Transmisión de VoIP en redes de cable
Objetivo
Actualmente nos encontramos en un proceso de integración de aplicaciones de tiempo real sobre redes IP, en particular Voz, Fax, Vídeo, etc. Con el proyecto que se presenta, el objetivo pretendido es el modelado de la implementación de Telefonía sobre IP en una red de cable FTTX.
Para ello, inicialmente se realizará un estudio de las características de transmisión de Voz a partir de las recomendaciones ITU-T. El siguiente paso consistirá en el análisis de las posibilidades que ofrece el lenguaje de simulación OPNET para este tipo de servicio. Con estas premisas, se diseñará una red FTTX que responde a la topología física de la red real del operador TELECABLE, SAU con el objetivo de transmitir VoIP sobre esta red y observar, mediante las estadísticas de la simulación con OPNET, las propiedades de la transmisión (retardos, jitters, pérdidas de paquetes, calidad de la transmisión, etc). La red será cargada con el tráfico real proporcionado por el operador de cable y los resultados serán comparados con las especificaciones ITU-T.
Como la estructura de la red es lo suficientemente compleja como para que los tiempos de ejecución de las simulaciones sean considerables, se analizarán distintas topologías de red (topología parcial, topología de camino único, etc) según se indica en [1].
VoIP
Con la transmisión de Voz sobre IP se pretende una solución tecnológica con teléfonos IP prescindiendo de las centrales de conmutación de circuitos. El principal beneficio que proporciona esta tecnología es la reducción de costes, si bien hay que tener en cuenta aspectos tales como la inversión en equipamiento específico de VoIP (Gatekeeper, terminales, Gateways), los costes asociados a los nuevos requerimientos de la red IP, así como el coste de un soporte técnico más especializado.
La calidad de la voz es un concepto subjetivo que mide la fidelidad e inteligibilidad de la conversación percibida por quienes la experimentan. En el caso de redes que utilizan tecnología VoIP, los principales elementos que afectan a la calidad de la voz son:
• Claridad
• Retardo punta a punta
Retardo de codificación/decodificación (codecs) Retardo de paquetización
Retardo en la red Jitter
Para transportar voz sobre una red IP es necesario que esta cumpla con nuevos requerimientos de retardo, variación del retardo y pérdida de paquetes, que no eran necesarios en el transporte puro de datos (aplicaciones que no son de tiempo real).
Modelado de VoIP mediante OPNET
Una aplicación de voz permite a dos clientes establecer un canal virtual sobre el que comunicarse usando señales de voz codificadas. El protocolo de transporte utilizado por defecto es UDP para esta aplicación. Los datos de voz llegan en impulsos seguidos de
un periodo de silencio. También pueden especificarse esquemas de codificación para la conversión de voz a paquetes de datos.
Algunos atributos para la aplicación de voz son:
• Silence Length (sec): Silence length for the incoming and outgoing calls along with the associated distributions.
• Talk Spurt Length (sec): Length of a talk spurt for the incoming and outgoing calls along with the associated distributions.
• Symbolic Destination Name: Symbolic destination name of the client. • Encoder Scheme: Encoding scheme in effect at the client.
• Voice Frames per Packet: Number of voice frames that can be sent in a single packet. • Type of Service: Quality-of-service parameter for assigning priority to this
application’s traffic.
• RSVP Parameters: RSVP parameters for making bandwidth reservations.
Caso de estudio: Red FTTX
Para determinar el esquema de la red utilizado es necesario tener un conocimiento previo del sistema a representar, en aspectos tales como:
• Identificación de todos los elementos de la red o Disposición física en el sistema real o Función en la red
o Protocolos que ejecutan
• Identificación de flujos y perfiles de tráfico
En [1] (páginas 13-21) se detallan los pormenores de la red a modelar, comenzando por su arquitectura física donde se observa la estructura general de la red del operador así como los principales elementos que la componen. Seguidamente se aborda la descripción de la arquitectura lógica de la red del operador, tratando aspectos como los mecanismos y protocolos implicados en la transmisión de la información a través de las ramas y la red troncal de distribución. Finalmente, se resumen las características más importantes de cada elemento que compone la red y que sirve como base para la caracterización de los parámetros del modelo.
Basándose en esta descripción del sistema, se ha realizado un escenario base como el indicado en la figura 1. El contenido de las distintas subredes se presenta en [13].
Este escenario base constituye una topología completa de la red a estudiar. En él se incluyen tanto la disposición de los elementos del sistema como la configuración de cada uno de ellos para proporcionarle funcionalidad al modelo. También se resaltan las rutas seguidas por el tráfico de algunos de los usuarios según el algoritmo de encaminamiento empleado.
Se ha agregado el tráfico proveniente de los usuarios considerando el tráfico total generado en cada controlador HCX. Para la obtención del tráfico de subida como el de bajada en cada uno de los 17 controladores existentes en el momento de la caracterización de la red se ha realizado la simulación de cada una de las ramas y almacenado los resultados, tal como se indica en [13].
Se han incluido también los enlaces de comunicación apropiados: • STM16 (OC-48) a 2.488Gbps para el backbone de la red
• STM4 (OC-12) a 622.08Mbps para el anillo de conmutadores ATM de la ciudad de Gijón
• STM1 (OC-3) para el nivel jerárquico inferior, en las cercanías del usuario final
Figura 1.- Rutas seguidas por el tráfico de algunos controladores
Respecto a la ruta seguida por los distintos paquetes de datos que circulan por la red, de acuerdo al protocolo de enrutamiento elegido se muestran a modo de ejemplo los caminos seguidos por las peticiones provenientes de los controladores GI02CC01, GI04CC01, AV01CC01 y OV01CC04 con destino a Internet.
Para analizar en detalle el tráfico por la red troncal, con tiempos de simulación relativamente cortos, puede emplearse una topología parcial, donde todo el tráfico entrante y saliente del backbone puede agregarse y así centrar el estudio únicamente en la parte de interés. En la figura 2 se muestra el escenario propuesto para el análisis del comportamiento de esta sección de la red.
Figura 2.- Topología parcial para el análisis de la red troncal
Cuando el objetivo del análisis es el tráfico en una de las ramas de la red, se utilizará una topología de camino único. En este caso, a partir de la topología completa y los algoritmos de encaminamiento empleados se determina la ruta seguida por el tráfico de la rama de interés, como muestra la figura 1. Una vez conocida la ruta se implementa un escenario donde se incluyen de forma explícita todos los elementos de la rama y para el resto se utiliza tráfico agregado tipo background de manera que el tráfico explícito a analizar en detalle compita por el uso de recursos de la red en las mismas condiciones que lo hace en el sistema real.
A modo de ejemplo se realizará la simulación del tráfico generado en la rama del controlador GI01CC01.
La ruta seguida por el tráfico de esa rama sería la siguiente:
Gijon1.GI01CC01 Gijon1.GI01CC01 <-> switch_1_Gijon Gijon1.switch_1_Gijon Gijon_1 <-> Gijon1 98
Gijon_1 Gijon <-> Gijon_1 Gijon Gijon <-> Cabecera Cabecera Cabecera <-> router_1
router_1 router_1 <-> router_2 router_2 router_2 <-> Proveedor_1 Proveedor_1.ISP1
En las figuras 3 y 4 se muestra la topología empleada para el análisis en detalle del comportamiento de la rama. El esquema presentado en estas figuras es todavía lo suficientemente complejo como para realizar simulaciones con tráfico explícito en los 6 canales de retorno del controlador, por lo que sería necesario recurrir a escenarios donde el nivel de agregación de tráfico sea aún mayor.
Finalmente, la topología de camino único mostrada será utilizada también a la hora de analizar en detalle alguna aplicación, como puede ser accesos a páginas web de un usuario asociado a un canal de retorno determinado, peticiones FTP, accesos a bases de datos del operador o bases de datos localizadas en servidores remotos, VoIP,etc.
Figura 4.- Tráfico explícito de GI01CC01
En la figura 5 se ilustraría esta posibilidad de implementación, para un usuario asignado al controlador GI01CC01 anterior, que está ejecutando una aplicación determinada, como puede ser VoIP.
En trabajos previos se ha puesto de manifiesto la necesidad de abordar la simulación de grandes redes con tiempos de ejecución no excesivamente largos. Se han analizado las distintas posibilidades de análisis y tipos de tráfico en la red, llegando a la conclusión de que la técnica de simulación híbrida es la que mejor combina los requerimientos de precisión y tiempos de ejecución del sistema.
Partiendo de los resultados del análisis previo de los datos reales proporcionados por el operador de cable, se han implementado diferentes topologías de la red real con el objetivo de centrar el estudio en partes concretas de la misma.
Así, se ha comenzado con una topología completa de la red donde todo el tráfico incluido es tráfico background. Los resultados obtenidos con este modelo se ajustan totalmente a lo esperado, siendo estadísticamente semejantes a los proporcionados por el operador, como se indica en [13].
Posteriormente se va centrando el análisis en distintas secciones de interés de la red, como son el backbone, para analizar el comportamiento del tráfico en esta zona crítica del sistema, las ramas exteriores de la red, para analizar el tráfico generado por un determinado número de usuarios, pudiendo evaluar tanto el volumen de tráfico como los retardos sufridos por éste, además del efecto de los protocolos utilizados y, finalmente, determinadas aplicaciones en detalle, permitiendo observar la viabilidad de implementación. Es de especial interés en esta última implementación el estudio que puede hacerse mediante la inclusión de determinadas QoS en la red.
Como continuación de estos trabajos anteriores se aborda la inclusión de diferentes QoS y su influencia en el comportamiento de determinadas aplicaciones. Es interesante esta configuración con QoS a la hora de analizar la viabilidad de implementación de telefonía sobre IP en la red que actualmente está operando y ha sido simulada en detalle. También está previsto realizar un análisis detallado y posterior simulación del protocolo DOCSIS, empleado como protocolo de acceso a la red de cable. Una vez completado el estudio del protocolo se irán incluyendo de forma explícita aplicaciones (con especial interés en VoIP) que utilicen este protocolo de acceso y que estarán compitiendo por el uso de recursos del sistema con el resto de tráfico background en un esquema de simulación híbrida como el comentado en apartados anteriores.
Referencias
[1] García, M. Modelado de prestaciones de redes de área metropolitana de transmisión de datos, basadas en tecnología híbrida fibra-coaxial. PhD thesis, Universidad de Oviedo
[2] García, M., García, V.G., G.Pañeda, X.X., Bonis, R. Análisis y Modelado de la Red de Datos de un Operador de Cable, 2003
[3] Kleijnen, J.P.C. Validation of models: Statistical techniques and data availability. Proc. of 1999 Winter Simulation Conf., 647-654
[4] Floyd, S., Paxson, V. Difficulties in Simulating the Internet. IEEE/ACM Transactions on Networking, 2001
[5] Berrocal, J. Et al. Redes de acceso de banda ancha. Arquitectura, Prestaciones, Servicios y Evolución. Ministerio de Ciencia y Tecnología. Junio,2003
[6] Model Research and Development Report,” Hybrid Simulation-The key to fast and accurate results”,OPNET Technologies, Inc, January 2001
[7] Model Research and Development Report,” Micro-Simulation-Fast and Accurate Differentiated Flow Analysis”,OPNET Technologies, Inc
[8] S. Blake, D.Black, M.Carlson, E.Davies, Z.Wang, W.Weiss ,”An Architecture for Differentiated Services”,RFC-2475, December 1998
[9] K.Nichols, S.Blake, F.Baker, D.Black, ” Definition of the Differentiated Services Field (DS Field) in the IPv4 and IPv6 Headers”,RFC-2474, December 1998
[10] Model Research and Development Report, “Simulation Metodologies for the Analysis of QoS”,OPNET Technologies, Inc, September 2002
[11] Model Research and Development Report, “Building Network Topologies”,OPNET Technologies, Inc, September 2002
[12] Model Research and Development Report, “Representing Network Traffic”,OPNET Technologies, Inc, September 2002
[13] García, R. et al, “Implementación mediante OPNET de un modelo de red de cable”,Septiembre, 2003
