Возможные причины прерывания мультимедиа сеансов

Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации
Борисенков А.С., Кудисов И.И.
“Возможные причины прерывания мультимедиа сеансов по причине
задержек в сети и неправильной работы протоколов канального
уровня”
Введение
Для связи территориально удаленных объектов с использованием
средств видеосвязи и передачи голосовых данных необходимо применение
современной технологии передачи разнородных потоков. Технология
MPLS (Multi Protocol Label Switching) — мультипротокольная коммутация
по меткам это решение, при помощи которого появляется возможность
предоставить голосовые услуги удаленным абонентам, с требуемым
качеством. Технология MPLS обеспечивает управление трафиком и
предоставляет
механизмы
по
обеспечению
требуемого
качества
обслуживания (QoS). MPLS создает путь коммутации по меткам (LSP)
через транспортную инфраструктуру сети, который является фактически
путем приоритезации трафика. Существуют четыре основных фактора, по
которым
голосовым
данным
необходим
надежный
механизм
транспортировки:
1.
Задержка (в одну сторону не более 150 мс – рекомендация ITU-
T G.114)
2.
Джиттер (разброс максимального и минимального времени
прохождения пакета от среднего в пределах 1-50 мс)
3.
Потеря пакетов (3-5 % и менее)
4.
Время восстановления оборудования при потере сеанса (не
более 50 мс)
Задержка
Рассматривается три основных типа задержки: задержка на
распространение, задержка на сериализацию, задержка на обработку.
Задержка на сериализацию - величина, рассчитываемая как отношение
размера пакета к средней скорости передачи потока, для технологии Fast
Ethernet величина задержки для пакета размером 1500 байт составляет 120
мкс (как правило, при оценке качества речи она учитывается только по
ITU-T P.861). Задержку на обработку обуславливают устройства, которые
участвуют в процессе передачи фреймов по сети. Например, в случае если
DSP
(digital
signal
processor)
находится
в
IP-телефоне
или
на
маршрутизаторе, то при применении кодека ITU-T G.729, выборки
создаются каждые 10 мс. Для продуктов компании Cisco в RTP пакет
помещаются
каждые
две
голосовые
выборки,
а кадрирование и
формирование пакетов выполняется DSP непосредственно, таким образом,
задержка Dx (или Dc для IP-телефона) составляет 20 мс.
Рис. 1. Задержки при прохождении вызова от абонента 1 к абоненту 2
Для коммутаторов 2 и 3 уровня Dx составляет 10-20 мкс и 2-3 мс на
пакет соответственно [4]. Величина Dj для динамического буфера
компенсации дребезга (джиттера) составляет около 25 мс [1]. Задержка на
распространение
для
оптоволоконных
линий
(с
учетом
работы
повторителей) составляет в среднем 5 мс на 1000 км (по схеме расчета
ITU-T
G.826).
Величина
для
Dp
сети
IP/MPLS
на
основе
эксперементальных данных составляет 39 мс - для протяженности 805 км,
80 мс - для протяженности 1600 км [1,3,4]. Задержка на передачу по сети
это наиболее сложный для расчета компонент общей задержки, при
определении которого учитывается целый ряд параметров (производитель
и тип оборудования, поддержка классов обслуживания (Cos), поддержка
DiffServ – [RFC 3270]), влияющих на передачу голосового трафика в
транспортной среде. Проблемы, связанные с величиной Dp для сетей
IP/MPLS решаются на 2 уровне ЭМВОС.
Транспорт
VoIPoMPLS (Voice over IP over MPLS) - передача голосовых данных
по сетям IP по технологии MPLS используя стек протоколов (RTP/UDP),
данные которых инкапсулируются в пакет IP, а затем передаются по
протоколу MPLS в связке с Frame Relay, ATM, PPP или Ethernet. В этом
случае актуально применение алгоритмов сжатия заголовков протоколов
IP/UDP/RTP,
применяя
протокол
cRTP
(RTP
header
compression)
суммарный заголовок 40 байт может быть сжат до 2 байт (без
использования контрольных сумм UDP) или до 4 байт (с использованием
контрольных сумм UDP). Этот способ транспортировки и применения
VoIP для обеспечения услугами территориально удаленных пользователей
является наиболее распространенным и находит детальное описание в
документах ITEF [3]. Наиболее распространенным протоколом сетевого
уровня стал протокол IP [1], в этой связи вызвав острую необходимость
конвергенции технологий, которые выполняют функции второго уровня
модели ЭМВОС. Крупными операторами используются метод рабочей
группы IETF PWE3 - EthoMPLS или метод ITU-T Y.1415 для организации
виртуальных каналов на протоколе Ethernet, не исключением является и
ОАО «Ростелеком». Новый шаг в конвергенции сетей был предложен
коллективом IP/MPLS Форума [5]. Модель взаимодействия компонентов
конвергированной сети представлена на рисунке 2. Компонентами модели
являются: СЕ (Customet Edge – граница пользователя, фактический
граничный маршрутизатор или коммутатор сети доступа), PE (Provider
Edge – граница оператора связи, рассматриваемые компоненты PE: NSP –
модуль приема и обработки канала подключения, FDW – модуль
перенаправления, PW – процессор обработки данных канала MPLS). Канал
подключения может представлять собой виртуальное или физическое
подключение. MPLS LSP в двух направлениях представляет собой
реализацию технологии Ethernet over MPLS [6]. Подробное описание
функций элементов модели приведены в [6,7].
Рис. 2. Виртуальный Ethernet канал между двумя сетями уровня доступа
Принцип работы модели состоит в том, что канал подключения
пользователей заканчивается на PE1, извлекаются кадры Ethernet и
передаются на PE2 по виртуальному каналу (инкапсуляция в Ethernet); в
случае если тип канала подключения PPP, ATM, Frame Relay используются
процедуры [RFC 2684], [RFC 2427], [RFC 2878]. Протоколы 802.1x, GVRP,
GMRP, STP туннелируются и доставляются до CE2 по идентификаторам,
описанным в [MEF 6]. Реализация технологии CoS предлагается в режиме
отметок типа трафика, который однозначно идентифицируется по своему
VLAN-идентификатору. Детальное описание методов инкапсуляции Frame
Relay -> Ethernet, ATM -> Ethernet, ATM -> Frame Relay, PPP -> Ethernet
приводится в [5,6,8]. Таким образом, конвергенция сетей достигает уровня
доступа.
Проблемы канального уровня сети
В первой части была дана характеристика задержкам на различных
участках сети. Рассмотрим проблему потери пакетов, которая остро стоит
при организации передачи голосовых и видео данных в режиме реального
времени для удаленных абонентов. Создание виртуального канала между
двумя устройствами уровня доступа, например, коммутаторами доступа,
дает
очевидные
преимущества
для
VoIP,
аудиоконференцсвязи,
видеосвязи, видеоконференцсвязи. Для передачи видео формата кадра SD
4CIF MPEG-2 требуется 3-4 Мегабит/c пропускной способности, для HD
MPEG-2 около 15-20 Мегабит/c. IEEE 802.3x комитет разработал стандарт
для управления потоком полнодуплексного режима 10BaseT, 100BaseX,
1000BaseX, который описывает механизм, позволяющий приемному
устройству отправлять передающей стороне специальный кадр паузы,
когда его буфер переполнен. После приема данного кадра начинается
отсчет времени счетчика, а при поступлении нового кадра паузы его сброс.
Стандарт 802.3х не учитывает класс и приоритет трафика. На основе
математического
моделирования
и
экспериментальных
данных
[3]
установлено, что на магистральных каналах IP/MPLS протяженностью
свыше 500 км данный механизм управления может привести к задержке
кадров управления (свыше 3,3 мс) и как следствие к срыву мультимедиа
сеансов, запаздыванию аудио (более 75 мс).
Рассмотренные величины задержек на участках сети, составляющие
интегральную задержку, длительность которой может достигать до 200 мс,
позволяют сделать вывод о неприменимости данного стандарта 802.3х на
виртуальных Ethernet каналах используемых для организации VoIP или
видеоконференцсвязи.
Библиографический список
1. Девисон Джонатан, Питерс Джеймс, Бхатия Манож, Калидивди
Сатиш, Мукхержи Судипто и др. Основы передачи голосовых
данных по сетям IP, 2-e изд. : Пер. с англ. - М.: ООО “И.Д. Вильямс”,
2007. - 400 c.
2. Syed A. Ahson, Mohammad Ilyas. VoIP HANDBOOK Applications,
Technologies, Reliability, and Security - Broken Sound Parkway, NW,
CRC Press, 2009. - 472 с.
3. Vinod Joseph, Brett Chapman. Deploying QoS for Cisco IP and next
generation networks: the definitive guide. Morgan Kaufmann Publishers,
USA, 2009. – 500 c.
4. John Evans, Clarence Filsfils. Deploying IP and MPLS QOS for
Multiservice Networks. Morgan Kaufmann Publishers, USA, 2009 – 456
c.
5. Rao Cherukuri, Ali Sajassi. Multi-Service Interworking – Ethernet over
MPLS. IP/MPLS Forum 12.0.1. IP/MPLS Forum Technical Committee,
2009. – 44 c.
6. Веб-сайт
рабочей
группы
ITEF
PWE3
-
http://www.ietf.org/dyn/wg/charter/pwe3-charter.html
7. Веб-сайт форума IP/MPLS - http://www.broadband-forum.org
8. Веб-сайт
Института
инженеров
радиоэлектронике - http://www.ieee.org
по
электротехнике
и