3.1 Što je Quality of Service
Quality of Service (QoS) je pojam ovisan o kontekstu koji izražava kvalitativne mjere usluga za korisnike. U ovome poglavlju, QoS je definiran kao sposobnost osiguranja resursa i usluga na IP mreži. Osiguranje resursa je opredjeljenje mreže kako bi zadovoljila određene zahtjeve aplikacije, kao što su propusnost, gubitak paketa i kašnjenje. Razlikovanje usluge je mogućnost mreže da postupa s različitim paketima na različite načine. QoS za VoIP je obično opisan u uvjetima pružanja usluga i kvaliteti glasa. Kvaliteta usluge je povezana sa dostupnošću, kašnjenjem nakon završetka poziva (post-dial delay) i količina uspješno završenih poziva. Kvaliteta poziva je korisnikovo iskustvo [1:121].
QoS je obično mjerena u VoIP-u sa dvije jedinice: razumljivost i kašnjenje. Razumljivost je numerička prezentacija percipirane kvalitete glasa nakon kompresija i/ili slanja te je izražena u jednoj od dvije metode. Prva je bazirana na International Telecommunications Union Standardization Sector (ITU-T) standardima P.800 i P.862. Izražavaju razumljivost kao broj između 1 i 5, s tim da je 5 optimalni (nije moguć). P.862 koristi usporedbu izlaznog kodiranog signala i primljenog kodiranog signala. To znači da testni uređaji definiraju uzorak glasa prije nego testiranje započne. Pošiljatelj pošalje digitalnu verziju uzorka glasa te je primatelj usporedi sa originalnim uzorkom. U ovome modelu se kašnjenje ne uzima u obzir [1:122].
Bolji model mjerenja kvalitete VoIP poziva je baziran na E-Model-u opisanome u ITU-T G.107 i G.108 gdje se kvaliteta izražava kao R faktor s rasponom između 1 i 100 baziranih na više mrežnih i instrumentalnih oštećenja koji su snimljeni pomoću pasivnih tehnika. E-Model je originalno usmjeren prema VoIP okruženju za planiranje VoIP prijenosa. Međutim, mnogi proizvođači su usvojili E-Model za pružanje mjera kvalitete glasa u Call Detail Records (CDRs) za snimanje kvalitete i provođenje analizi. MOS je šire korištena QoS mjera zbog upoznatosti telekomunikacijske zajednice sa značenjem MOS brojeva. Slika 14prikazuje usporedbu razine zadovoljstva korisnika i MOS broja definiranog po ITU-T P.800 i G.109 standardima [1:122].
Slika 14 : usporedba zadovoljstva korisnika
Osim MOS mjerenja, drugi faktor koji utječe na iskustvo korisnika je kašnjenje.
ITU-T Y.1291 označava tri dijela koji su odgovorni za QoS : kontrolni, podatkovni i upravljački dio. Kontrolni dio je povezan s mehanizmima za kontroliranje toka podataka u sistemu, korišteći call admission control (CAC), usmjeravanje (routing) ili mehanizme za ograničavanje protoka. Podatkovni dio je usmjeren na utjecanje na pojedine pakete uz pomoć upravljanja spremnika, označavanje paketa, čekanjem i raspoređivanjem, klasifikacijom prometa i uvjetovanjem prometa. Upravljački dio je fokusiran na operacije, administracije i upravljanje koristeći usluge na razini dogovora i preuređenjem prometa [1:122].
3.2 Zašto je QoS potreban
U doba dial-up modema korisnici nisu imali pristup brzim Internet konekcijama. Čak i današnje doba brzog interneta, IP konekcije su ograničene propusnošću zbog limita infrastrukture. Problem je u tome što su mreže dizajnirane za podatkovne aplikacije koje idu preko transmission control protocol-a (TCP) i njihove izvođenje nije toliko uvjetovano kašnjenjem i gubitkom paketa kao VoIP. Čak se ni uz pravilno dizajniranu mrežu ne mogu spriječiti neočekivana zagušenja. U vrijeme gužvi, QoS služi kako bi se osigurala prihvatljiva razina usluge za VoIP korisnike [1:123].
3.3 Faktori koji utječu na QoS
MOS rezultat ovisi o brojnim nedostatcima. Izvori nedostataka ovise o tehnologiji. Kod VoIP-a govorimo o zastajkivanju, jeki, kompresiji govora i gubitku paketa. Kada govorimo o zastajkivanju mislimo na razliku u kašnjenju u mjerenom intervalu. Svi VoIP instrumenti su dizajnirani kako bi kompenzirali zastajkivanje [1:123].
Drugi faktor je jeka. Jeka je definirana kao odzvanjanje govornikovog glasa u njegov slušni kanal te se tako reproducira na obje strane. Prvi prikaz jeke je kada govornik čuje vlastite riječi nakon kratkog vremena od kad je to izrekao. Međutim, ako je razmak između kojeg je korisnik nešto rekao i to ponovno čuo manji od 25ms, ljudski mozak kompenzira za jeku te ona onda nije primjetna. Ova vrsta jeke se obično naziva popratni ton. Drugi prikaz jeke je percipirana jeka, te se događa kada je kašnjenje povratnog signala veće od 25ms [1:124].
Većina problema vraćanja glasa je uzrokovana u analognom dijelu krajnjeg uređaja. Drugi uzrok je akustična jeka, odnosno jeka zbog slabe izolacije između mikrofona i zvučnika. Jeka postaje sve više ometajuća što je glasnija te je tipično izražena kao talker echo loudness rating (TELR) i za VoIP telefone je tipično između 62dB i 65dB za razgovore s malim kašnjenjem [1:124].
Treći faktor koji utječe na MOS je prouzročen od kompresije govora. Kada govorimo o kompresiji govora mislimo na kodiranje bazirano na predviđanju radi smanjenja potrebnih bitova kako bi se glas prenio. Nedostatak prouzročen kompresijom govora se obično naziva faktor nedostatka opreme (Ie) te je uzrokovan distorzijom glasa prilikom kompresije [1:124].
Slika 15 : usporedba atributa kodeka
Ie vrijednost za G.711 koji ne koristi kompresiju je 0. Ie vrijednost se obično povećava proporcionalno nivou kompresije (iako novi kodeci kompenziraju kako bi smanjili Ie). Slika 15 ([1:125] pokazuje usporedbu nekih atributa par kodeka [1:125].
Efekt distorzije je primjetniji kako se kašnjenje povećava. Primjer, MOS 4.0 je moguć za G.711 kad je kašnjenje manje od 250ms, no za G.729A samo kad je manje od 125ms [1:125].
Zadnji faktor koji utječe na MOS je gubitak paketa. Mjeri se kao omjer paketa koji su uspješno poslani i broja paketa poslanih tijekom mjerenog vremena, te se izražava u postotcima. Ako uspoređujemo sa TDM, VoIP tolerira gubitak paketa. U TDM-u, gubitak paketa se manifestirao kao error bit te je rezultirao kao smetnja koja je smanjivala MOS. U VoIP-u, gubitak paketa je rezultat izgubljenog, oštećenog ili odbačenog glasovnog uzorka. Mnogi razgovori uključuju vrijeme kada se sluša samo tišina ili samo jedan govornik govori. Tijekom toga vremena, teško je zaključiti koliki je gubitak paketa. Očito je da gubitak paketa postaje primjetan tek kada slušamo sugovornika. Kako bi kompenziralo za gubitak paketa, jedan način je da se ponovno pošalje izgubljeni paket, a drugi da se koristi forward error correction (FEC). Obje tehnike se nazivaju packet loss concealment (PLC). Rezultat je taj da slušatelj neće primijetiti gubitak osim ako se ne izgubi više paketa male veličine, tipa 10-20ms [1:125].
Drugi razlog je taj da je vjerovatnost da će se izgubiti više slijednih paketa jako malena. Primjera radi, 2% gubita paketa će rezultirati da će dva uzorka biti izgubljena u sekundi govora (10ms je jedan paket). Vjerojatnost da će se izgubiti 2 slijedna paketa je jako malena. Pošto krajnji instrumenti prave korekcije za prvi paket i kako je to samo 10ms, većina slušatelja to neće ni primijetiti, osim ako nisu u tihoj sobi. S korištenjem PLC i prirodne distribucije izgubljenih paketa, testiranje je pokazalo da prosječni slušatelj ne primjećuje gubitak paketa dok nisu oko 3%-5% [1:125].
Kao što je već rečeno, kašnjenje je jedna od dvije mjere koje se koriste za QoS. Većina VoIP sistema je dizajnirana kako bi izbjegli „raspravljanje“. „Raspravljanje“ je stanje koje se dogodi kada jedna osoba počne pričati u isto vrijeme kad i druga no nije to primijetila zbog većeg kašnjenja. „Raspravljanje“ je lakše primijetiti kod internacionalnih poziva i kod poziva preko satelitskih mreža. Kod normalnih razgovora postoji pauza između trenutka kad jedna osoba prestane pričati i druga započne te iznositi otprilike 200ms. Ovaj fenomen se naziva „preuzimanje-reda“ te kad se kašnjenje približi „preuzimanju-reda“ dogodi se gubljenje paketa u sinkronizaciji i rezultira „raspravljanjem“. U VoIP-u, „raspravljanje“ se obično događa oko 220ms, ovisno o osobi [1:126].
Uz problem sa „raspravljanjem“, duže pauze mogu promijeniti značenje rečenice. Izvori koji uzrokuju end-to-end VoIP kašnjenje su prikazani na Slika 16 te tri izvora kašnjenja na koje telekom inženjeri utječu su kodek, spremnik protiv zastajkivanja te sklopna kašnjenja [1:126].
Većina QoS standarda dostupnih danas su bazirani na zastajkivanju, kompresiji glasa, jeki, gubitku paketa i latenciji end-to-end TDM sistema. Ovi standardi su sporo prihvaćeni za VoIP te je rezultat toga da je većina SLA-ova i VoIP-a konzervativni u odnosu na TDM mjerenja vrijednosti umjesto VoIP mjerenja [1:126].
Uz to, većina SLA-ova osiguranih od provajdera su fokusirani na podatkovne aplikacije i mjerni intervali su često u prosjeku 30-tak dana, mjereni na mrežnom sloju i koriste jako mali dio mjernih točaka. Tipični poziv se smatra prekinutim ako je gubitak paketa 100% kroz interval od 6-10s te s tim 30-to dnevno mjerenje može imati veliki broj razdoblja sa neprihvatljivim performansama. Mjerenje na mrežnom sloju ignorira kašnjenje i gubitak paketa iznad mrežnog sloja, kao što su kodeci i spremišta protiv zastajkivanja. Konačno, ograničavanjem mjerenja na određeni broj putova rezultira neprimijećene degradacije između čvorova koji nisu mjerne točke [1:126].
Slika 16 : izvori kašnjenja
3.4 QoS mehanizmi
Kao što je već spomenuto, postoje 3 različita pristupa kako bi postigli QoS za VoIP, a zovu se kontrolni, podatkovni i upravljački pristup. Budući da je ovo poglavlje fokusirano na glasovne aspekte kvalitete QoS-a, kontrolni i podatkovni pristup će biti objašnjeni, bez upravljačkog. U raspravi o mehanizmima je potrebno razlikovati mehanizme koji se trenutno koriste i one koji će postati upotrebljavani u budućnosti [1:127].
3.4.1. Trenutni kontrolni QoS mehanizmi
Prva rasprava se fokusira na upravljački dio koji se bavi upravljanjem tokova paketa kroz mrežu. Mehanizam korišten danas od strane telekom inženjera kako bi osigurali kontrolni QoS su prometni inženjering, CAC, multiprotocol label switching i QoS rutiranje. Prvi zahtjev svih komercijalnih pristupa koji koriste kontrolni QoS je provesti ispravan inženjering nad prometom. Tipično, prometno inženjerstvo uključuje pretvaranje DS0-sa u IP. Pretvorbeni faktor ovisi o kodeku, IP verziji i intervalima uzoraka. IP kalkulacija prometa treba uključivati IP overhead i korisničke signalne pakete. Jednostavna metoda pretvorbe je pomnožiti postojeći DS0 sa pretvorbenim faktorom. Detaljnija metoda koristi uključuje sat s najvećim zauzećem (Busy Hour Erlang B). Primjera, ako se pretpostavi da je sat s najvećim zauzećem 25, spojni pristup bi trebao biti s raspodjelom od 2.5Mbps za VoIP promet uključujući signalizaciju, kao što je prikazano [1:127].
Slika 17 : izračun propusnosti
Sljedeći zahtjev za kontrolni pristup je korištene CAC-a kako bi se osiguralo da opterećenje ostane unutar projektiranog opterećenja prometa. CAC je funkcija koju se može pronaći u call control agentu (CCA) , Softswitch-u ili local session controller (LSC), koji su IP ekvivalenti današnjih krajnjih ureda. CAC je tipično naveden u uvjetu broja poziva ili proračuna. Na primjer, CAC brojač poziva vrijednosti 10 znači da će CAC blokirati sve zahtjeve za pozivom nakon što ima 10 aktivnih poziva. Proračunski CAC koristi bin-packing algoritam koristeći prave zahtjeve propusnosti za svaki poziv ovisno o korištenom kodeku. Na primjer, ako je CAC proračun 1Mbps, CAC može dozvoliti 11 G.711 (20ms uzorak) poziva ili 30 G.729 poziva ili kombinaciju oba kodeka tako da zbroj bude manji od 1Mbps [1:127].
Drugi kontrolni QoS mehanizam je QoS rutiranje koje kontrolira put kojim protok ide. Na primjer, premium korisnici mogu biti prespojeni na direktni put između dvije točke dok normalni korisnici mogu ići „okolnim putem“ kako bi se izbjeglo zagušenje. Ovi putovi mogu biti polu-optimalni jer uključuju više kašnjenja iako zadovoljava QoS zahtjeve [1:128].
Završni kontrolni mehanizam je korištenje MPLS-a kako bi se osigurao QoS. U postojećim VoIP mrežama, MPLS se primarno koristi kako za logičko razdvajanje prometa, brzo popravljanje kvarova te kako bi minimizirao prespojno kašnjenje unutar jezgre mreže. Ponekad su poslužitelji primorani logički razdvojiti promet te MPLS virtualne privatne mreže omogućavaju poslužiteljima da ispune taj cilj. U ovom slučaju, korištenje Ipsec-a za kriptiranje VPN-a nije uvijek najbolje implementirano zbog smanjenja performansi kriptiranjem. Još jedna upotreba MPLS-a je za popravak end-to-end konekcijskih problema. Većina proizvođača koji podržavaju MPLS na svojim platformama tvrde da je FFR manji od 50ms. Iako je oporavak od kvara primjetan za VoIP korisnika, poziv će i dalje ostati aktivan. Finalna prednost MPLS-a je to da smanjuje end-to-end kašnjenje sa label switchingom. Važno je uzeti u obzir da je MPLS-Traffic Engineering (MPLS-TE) značajka MPLS-a, ali značajka obično nije tipično asocirana sa VoIP QoS-om na bazi toka, nego može biti primijenjena na skupnoj osnovi za poboljšanje performansi [1:127].
3.4.2 Trenutni podatkovni QoS mehanizam
Drugi pristup je podatkovi pristup i fokusiran je na pružanje QoS-a na bazi paketa. Mehanizmi korišteni od strane podatkovnog mehanizma uključuju uvjetovanje prometa, diferencirane usluge (DiffServ) i per hop behaviors (PHB). U kombinaciji sa CAC, uvjetovanje prometa je provedeno na IP sloju kako bi osiguralo da VoIP opterećenje unutar prometnih granica. Uvjetovanje prometa je opisano u RFC 2475, ali za ovu svrhu je fokusirano na mjerenje i oblikovanje [1:128].
U zakrčenim mrežama je potrebno praviti razliku između VoIP paketa i ostalih paketa kako bi se VoIP paketima osigurao povlašteni tretman. Metoda korištena od strane komercijalnih proizvođača je da u zaglavlje VoIP paketa označe polje, te se naziva differentiated service field (DS Field). DS Field ima šest bitno polje (omogućava 64 moguće postavke) unutar IP zaglavlja. Jednom kad je paket označen, oznaka se naziva differentiated services code point (DSCP). Uobičajeno je DSCP označen od strane zadnjeg instrumenta ili prvog LAN preklopnika na koji dođe VoIP paket. Naravno, signalizirajući, noseći i upravljački paketi su označeni s drukčijim DSCP-om [1:127].
Kao što je prethodno spomenuto, DSCP-ovi su postavljeni tako da PHB-ovi mogu biti primijenjeni. PHB-ovi mogu biti specificirani u smislu njihovih resursa (npr. spremnika, širine pojasa), prioritetom u odnosu na druge PHB-ove ili u smislu njihovih vidljivih prometnih karakteristika (kašnjenje, gubitak paketa i zastajkivanje). U VoIP-u, grupni skupovi su obično segmentirani u nosioca, signalizaciju i mrežno upravljanje. PHB-ovi su tipično povezani sa pristupnim linkom i drugim WAN vezama. No, ako LAN nije ispravno dizajniran i ako se dogodi zakrčenost, PHB-ovi se mogu implementirati u LAN preklopnike kako bi ublažili zakrčenost [1:129].
Iz razloga jer su paketi nosioci osjetljivi na zastajkivanje, gubitak paketa i kašnjenje, primaju ubrzano prosljeđivanje (expedited forwarding – EF) PHB. Primjenom EF PHB-a na VoIP nosiocu će se smanjiti kašnjenje, gubitak paketa i zastajkivanje [1:129].
Za razliku od paketa nositelja, signalizacijski paketi koriste TCP koji tolerira gubitke. Iako je signalizacija otpornija na nedostatke mreže, mora poprimiti željeni PHB kako bi se smanjilo kašnjenje poziva tijekom preopterećenja. Ovisno o proizvođačevim postavkama VoIP signalizacijski paketi mogu primiti EF PHB ili sigurno prosljeđivanje (assured forwarding – AF) PHB. Performanse AF PHB-a ovise o resurcima dodijeljenim AF klasi paketa, trenutnoj opterećenosti AF klase te u slučaju zagušenja klase pad prednosti paketa. Svaki AF PHB ima tri pada prednosti i korisnikovo signaliziranje obično ima najmanju vjerojatnost pada. Ponekad VoIP proizvođači stavljaju kontrolne i signalizacijske paketa u AF odvojeno od ostalog prometa [1:129].
Posljednji grupni skup je mrežno upravljanje. Ovaj skup se normalno sastoji od dva tipa prometa: najveći promet je asociran sa zapisima detalja poziva i Syslog-om; vremenski osjetljiv promet je asociran sa SNMP upozorenjima. Mrežno upravljački promet prima AF PHB te je ponekad najveći promet stavljen u drugi AF nego vremenski osjetljivi promet. Slika 18 pokazuje gdje QoS mehanizmi mogu primijeniti [1:129].
Slika 18 : Trenutni QoS mehanizmi