indicação de qualidade
• Ambiente onde o arquitetura de monitoração está sendo validada
GnuGK AM e RADIUS SM
• GnuGK AM
– Específico para o Gatekeeper H.323 GnuGK
– Faz uso de porta de gerência do GnuGK para obter os dados
necessários para autenticação do VQCDR
• RADIUS SM
– Específico para RADIUS
– Entretanto, RADIUS faz a interface com os mais variados bancos SQL
– Para mapear os campos do VQCDR no RADIUS foi solicitado um
número de identificação de fabricante à IANA (UFRJ – 21715)
Ambiente de Visualização
Após processadas, as informações coletadas pela arquitetura são
disponibilizadas em gráficos via WEB
Arquitetura de monitoração em operação
3
VQCDR Server
H.323 Gatekeeper
GnuGK
O AM autentica o VQCR
GnuGKAuthenticator
Module (GnuGk AM)
Autenticação
RadiusStorageModule
(Radius SM)
Ar
O telefone IP
computa a
qualidade da
chamada e emite
um VQCR para o
VQCDR Server
1
2
ABC
4
5
4
GHI
7
Q
P R
JK L
en
to
Caso o VQCDR
seja validado, o
SM aciona o
Radius Server
para armazenar o
VQCDR
Web Server
CISCO IP PHONE
790 2 SERIES
1
O Radius Server
recebe o VQCDR e
acessa o SQL
Server para
armazenar as
6 informações do
VQCDR em uma
base de dados
3
DE
F
6
M NO
7
8
9
PQ RS
TU V
W XY Z
*
0
#
S
*
Telefone IP
integrado a
VQuality
7
4
Radius Server
to
en
am
en
az
5
ma
ze
na
m
m
Ar
O CM
coleta o
VQCDR e
aciona o
AM
Emissão do
VQCDR
ColectorModule (CM)
2
O AM
acessa o
GnuGK para
validar o
VQCDR
SQL Server
Estatísticas de qualidade das
chamadas são disponibilizadas via
interface web
Conclusões
• O estudo do Modelo E resultou em uma revisão do cômputo de
sua forma estendida
• A arquitetura de monitoração implementada permite a
monitoração mais abrangente que outras soluções
relacionadas
• Implementações realizadas
– VQuality
– Terminais H.323 com suporte a emissão de VQCDR
• Correção da OpenH323 conforme especificação da pilha RTP/RTCP
• VQMeeting para Unix
• VQOpenPhone para Windows
– VQPlot
– VQCDR Server
• GnuGK Authentication Module
• RADIUS Storage Module
• A arquitetura está sendo operacionalizada e validada no
ambiente do serviço fone@RNP
Trabalhos futuros
•
•
•
•
•
•
•
Integração da VQuality a clientes SIP e ao gateway Asterisk
Criação de um AM para o proxy SIP SER
Esperamos que a cooperação com fabricantes possibilitará integração
da VQuality a telefones IP proprietários em hardware e software
Análise da base de dados alimentada no serviço fone@RNP
– Análise do transporte de voz no backbone da RNP e redes coligadas
– Validação e aprimoramento da infra-estrutura de QoS implantada
– Análise de assimetria atraso/qualidade de voz (uso de NTP ou GPS)
Desenvolvimento de uma ferramenta automatizada para simulação e
avaliação de chamadas
– Determinação de capacidade de chamadas
– Estudo de políticas de QoS para transporte de voz
– Uso em ambientes com fio e sem fio
Integração da VQuality ao Network Simulator
– Análise de ambientes mais complexos
Desenvolvimento de ferramenta para avaliação de qualidade de troca
de tráfego entre provedores VoIP