Medición y análisis del jitter en redes IP

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA “Medición y análisis del jitter en redes IP” Autor: Osniel Pozo Mederos.. Tutor: MSc. Carlos A. Rodríguez López.. Santa Clara (2008). "Año 50 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA. “Medición y análisis del jitter en redes IP”. Autor: Osniel Pozo Mederos.. Tutor: MSc. Carlos A. Rodríguez López. Profesor Auxiliar Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica Facultad de Ingeniería Eléctrica e-mail: [email protected]. Santa Clara (2008). "Año 50 de la Revolución".

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Automática, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Autor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. PENSAMIENTO La ciencia es el fundamento de todo progreso, que mejora la vida humana y alivia del sufrimiento. (Irene Joliot-Curie).

(5) ii. DEDICATORIA ¾ A mi familia, que me da fuerzas para seguir adelante. ¾ A esos amigos que me han ayudado en la realización de este sueño..

(6) iii. AGRADECIMIENTOS ¾ Al tutor, que con su asesoramiento, perseverancia y paciencia contribuyó de manera decisiva en la realización de la tesis. ¾ A los profesores Vitalio y Samuel por sus indicaciones precisas. ¾ Al profesor Ramón por facilitarnos el trabajo en el laboratorio. ¾ A todos los compañeros que han contribuido con su ayuda a la realización de este trabajo..

(7) iv. TAREA TÉCNICA. ¾ Revisión bibliográfica y evaluación crítica de las herramientas y métodos de medición del jitter. ¾ Diseño de experimentos para medir el jitter en un entorno concreto. ¾ Procesamiento de los datos y caracterización del comportamiento del jitter. ¾ Exposición crítica de las principales causas que afectan el comportamiento del jitter. ¾ Confección del informe.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) v. RESUMEN. Un fenómeno que afecta la calidad de servicio de las aplicaciones de voz sobre redes IP es el jitter, en el presente trabajo se obtienen resultados a través de mediciones reales y simulaciones, del comportamiento del mismo. Se consultan destacadas investigaciones que abordan el tema, resaltando la necesidad e importancia del estudio y tratamiento del jitter para lograr la convergencia de los flujos de voz y datos en las redes IP. Esta es una investigación novedosa en el departamento de Telecomunicaciones y tiene como objetivo principal lograr una contribución al conocimiento del jitter, mediante el análisis de las características del mismo. Como aportes más importantes se destacan el empleo de herramientas de software disponibles libremente y utilizadas por numerosos investigadores del tema, así como la realización de experimentos y su análisis gráfico..

(9) vi TABLA DE CONTENIDOS PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .....................................................................................................................ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii TAREA TÉCNICA................................................................................................................iv RESUMEN .............................................................................................................................v TABLA DE CONTENIDOS ................................................................................................vi INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................1 Organización del informe. ......................................................................................................3 CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS APLICACIONES DE VoIP. EL JITTER COMO UN FACTOR NEGATIVO EN ELLAS. ...............................................4 1.1 Conceptos necesarios........................................................................................................4 1.2 Evaluación de la calidad de VoIP. ....................................................................................7 1.3 Protocolos de flujo multimedia.......................................................................................10 1.4 Jitter. ...............................................................................................................................12 1.4.1 Terminología......................................................................................................12 1.5 Buffer de jitter.................................................................................................................12 1.5.1 Buffer de jitter estático........................................................................................13 1.5.2 Buffer de jitter adaptativo. ..................................................................................13 1.6 Notaciones del jitter........................................................................................................14 1.6.1 Jitter según la RFC 4689 o instantáneo. .............................................................14 1.6.2 Jitter según la RFC 3550. ...................................................................................15 1.6.3 Jitter absoluto. ....................................................................................................15 1.7 Evaluación de métodos para el estudio del jitter. ...........................................................16 1.7.1 Método de histograma entre arribos. ..................................................................16.

(10) vii 1.7.2 Método de captura. .............................................................................................17 1.7.3 Medida verdadera del jitter.................................................................................18 1.8 Factores que afectan la calidad de una llamada de VoIP................................................20 CAPÍTULO 2. MÉTODOS Y HERRAMIENTAS UTILIZADOS EN EL ESTUDIO DEL JITTER………...…………………………………………………………………………...22 2.1 Conformación de los paquetes de VoIP..........................................................................22 2.2 Consumo del ancho de banda de los codecs a diversos intervalos de transmisión de los paquetes. ...............................................................................................................................23 2.3 Evaluación de herramientas utilizadas............................................................................25 2.3.1 Ethereal...............................................................................................................25 2.3.2 Network simulator (NS)......................................................................................25 2.4 Escenario real..................................................................................................................26 2.5 Uso del simulador. ..........................................................................................................28 2.5.1 Scripts de entrada para simular...........................................................................28 2.5.2 Trazas de salida de las simulaciones...................................................................28 2.6 Modelo matemático. .......................................................................................................29 2.7 Escenario simulado. ........................................................................................................31 2.7.1 Tráfico simulado de una aplicación de VoIP con tráfico de carga FTP. ............31 2.7.2 Simulación de varias fuentes de VoIP empleando el modelo matemático descrito para caracterizar el comportamiento de las llamadas. .................................................34 2.8 Metodología de análisis. .................................................................................................35 CAPÍTULO 3. RESULTADOS DE LOS EXPERIMENTOS. ............................................36 3.1 Algoritmo utilizado para graficar el jitter correspondiente a los datos obtenidos durante la simulación. ........................................................................................................................36 3.2 Resultados del tráfico real...............................................................................................38.

(11) viii 3.3 Resultados del tráfico simulado......................................................................................41 3.3.1 Análisis de tráfico simulado de una aplicación de VoIP con tráfico de carga FTP………………. .....................................................................................................41 3.3.2 Resultados de la simulación de múltiples llamadas de VoIP..............................43 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...................................................................47 Conclusiones.........................................................................................................................47 Recomendaciones .................................................................................................................48 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................49 ANEXOS ..............................................................................................................................53 Anexo I .Procedimiento para la captura y obtención de estadísticas del tráfico de VoIP usando el Ethereal. ......................................................................................................53 Anexo II .Simulación de una aplicación de VoIP con supresión de silencio y tráfico de carga FTP.....................................................................................................................56 Anexo III Simulación de varias aplicaciones de VoIP con supresión de silencio y tráfico de carga FTP.....................................................................................................60.

(12) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. La transmisión y la conmutación de voz en forma de paquetes sobre redes de datos han suscitado, en los últimos años, un interés considerable. Esta combinación permite a los proveedores de servicios de Internet competir con los operadores convencionales de telefonía, sin tener que desplegar nuevas redes. La explosión de Internet, como resultado de la adopción de IP como protocolo universal de la red, ha conducido a una normalización activa de la señalización y del transporte de voz sobre redes IP. La denominada Voz sobre IP (VoIP) se ha indicado como la tecnología que accionará esta revolución, abriendo definitivamente el camino para la convergencia. La técnica VoIP está disponible desde hace más de quince años, y los estándares están plasmados desde. mediados de de los '90s, considerando tanto los protocolos de. señalización como los de transporte (ITU-T, 1998a; Rosenberg et al., 2003 y Schulzrinne et al., 2002), así como la codificación de voz (Cox y Kroon, 1996). El intenso desarrollo en las técnicas de procesamiento de voz y la transmisión de señales digitales ha propiciado el desarrollo de esta variante para brindar el servicio telefónico. En la actualidad se aprecia que la tecnología del establecimiento de una red se ha desarrollado, ofreciendo a los usuarios múltiples servicios y accesos de alta velocidad, pero la revolución aún está incompleta. De hecho, mientras que Internet se ha validado definitivamente como la única red de comunicaciones de datos, la mayoría del tráfico de la voz se origina a través de las redes orientadas a circuito (PSTN). Los estudios realizados en estos campos de investigación siempre han tenido presente el monitoreo y la caracterización del tráfico como una metodología acertada para entender la tecnología y operación de las redes de telecomunicaciones. Por este motivo la complejidad.

(13) INTRODUCCIÓN. 2. de Internet ha atraído a muchos investigadores a analizar mediciones del tráfico desde los tiempos pioneros. En el tráfico de datos se ha centrado la mayoría de este esfuerzo, mientras que la atención hacia las mediciones del tráfico de VoIP ha ido en aumento solamente en los últimos años. Esto constituye un incentivo para la realización del trabajo, donde se efectúan mediciones y análisis del tráfico de VoIP con el objetivo de contribuir al conocimiento del jitter que afecta la QoS en dichas aplicaciones. Dicho fenómeno se produce debido a que en una red conmutada, durante la comunicación, los paquetes de voz viajan sin orden hacia el destino final, donde deben ser reordenados antes de ser entregados a la aplicación. Es decir, aparece una variación de la demora en el tránsito de los paquetes a través de la red. Con el objetivo de resolver los problemas relacionados con esta situación se han desarrollado mecanismos de control para lograr un incremento en la QoS. Han surgido protocolos que se encargan de dar cierta prioridad a los paquetes de voz, reservando ancho de banda para aplicaciones con una razón de bits constante y se ha trabajado en el incremento del ancho de banda disponible con la implementación de tecnologías más rápidas y eficientes como ATM y SDH. De lo expuesto anteriormente se desprenden las siguientes interrogantes científicas: ¾ ¿Cuáles son los principales factores que afectan el comportamiento del jitter en aplicaciones de VoIP? ¾ ¿Se produce igual afectación en los distintos escenarios en los que se soportan aplicaciones de VoIP? ¾ ¿Cuáles son los méritos de las herramientas, medidas y métodos usados en el estudio del fenómeno del jitter? Con vistas a lograr la esencia de lo propuesto en la investigación se trazaron los siguientes objetivos específicos: ¾ Medir el jitter en conexiones de VoIP en un entorno específico. ¾ Analizar los datos y obtener una caracterización del comportamiento del fenómeno del jitter y de las causas que lo producen..

(14) INTRODUCCIÓN. 3. Como parte de este estudio se analizan los protocolos más importantes implicados en el transporte voz sobre redes de datos prestando mayor atención en el protocolo RTP y su protocolo de control RTCP por ser los más utilizados para esta aplicación. A través de las mediciones y simulaciones realizadas, haciendo uso de herramientas de software que son empleadas en la actualidad por la comunidad de investigadores del tema, se desea realizar un aporte a los conocimientos sobre el jitter y los problemas que el mismo representa para la calidad de los servicios ofrecidos por la telefonía IP. Organización del informe. El informe se compone de tres capítulos. En el primero de ellos se brinda una panorámica general de la estructura de las aplicaciones de VoIP. Se aborda lo referente a la evaluación de la calidad de las mismas a través del modelo E (regularizado por la Unión Internacional de Telecomunicaciones) y se describen los protocolos de transporte del flujo multimedia (RTP y RTCP). Además, se presentan varias de las métricas usadas para determinar los valores del jitter así como los métodos más empleados para el estudio del mismo. El segundo capítulo se dedica a la descripción de los materiales y métodos utilizados para la realización del trabajo. Aquí se analizan las características de los paquetes de VoIP, los escenarios donde se realiza el estudio del comportamiento del jitter y los modelos utilizados para describir el tráfico de voz. El último capítulo recoge los resultados obtenidos en los experimentos realizados en escenarios reales y simulados, bajo distintas condiciones de la red..

(15) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS APLICACIONES DE VoIP. EL JITTER COMO UN FACTOR NEGATIVO EN ELLAS.. 4. CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS APLICACIONES DE VoIP. EL JITTER COMO UN FACTOR NEGATIVO EN ELLAS.. En este capítulo se brinda una panorámica de las aplicaciones de VoIP, centrándose la atención en los aspectos relacionados con el jitter, por constituir este uno de los factores que afecta la calidad de la transmisión de voz sobre redes IP. En el primer epígrafe se mencionan los conceptos generales que caracterizan a una aplicación de telefonía IP. Seguidamente se realiza la descripción del modelo E, uno de los métodos más empleados para realizar la evaluación de la calidad de este servicio. En la sección 1.3 se describen los protocolos utilizados para el transporte del flujo de datos de estas aplicaciones interactivas. Los dos epígrafes siguientes abordan aspectos relacionados con las características del jitter y la forma de minimizar sus efectos de acuerdo con publicaciones recientes. El epígrafe 1.6 contiene algunas de las notaciones que permiten cuantificar el jitter y en el siguiente acápite se efectúa una evaluación de los métodos empleados en el estudio de este fenómeno. En 1.8 se mencionan los principales factores que afectan la calidad de una llamada de VoIP. 1.1. Conceptos necesarios.. Para realizar una descripción de la estructura de las aplicaciones de VoIP se analiza una aplicación que se compone de varios bloques, como se observa en la siguiente figura..

(16) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS APLICACIONES DE VoIP. EL JITTER COMO UN FACTOR NEGATIVO EN ELLAS.. 5. Figura 1. Esquema de una aplicación de VoIP (Bacciocola et al., 2007). En el lado del remitente, el primer componente es un codificador, que muestrea periódicamente la señal de voz. En la actualidad están disponibles una gran variedad de codificadores, proporcionando diversos niveles de compensación en el equilibrio entre la calidad y el consumo del ancho de banda. Los algoritmos básicos utilizados por la mayoría de los codificadores de voz son (Hersent et al., 2005): ¾ Cuantificación adaptativa. ¾ Cuantificación diferencial. ¾ Predicción linear. ¾ Predicción de largo plazo. ¾ Cuantificación vectorial. ¾ Codificación por entropía. Varias fuentes bibliográficas plantean la existencia de tres categorías de codecs: forma de onda, paramétricos (vocoders) e híbridos (véase, por ejemplo, Nascimento, 2006). Los codificadores de forma de onda realizan el muestreo y codificación de la señal analógica, sin preocuparse por la manera en que la misma fue producida. Generalmente.

(17) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS APLICACIONES DE VoIP. EL JITTER COMO UN FACTOR NEGATIVO EN ELLAS.. 6. ellos generan una señal de alta calidad y no son muy complejos. Su mayor desventaja radica en que consumen mayor ancho de banda que los otros tipos de codecs. Los vocoders intentan relacionar la señal de entrada con un modelo matemático de cómo esta es producida. Ellos normalmente utilizan un modelo de filtro para la señal de voz. La información es enviada hasta el receptor en forma de un conjunto de parámetros que representan la señal. El receptor utiliza el mismo modelo del transmisor para reconstruir la señal analógica. Estos codecs operan a bajas razones de transmisión, produciendo voz sintética. Los codecs híbridos pretenden utilizar lo mejor de las técnicas mostradas anteriormente. A pesar de intentar reproducir la forma de onda original, ellos también utilizan la información de cómo la señal fue producida. Su objetivo es ofrecer una buena calidad de voz utilizando razones más bajas que los codecs de forma de onda. La generación de tramas de voz puede ocurrir a intervalos periódicos, o, más comúnmente, modularse por la detección de la actividad de la voz (VAD). VAD consiste en la alternación natural de los períodos de ráfaga de voz y de silencio en un solo flujo (unidireccional) de una conversación bidireccional. Durante los períodos de silencio, no se producen tramas de voz, o se producen a una razón de bits reducida, para transportar un cierto ruido de confort al oyente. Este ruido es utilizado por un participante en la conversación para que el oyente no tenga la falsa percepción de que existen problemas en la comunicación. Un número de tramas de la conversación se pueden agrupar en la misma carga útil del paquete, para reducir los gastos de transporte, red y encabezados MAC, aunque a expensas del aumento del retraso de la transmisión. La carga útil de VoIP se encapsula típicamente en los paquetes de RTP/UDP/IP. En el lado del receptor, las tramas de voz son demultiplexadas e insertadas en el buffer de reproducción. Este último fuerza a las tramas de voz a ser decodificadas respetando el intervalo existente entre ellas cuando fueron generadas por el codificador. Para hacer esto, debe reordenar, retrasar o incluso descartar tramas, si estas llegan después del tiempo esperado de reproducción..

(18) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS APLICACIONES DE VoIP. EL JITTER COMO UN FACTOR NEGATIVO EN ELLAS.. 7. Los mencionados buffers de reproducción pueden ser fijos o adaptativos. El primero asume un retraso de la red constante durante una conversación. El último, en cambio, consiste en adaptar dinámicamente la reproducción a las condiciones cambiantes de la red. El buffer entrega las tramas de voz al decodificador, que realmente las reproduce. Algunos decodificadores implementan las técnicas de ocultación de pérdida de paquete (PLC) (véase, por ejemplo, Gündüzhan y Momtahan, 2001), lo que permite que el segmento perdido pueda ser reconstruido mediante la interpolación de las tramas circundantes. Las técnicas PLC pueden enmascarar, obviamente, un número limitado de pérdidas. Se muestra en (Markopoulou et al., 2002) que ellos reducen eficazmente el deterioro por pérdidas percibido por un oyente. 1.2 Evaluación de la calidad de VoIP. La evaluación de la calidad interactiva de VoIP ha sido asunto de varios trabajos. El método de evaluación más usado para VoIP es el llamado modelo E, regularizado por la Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU-T, 1998b, 1998c, 2001), el cual computa una estimación predictiva de la calidad subjetiva de la voz paquetizada según los parámetros de la transmisión. El resultado de un cómputo del modelo E es un número escalar, llamado factor R, obtenido como una función de retrasos, pérdidas de paquetes, deterioro de factores de los equipos, y calidad esperada de la llamada del usuario.. R = R 0 − I s − I d − I e ,eff + A Donde: R0 es la proporción señal a ruido (nivel de voz recibido relativo al ruido circuital y acústico). Is toma en cuenta los deterioros que ocurren con la señal de voz. Id suma todos los deterioros debido al retraso y efectos de eco. Ie,eff es el factor eficaz de deterioro del equipo, teniendo en cuenta el codec y su tolerancia a las pérdidas aleatorias de paquetes..

(19) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS APLICACIONES DE VoIP. EL JITTER COMO UN FACTOR NEGATIVO EN ELLAS.. 8. A es un factor que modela la expectativa del usuario de acuerdo con la tecnología empleada. Por ejemplo, el valor de A es mayor en las redes de satélite que en las redes de circuito conmutadas clásicas, porque las expectativas del usuario en las redes de satélite son más bajas que en las redes alambradas. El rango típico para el factor A es de [0, 20] y algunos valores propuestos por la Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU por sus siglas en inglés) se muestran en la tabla 1. Tabla 1. Valores del factor A propuestos por la ITU. Sistema de comunicaciones Teléfono inalámbrico. Celular en una edificación. Celular en un vehículo. Acceso a zonas geográficas lejanas (varios saltos de satélite).. Factor A 0 5 10 20. Finalmente, Ie,eff puede computarse como:. I e , eff = I e + (95 − I e. ). P pl P pl + B. pl. Donde: Ie es el factor de deterioro del equipo y se usa para caracterizar el comportamiento del codec a una razón de bit baja. Ppl es la probabilidad de pérdida de paquetes. Bpl es el factor de robustez del codec ante pérdidas de paquetes. El valor de los parámetros anteriores para los codecs más usados puede encontrarse en (ITU-T, 2001). Una vez que el factor R se obtiene, puede trazarse directamente un MOS estimado. El resultado del MOS se obtiene a través de la ecuación:. MOS = 1 + 0,035 R + 7.10 −6 R (R − 60 )(100 − R ).

(20) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS APLICACIONES DE VoIP. EL JITTER COMO UN FACTOR NEGATIVO EN ELLAS.. 9. El modelo anterior se usa, por ejemplo, en (Markopoulou et al., 2002) para evaluar el rendimiento de una infraestructura de VoIP sobre un backbone de Internet corriente. Otros autores han abordado estos modelos de evaluación de la calidad para VoIP. Por ejemplo, en (Balan, 2006) se plantea que en un sistema de VoIP, debido a que en realidad los retrasos y las pérdidas constituyen las afectaciones principales, solo los factores Id e Ie se toman como variables. Otros autores (véase Cole y Rosenbluth, 2001) han reducido el modelo a la siguiente ecuación, usando apropiadamente los valores seleccionados por defecto para los factores sustituidos:. R = 94,2 − I e − I d Sus pruebas han mostrado que la siguiente definición para Ie puede ser usada en la estimación del impacto de las pérdidas:. I e = λ1 + λ2 .l n (1 + λ3 .e) Donde λ1 cuantifica la degradación de la calidad de voz debido al codec, λ 2 y λ 3 se refieren a la degradación debido a las pérdidas y e representa la razón total de pérdidas de paquetes. Los valores para los parámetros λ han sido determinados a través de simulaciones con diferentes condiciones de pérdidas para diferentes codecs, y son reproducidos en la tabla 2 como se publicó en (Cole y Rosenbluth, 2001; Ding y Goubran, 2003). Tabla 2. Coeficientes para el cálculo del deterioro de la calidad debido a las pérdidas. Codec G.711 G.729 G.729 + VAD. Tramas/paquete 1 1 2. λ1 0 10 11. λ2 30 47.82 30. λ3 15 18 16. Por otra parte, el impacto del retraso ha sido modelado (Cole y Rosenblut, 2001) como:. I d = 0,024d + 0,11(d − 173,3)I (d − 173,3) Donde I (x) es una función paso unitario y d el retraso total de extremo a extremo. La forma de esta ecuación está justificada por la observación experimental de que después de.

(21) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS APLICACIONES DE VoIP. EL JITTER COMO UN FACTOR NEGATIVO EN ELLAS.. 10. un umbral calculado en 177.3 ms el retraso conduce a una degradación perceptiva más rápida. La función I(x)=0 si x<0 e I(x)=1 si x≥0. Los mismos autores interpretan los resultados del MOS según lo indicado en la tabla 3. Tabla 3. Interpretando los valores de los factores R y MOS (Cole y Rosenblut, 2001).. 1.3. Protocolos de flujo multimedia.. Los protocolos de transporte más utilizados en Internet, TCP y UDP, no logran por sí solos cumplir con los requerimientos para el transporte de datos en tiempo real. En enero de 1996 la IETF propuso y más tarde fue aprobada, la RFC 1889 (Schulzrinne, 1996) que sugiere el uso de RTP para el transporte de datos en tiempo real sobre redes por conmutación de paquetes. Este protocolo define el formato en el cual deben ser empaquetadas las tramas de voz y ofrece en su encabezado información necesaria para reconstruir el flujo original. Por otra parte, aprovecha la capacidad de multiplexación y suma chequeo de UDP, es decir, RTP corre preferiblemente sobre UDP pero está diseñado para trabajar independientemente de los protocolos utilizados en los niveles inferiores de red o transporte, como un protocolo independiente para la capa de transporte. Este protocolo es apropiado para todas las aplicaciones que requieran de la entrega de datos en tiempo real, por ejemplo, audio, video, audio y video, o simulación de datos. RTP no garantiza la calidad del servicio, ni posee mecanismo alguno para evitar la entrega desordenada o la pérdida de paquetes, este asume que los niveles inferiores son confiables y entregan los paquetes en orden. Junto a RTP trabaja el protocolo RTCP que se encarga de monitorear la entrega de datos y brindar así información acerca de la calidad del servicio..

(22) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS APLICACIONES DE VoIP. EL JITTER COMO UN FACTOR NEGATIVO EN ELLAS.. 11. Los servicios RTP incluyen identificación del tipo de carga (payload), sucesión numérica, y campo de tiempo. La información más importante en el encabezado de este protocolo es el cronometrado de la información. El Protocolo de Transporte de Tiempo Real compensa el jitter por una resincronización en los terminales. El transmisor pone en el campo de tiempo de cada paquete RTP el tiempo en que la primera muestra del paquete fue codificada. El receptor entonces usa este tiempo para reconstruir el cronometrado original antes de procesar los datos. Se hace esto de manera que cualquier jitter es suavizado, y se le da un retraso constante a los paquetes antes de grabar a la aplicación. La capacidad principal del RTP es el cálculo de un retraso promedio entre varios paquetes recibidos y la entrega de estos a la aplicación con un retraso constante similar al promedio. Esto es por supuesto sólo un estimado, y debe notarse que en el encabezamiento RTP se toma el tiempo de muestra. Si se rompe una trama de video en varios paquetes, esta colocación del tiempo no será reflejado como un tiempo exacto de envío en los paquetes que hayan hecho cola antes de ser enviados. La entrega de los paquetes RTP se supervisa por medio de un protocolo de control que proporciona regeneración a la fuente así como a los participantes de la sesión. El Protocolo de Control de RTP se basa en una transmisión periódica de paquetes de control a todos los participantes en la sesión, usando el mismo mecanismo de distribución de los paquetes de datos que en RTP. La función primaria del RTCP es proporcionar una regeneración a una aplicación con respecto a la calidad de los datos para la recepción. Las estadísticas proporcionadas por RTCP del remitente y el receptor, incluyen número de paquetes enviados, número de paquetes perdidos, jitter de llegada, retraso, etc. Esta información puede ser usada por la aplicación de transmisión para modificar la transmisión, por ejemplo, a otra razón de compresión, en un intento para mejorar la calidad. Esto es parte del papel integrador de RTP como un protocolo de transporte y está relacionado con el flujo y funciones del control de la congestión de otros protocolos de transporte..

(23) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS APLICACIONES DE VoIP. EL JITTER COMO UN FACTOR NEGATIVO EN ELLAS.. 12. 1.4 Jitter. El jitter es una variación de la demora en el tránsito del paquete, causada por la acción de realizar colas, así como los efectos de contención y serialización en el camino a través de la red (ITU-T, 2003). Se espera que el uso en aumento de los mecanismos del control de "QoS" como son los basados en las prioridades al hacer cola, reservación del ancho de banda y de conexiones de más alta velocidad tales como 100 Mbit Ethernet, E3/T3 y SDH reducirán la incidencia de problemas relacionados con el jitter. Es importante entender que el jitter no afecta directamente los valores del factor R y el MOS. La afectación a estos valores está relacionada con el número de paquetes perdidos, situación que puede producirse debido a elevados valores del mismo. La relación entre el jitter y el número de paquetes rechazados es indirecta debido a la presencia del buffer de jitter, cuyo propósito es, como se mencionó anteriormente, eliminar el jitter tanto como sea posible. 1.4.1 Terminología. En (ITU, 2003) se definen varios tipos de jitter: (1) Tipo A - jitter constante. Este es un nivel aproximadamente constante de la variación del retraso de paquete a paquete. (2) Tipo B -jitter transitorio. Está caracterizado por un incremento sustancial en la demora que puede ser provocada por un solo paquete. (3) Tipo C - variación de la demora en cortos plazos. Este está caracterizado por un incremento de demora que persiste para un cierto número de paquetes, y puede estar acompañado por un aumento de la variación de la demora de paquete a paquete. El jitter tipo C se asocia comúnmente a la congestión y los cambios de ruta. 1.5 Buffer de jitter. El buffer de jitter se diseña para eliminar la variación en los tiempos de arribo de los paquetes pertenecientes a un flujo de voz, mediante el almacenamiento de cada paquete durante un intervalo de tiempo antes de efectuarse su reproducción. El propósito del.

(24) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS APLICACIONES DE VoIP. EL JITTER COMO UN FACTOR NEGATIVO EN ELLAS.. 13. algoritmo del buffer de jitter es mantener la demora de almacenamiento tan corta como sea posible mientras se minimiza el número de paquetes descartados (aquellos que arriban demasiado tarde para su reproducción). Es decir, existe una relación inversa entre la demora y la pérdida de paquetes. Los siguientes métodos son los usados para el diseño de un buffer de jitter (Gupta et al., 2007). 1.5.1 Buffer de jitter estático. El método tradicional consiste en almacenar los paquetes en un buffer antes de ser enviados al decodificador. Debido a que los paquetes pueden llegar fuera de secuencia, el buffer de jitter no responde estrictamente a la estructura “primero en llegar-primero en salir”, sino que se reordenan los paquetes de ser necesario. Un procedimiento empleado es definir un buffer con un número fijo de paquetes. Como resultado de esto se obtiene un sistema con demora constante y mínima complejidad. La desventaja de este método es que el tamaño del buffer debe ser suficientemente grande para que ante el peor caso se puedan acomodar los paquetes antes de ser reproducidos. Este buffer de jitter está implementado por medio de colas de paquetes, y el máximo tamaño de la cola puede determinarse usando una interfaz de configuración. El tamaño del buffer depende de las características de la llamada, del codec empleado, así como del número de tramas de audio incluidas en los paquetes RTP. Cuando un buffer de jitter estático es usado en un sistema para almacenar los paquetes de media, es necesario conocer el tipo de codec usado y el número esperado de tramas por paquete. 1.5.2. Buffer de jitter adaptativo.. Con el propósito de mantener la demora tan corta como sea posible, es importante que el algoritmo del buffer de jitter se adapte rápidamente a las condiciones de cambio de la red. Por lo tanto, los buffers de jitter con asignación de tamaño dinámico son denominados buffers de jitter adaptativos. La adaptación se alcanza mediante el incremento o decremento de la profundidad del buffer para eliminar el jitter en el arribo de los paquetes RTP. Usando las estampas de tiempo RTP es posible estimar la diferencia relativa del tiempo de arribo de.

(25) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS APLICACIONES DE VoIP. EL JITTER COMO UN FACTOR NEGATIVO EN ELLAS.. 14. los paquetes al destino. Este buffer controla el flujo de paquetes de media de acuerdo a los cambios de demora en la red. Múltiples investigaciones se han realizado para abordar lo relacionado con los buffers de jitter adaptativos. Entre los algoritmos más conocidos se encuentran los desarrollados por Moon ( Moon et al., 1998) y Ramjee (Ramjee et al., 1994).. 1.6 Notaciones del jitter. En este epígrafe se discuten varias métricas del jitter usadas por los dispositivos de prueba (JDSU, 2005). Si todos los paquetes en el flujo están enumerados con un subíndice (i=0,1,…N), cada paquete del flujo RTP tiene dos estampas de tiempo asociadas con él. ti - es el tiempo de recepción del paquete en el dispositivo de prueba (estampa de tiempo del hardware). ri -es la estampa de tiempo RTP tomada por el encabezado RTP de cada paquete. 1.6.1 Jitter según la RFC 4689 o instantáneo. Teniendo en cuenta la RFC 4689, el cálculo del jitter requiere la medida de cuatro parámetros: ¾ Tiempo de transmisión del primer paquete en el par. ¾ Tiempo de recepción del primer paquete en el par. ¾ Tiempo de transmisión del segundo paquete en el par. ¾ Tiempo de recepción del segundo paquete en el par. La demora entre paquetes entre el paquete recién recibido y el previo es calculada usando la siguiente fórmula:. ∆t i = t i − t i −1 , donde i = 1, 2 ...N Además, usando las estampas de tiempo RTP, la demora entre paquetes prevista es calculada por:.

(26) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS APLICACIONES DE VoIP. EL JITTER COMO UN FACTOR NEGATIVO EN ELLAS.. 15. ∆ri = ri − ri −1 , donde i = 1, 2 ...N El jitter instantáneo, entonces, es definido como la desviación entre ∆ti y ∆ri :. J i = ∆t i − ∆ri 1.6.2 Jitter según la RFC 3550. La especificación RTP (RFC 3550) describe un algoritmo recomendado para calcular el jitter. Este algoritmo toma en cuenta que el jitter instantáneo descrito previamente es un resultado brusco. La RFC propone aplicar un filtro paso bajo al jitter instantáneo. Más específicamente, este jitter suavizado es calculado desde el instantáneo de acuerdo a la fórmula siguiente:. j1 = J 1 ji =. 15 1 ji −1 + J i , donde i = 2, ...N 16 16. 1.6.3 Jitter absoluto. El jitter instantáneo y el recomendado por la RFC están basados en las demoras entre paquetes. Sin embargo, si el primer paquete es tomado como referencia, se puede calcular lo siguiente:. ∆t i = t i − t 0 ∆ri = ri − r0. , donde i = 2 ...N. ∆ti muestra el tiempo de arribo actual de cada paquete calculado relativo al primer paquete (referencia). ∆ri es el tiempo de arribo previsto, calculado en relación al primer paquete. El jitter absoluto, entonces, es definido como la desviación entre estos dos tiempos:. Gi = ∆t i − ∆ri.

(27) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS APLICACIONES DE VoIP. EL JITTER COMO UN FACTOR NEGATIVO EN ELLAS.. 16. Por lo tanto, el jitter instantáneo puede ser visto como el jitter absoluto con el movimiento del punto de referencia, donde cada paquete es la referencia para el paquete previo. La principal virtud del jitter absoluto radica en que a través del mismo se puede visualizar el corrimiento del reloj que pudiera existir entre diferentes estaciones de telefonía IP (JDSU, 2005). 1.7 Evaluación de métodos para el estudio del jitter. Tres métodos comunes de medición del jitter son: el método de histograma entre arribos, el método de captura y post-procesamiento y el método de la medición verdadera del jitter en tiempo real (Spirent Communications, 2007). El hardware requerido para la medida del jitter varía con los métodos anteriores, con la razón de los datos que deben ser analizados y con la exactitud de la medida deseada. El tráfico lento puede analizarse usando una PC y el método de la captura, obteniéndose una aproximación. La mejor resolución que puede lograrse con una PC es de 1 ms. En contraste, la medida verdadera de jitter en tiempo real a alta definición requiere hardware especializado que con precisión procesa los datos en tiempo real a razones de hasta 10Gb/s. Equipos de prueba de alto rendimiento logran hoy una exactitud mejor que los 100ns. No se consideran otros métodos porque ellos son insuficientes para los ambientes de prueba de laboratorio. Por ejemplo, el jitter puede aproximarse como la diferencia entre la latencia máxima y mínima de los paquetes en un período dado de tiempo. Este método sin embargo, falla en la medición de la latencia de pares de paquetes. Es más, los resultados pueden adulterarse por los cambios grandes en la latencia. Por ejemplo, la latencia a través de un dispositivo podría aumentar de 20 ms a 200 ms durante el período de la prueba. En este caso, el jitter calculado sería 180 ms, que estaría bien lejos del jitter paquete a paquete actual. 1.7.1 Método de histograma entre arribos. El método entre llegadas es una manera popular de medir el jitter. Usa el “truco” de transmitir los paquetes a un intervalo constante conocido. De esta forma, dos de los cuatro.

(28) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS APLICACIONES DE VoIP. EL JITTER COMO UN FACTOR NEGATIVO EN ELLAS.. 17. parámetros necesarios para la medición del jitter según la RFC 4689 son predeterminados. Como los paquetes se transmiten a un intervalo fijo conocido, sólo el tiempo entre llegadas de los paquetes recibidos será medido. La diferencia en el tiempo entre llegadas de los paquetes es el jitter instantáneo. Los valores entre llegadas son medidos durante un período de tiempo moderado y mostrados en un histograma. Este método tiene una limitación crítica y unas fallas de exactitud. La limitación crítica es que deben enviarse los paquetes a intervalos iguales. Esto restringe la medida a sólo tráfico periódico constante con los intervalos del paquete fijos. Dependiendo de la complejidad del hardware generador, podría existir una restricción que requiere también un tamaño fijo de los paquetes. Si el hardware puede variar el tamaño del paquete pero mantiene el intervalo entre paquetes exacto, entonces pueden usarse los tamaños variables de estos. Debido a que deben enviarse los paquetes en intervalos absolutamente iguales, se hace imposible medir el jitter en un tráfico a una razón variable (tráfico a ráfagas). Una falla de la exactitud del método de histograma entre llegadas ocurre cuando un paquete se pierde. El tiempo de llegada entre los dos paquetes antes y después del paquete perdido será grande y corromperá el histograma entre llegadas. Para eliminar la corrupción de los resultados, las medidas deben ser desechadas cuando ocurre la pérdida del paquete. Sin embargo, solamente el equipo de prueba más avanzado es capaz de desechar el paquete perdido entre los datos que llegan. Un defecto relacionado con la exactitud de este método es que el mismo no puede considerar la llegada de los paquetes fuera de orden. Paquetes que llegan en un orden diferente del que fueron enviados también hacen corrupta la medida. 1.7.2 Método de captura. Otra manera común de medir el jitter es capturar todos los paquetes y después procesar los datos fuera de línea. La mayoría de los equipos de prueba ponen una firma en los paquetes enviados y así el fichero de la captura contiene toda la información necesaria (estampas de tiempo en los paquetes indicando los tiempos de transmisión de los mismos y buffers de captura indicando los tiempos de recepción). Las firmas también incluyen la información.

(29) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS APLICACIONES DE VoIP. EL JITTER COMO UN FACTOR NEGATIVO EN ELLAS.. 18. de secuencia del paquete, permitiendo efectuar una compensación en caso de paquetes perdidos o fuera de secuencia al usar este método. La limitación crítica del método de la captura es el espacio finito en el buffer. Este puede llenarse rápidamente si los datos se envían a gran velocidad. Otra limitación de este método es la carencia de tiempo real, para realizar el análisis de causa y efecto. La depuración y el análisis temporal se reducen grandemente si se desea cambiar la carga de tráfico o los parámetros de la configuración de los dispositivos, y observar el efecto en la medida del jitter. Estas operaciones en tiempo real no son posibles con el método de la captura. 1.7.3 Medida verdadera del jitter. Para proporcionar un conjunto de definiciones estándares de la industria, Metro Ethernet Forum (MEF) lanzó la especificación de MEF 10 en el 2004. Esta contiene una sección que define la manera apropiada de medir el jitter teniendo en cuenta los paquetes perdidos o corruptos. La figura 2 es un diagrama que ilustra cómo Spirent TestCenter 2.0 implementa la definición de la medida del jitter de MEF 10..

(30) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS APLICACIONES DE VoIP. EL JITTER COMO UN FACTOR NEGATIVO EN ELLAS.. 19. Figura 2. Diagrama para la medida del jitter. Si el paquete es el primero recibido en la secuencia, entonces la demora de transferencia del mismo se calcula y se almacena. Si no es el primero en secuencia entonces un chequeo necesita ser realizado para cerciorarse de que está en la secuencia correcta. Si el paquete no está en secuencia, se desechan los resultados del tiempo de espera y este es tratado como el primer paquete "nuevo" en la secuencia. Esto elimina la medida corrupta causada por los paquetes perdidos o fuera de secuencia. Si el paquete recibido no es el primero y está en secuencia, entonces el retraso es calculado y se guarda..

(31) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS APLICACIONES DE VoIP. EL JITTER COMO UN FACTOR NEGATIVO EN ELLAS.. 20. La variación de retardo (jitter) es calculada tomando la diferencia de retraso del paquete actual y del anterior. Los valores máximo, mínimo, y de jitter acumulados son actualizados y salvados. Finalmente, el retraso del paquete actual se salva (para ser utilizado como el retraso del paquete anterior. cuando llega el siguiente). Este algoritmo se ejecuta en. hardware con razones de hasta 10Gb/s. Las ventajas principales de la medida verdadera del jitter en tiempo real son la no dependencia de la necesidad de enviar los paquetes en un intervalo conocido y que el método puede medir el jitter a razones de tráfico variable. Además, este método no restringe la duración de la prueba debido a que el cálculo ocurre en tiempo real mientras se reciben los paquetes sin necesidad de la captura de los mismos. También compensa las situaciones de paquetes perdidos y fuera de secuencia mientras produce resultados en tiempo real para la realimentación inmediata incluso al variar parámetros de tráfico o del dispositivo e incluye análisis complejos tales como gráficas o histogramas. 1.8 Factores que afectan la calidad de una llamada de VoIP. Hay cuatro aspectos principalmente que afectan la calidad de una llamada de VoIP (Ribadeneira, 2007). 1. El retraso del proceso nodal, que consiste en el tiempo empleado para digitalizar, comprimir y paquetizar los datos de voz. Este mismo retraso es experimentado en el extremo remoto, porque los paquetes tienen que ser desagrupados, descomprimidos, y los datos digitales tienen que ser convertidos en audio. Algunos codecs introducen un retraso nodal de procesamiento adicional, porque para modelar señales vocales humanas necesitan utilizar más ciclos de la CPU. 2. El retraso acumulado del remitente al receptor tiene que estar por debajo de 150 ms. Según (Chong y Mathews, 2004) el retraso que es imperceptible al oído humano es de150 ms. Retrasos que están en el rango de 150 a 250 msec son aceptables, pero cuando estos son mayores que 400 ms son inaceptables. Además, la Unión Internacional de Telecomunicaciones recomienda que el retraso máximo permisible para una comunicación de tiempo real sea 150 ms..

(32) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS APLICACIONES DE VoIP. EL JITTER COMO UN FACTOR NEGATIVO EN ELLAS.. 21. 3. El jitter o variación en el retraso entre los paquetes RTP tiene que estar por debajo de los valores tolerables, para que el buffer de jitter pueda manejar este evento. Cuando existen altos valores de jitter en una red de computadoras, el resultado es el descarte de paquetes por el buffer, lo que es equivalente a la pérdida de los mismos. De hecho, aún cuando los paquetes llegan al extremo remoto, el buffer de jitter desechará los paquetes que están fuera de un marco de tiempo aceptable (Chong y Mathews, 2004). 4. La pérdida de paquetes tiene que estar bajo un límite permisible máximo. VoIP confía en las capas RTP y UDP para enviar los paquetes por las redes, por lo que bajo condiciones de pérdida de estos, no hay retransmisión alguna. Según (Walsh y Kuhn, 2005), un 5% de pérdidas de paquetes puede provocar que una llamada sea catastrófica. Investigaciones previas también indican que el máximo tolerable es del 3%..

(33) CAPÍTULO 2. MÉTOTODOS Y HERRAMIENTAS UTILILIZADOS EN EL ESTUDIO DEL JITTER.. 22. CAPÍTULO 2. MÉTODOS Y HERRAMIENTAS UTILIZADOS EN EL ESTUDIO DEL JITTER.. Este capítulo recoge la descripción de los materiales y métodos empleados para realizar la medición del jitter. Contiene además los modelos matemáticos utilizados para reproducir el comportamiento de las aplicaciones de VoIP en las simulaciones efectuadas. Se inicia este capítulo con dos epígrafes dedicados al análisis del proceso de conformación de los paquetes de VoIP y al consumo del ancho de banda de los codecs G.711 y G.729 respectivamente, lo que resulta de gran importancia para la creación de los patrones de voz en el proceso de simulación de aplicaciones de VoIP. En la sección 2.3 se realiza la evaluación del Ethereal y el Network Simulator 2 (ns2), que son los medios usados para realizar la captura y simulación de flujos de voz. El epígrafe siguiente contiene la descripción de los experimentos efectuados para obtener la información correspondiente al tráfico real de voz en una red IP. En 2.5 se tocan los aspectos relacionados con el uso de simulador. El acápite siguiente recoge las interioridades de un modelo matemático empleado para caracterizar el tráfico telefónico ofrecido por un sistema de telecomunicaciones. En el epígrafe 2.7 se describen los componentes que conforman el experimento simulado. Se concluye el capítulo con el análisis de la metodología a seguir para el procesamiento de los resultados obtenidos de las pruebas realizadas. 2.1 Conformación de los paquetes de VoIP. Para clarificar el proceso de construcción de un paquete de VoIP se toma como ejemplo el codec G.711. Este muestrea 8000 veces por segundo, y cada muestra contiene 8 bits de datos. Haciendo un cálculo simple se puede deducir que la razón de datos a la cual este protocolo funciona es 64.000 bps o 64 kbps..

(34) CAPÍTULO 2. MÉTOTODOS Y HERRAMIENTAS UTILILIZADOS EN EL ESTUDIO DEL JITTER.. 23. El codec G.711 así como otros codecs estándares puede transmitir datos en diferentes ciclos de transmisión o intervalos del tiempo. Para este ejemplo particular, se utiliza un ciclo de transmisión de 20 milisegundos. Esto significa que en un segundo se transmiten solamente 50 paquetes de VoIP. Por lo tanto, si el índice de datos del codec es 64 kbps o 8000 bytes/sec, entonces cada paquete puede contener solamente 8000 octetos/50 = 160 octetos de datos de carga útil. Para construir un paquete de VoIP se necesita agregar los encabezados apropiados de todas las capas del conjunto de protocolos TCP/IP. A los 160 octetos de datos de la carga útil del codec por paquete se le agregan los encabezados RTP/UDP/IP (12, 8 y 20 octetos respectivamente). En la conformación de la trama de datos, se le añade además el encabezado correspondiente a la capa física utilizada.. 2.2 Consumo del ancho de banda de los codecs a diversos intervalos de transmisión de los paquetes. A partir de lo explicado en la sección anterior, se puede generalizar y obtener la ecuación siguiente para calcular el consumo del ancho de banda de una llamada VoIP operando a distintos ciclos de transmisión. Para este análisis no se asume la supresión del silencio para los codecs.. Bw (kbps ) =. (C + E ) ⋅ 8 I. C: carga útil por paquete (bytes). E: encabezados (bytes). I: intervalo de transmisión (ms). Sustituyendo los ciclos de transmisión con los valores deseados en la ecuación mostrada se puede determinar el ancho de banda consumido por los codecs. En (Ribadeneira, 2007) se muestran tablas usando varios intervalos de transmisión sobre redes Ethernet para los.

(35) CAPÍTULO 2. MÉTOTODOS Y HERRAMIENTAS UTILILIZADOS EN EL ESTUDIO DEL JITTER.. 24. codecs G.711 y G.729. Los resultados de la figura se obtienen mediante el uso de MATLAB empleando los valores publicados en (Ribadeneira, 2007).. Figura 4. Consumo del ancho de banda de los codecs G.711 y G.729. Puede ser visto claramente que el consumo del. ancho de banda varía drásticamente. dependiendo del ciclo de transmisión. Se observa que los codecs tienen grandes ineficiencias en el consumo del ancho de banda operando a intervalos de transmisión entre 1 y 5 ms. Sin embargo, a intervalos de transmisión de 20 milisegundos se observa que se consume menos ancho de banda que para los ciclos mencionados, además, se aprecia que para intervalos mayores el consumo no mejora de forma considerable y se introducen mayores retardos. De hecho, 20 ms es un estándar para el intervalo de los paquetes de VoIP. Si se implementa la detección de la actividad de la voz se puede consumir menos ancho de banda que el mostrado para los codecs analizados porque no se envían paquetes en la red durante los períodos de silencio..

(36) CAPÍTULO 2. MÉTOTODOS Y HERRAMIENTAS UTILILIZADOS EN EL ESTUDIO DEL JITTER.. 25. 2.3 Evaluación de herramientas utilizadas. 2.3.1 Ethereal.. La herramienta utilizada en este trabajo para efectuar la captura de tráfico de voz en un ambiente real se denomina Ethereal. Este es un potente analizador de paquetes de red multiplataforma con licencia open source que tiene la funcionalidad de analizar el tráfico RTP. Se puede descargar desde la página del Ethereal (ver indicaciones en Lamping et al., 2005). El código fuente del mismo está libremente disponible bajo GNU General Public License. Dicho software funciona actualmente en la mayoría de las plataformas de UNIX y varias plataformas de Windows. Para obtener los resultados deseados con el uso del Ethereal debemos seguir un conjunto de pasos. Algunos de los fundamentales se mencionan a continuación: ¾ Epecificar la interfaz donde se realizará la captura. ¾ Configuración del filtro de captura.. Una vez que se comienza a capturar tráfico por la interfaz seleccionada y hasta concluir, una ventana informa acerca del número de paquetes capturados. Cuando se culmina la captura, se muestran todos los paquetes. ¾ Para visualizar solamente los del protocolo RTP se debe introducir un filtro. En el. campo de texto al lado de Filter se coloca: rtp. ¾ Si los paquetes no se muestran como RTP se marca uno de ellos, se va al menú. Analyze – Decode as y se selecciona que los paquetes se muestren como RTP. ¾ Luego dirigirse a Statistics-RTP-Stream Analysis para conseguir algunas. estadísticas. ¾ El botón grapht permite obtener una muestra gráfica del comportamiento de jitter. en el tráfico analizado. 2.3.2. Network simulator (NS).. Además, se hace uso de un simulador de redes denominado ns2 para modelar varias situaciones experimentales que permitan analizar el comportamiento del jitter en diversos ambientes. Esta es la segunda versión de una herramienta desarrollada por el proyecto.

(37) CAPÍTULO 2. MÉTOTODOS Y HERRAMIENTAS UTILILIZADOS EN EL ESTUDIO DEL JITTER.. 26. VINT la cual es ampliamente usada por la comunidad de investigadores en redes. Existen diferentes niveles de configuración en ns-2 al ser del tipo “open source”. Incluye diversos modelos comunes del protocolo IP (Fall, 1999) y posee la capacidad de crear aplicaciones y protocolos personalizados. Cuenta con un animador de red llamado nam que reproduce una animación a nivel de paquete. De igual forma, tiene la habilidad de cambiar parámetros en distintas capas y soporta varias fuentes de generación de tráfico como son: web, FTP, CBR e importación de tráfico desde un archivo binario externo. Los simuladores de red pueden dividirse en varios tipos (por ejemplo: protocolo, tecnología, o método de procesamiento), pero la categorización más general es por el método de simulación (Flores et al., 2006). Existen dos métodos típicos de simulación: 1) eventos discretos 2) simulación analítica. El primero produce predicciones en la red a bajo nivel (paquete por paquete), lo cual lo hace preciso pero lento al momento de generar los resultados. El segundo, utiliza modelos matemáticos para producir los resultados a mayor velocidad en comparación con el primero, pero sacrifica precisión. La utilización más usual es combinar ambas metodologías para formar un simulador híbrido con el fin de proveer un desempeño aceptable en términos de velocidad pero manteniendo la precisión en áreas críticas. El simulador usado en este estudio utiliza simulación de eventos discreta y analítica por lo cual es un denominado simulador híbrido. 2.4 Escenario real.. Existen 3 tipos diferentes de servicio de VoIP que son usados comúnmente en la actualidad: ¾ ATA- Una manera simple y común es a través del uso de un dispositivo llamado. ATA (adaptador de teléfono analógico). Un teléfono estándar puede conectarse a una computadora o una conexión Internet para hacer uso de la tecnología de VoIP a través de un ATA. ¾ Teléfonos IP- Estos teléfonos especiales tienen un aspecto similar a los normales,. pero en lugar de tener el conector estándar RJ-11 poseen un conector RJ-45 Ethernet para realizar la conexión a un switch o router. ¾ De computadora a computadora.- Esta es la manera más fácil de usar la telefonía IP.. En este caso se hace uso de un software (soft phone) corriendo en las computadoras con una conexión Internet..

(38) CAPÍTULO 2. MÉTOTODOS Y HERRAMIENTAS UTILILIZADOS EN EL ESTUDIO DEL JITTER.. 27. En este trabajo se realiza un experimento basado en mediciones pasivas recogidas en la LAN universitaria donde se estudia el comportamiento del jitter en el tráfico de telefonía IP. Siguiendo los pasos definidos en la sección 2.3.1 para el trabajo con el Ethereal se filtran los datos y se centra la atención en el flujo multimedia. Se efectúa el análisis sobre un flujo bidireccional, siendo monitoreados los paquetes recibidos por el nodo donde se efectúa la captura. El tráfico analizado es generado por una popular aplicación de VoIP llamada X-Lite. El objetivo del experimento es caracterizar el fenómeno del jitter, teniendo en cuenta las métricas expuestas en el capítulo 1. Los escenarios de prueba propuestos para recoger el tráfico de la aplicación de VoIP son los siguientes:. Figura 5. Escenario 1.. Figura 6. Escenario 2. El software empleado para efectuar la captura brinda un análisis del flujo RTP, mostrando la variación de demora de los paquetes, el jitter según la RFC 3550, información relacionada con la pérdida de paquetes RTP y errores de secuencia, entre otros parámetros. Además, permite que algunos de estos datos puedan ser obtenidos en un fichero de texto, lo que posibilita el manejo de los mismos con vistas a realizar análisis y procedimientos con otras herramientas..

(39) CAPÍTULO 2. MÉTOTODOS Y HERRAMIENTAS UTILILIZADOS EN EL ESTUDIO DEL JITTER.. 28. Matlab fue el software empleado para procesar esta información pues permite el uso de funciones para la manipulación de textos y el posterior trazado de las gráficas. 2.5 Uso del simulador.. En este punto se tratará lo referente a las implementaciones realizadas en el simulador para crear los ambientes de red deseados. 2.5.1. Scripts de entrada para simular.. El código del simulador ns-2 está escrito en C++ y en Object TCL (OTcl). Existe una correspondencia biunívoca entre una clase en C++ (jerarquía compilada de clases en ns-2) y una clase en OTcl (jerarquía interpretada) (Bajaj, 1999). Toda la información de configuración y control de una simulación en ns-2 está especificada en el script OTcl de entrada. Los objetos de simulación (nodos, enlaces, fuentes de tráfico, etc.) son creados a través de instancias en el script, e inmediatamente se reflejan en la jerarquía compilada de C++. El script de entrada define la topología, construye los agentes (fuentes y destinos), especifica los ficheros de trazas y los tiempos de comienzo de los eventos en la simulación. El simulador siempre ejecuta los eventos en el orden especificado en la lista de tiempo. 2.5.2. Trazas de salida de las simulaciones.. Las trazas de salida en ns-2 tienen un formato fijo, como ejemplo de ello se muestra el fichero nam de salida en la siguiente figura..

(40) CAPÍTULO 2. MÉTOTODOS Y HERRAMIENTAS UTILILIZADOS EN EL ESTUDIO DEL JITTER.. 29. Figura 7. Trazas de salida de las simulaciones. Cada una de las columnas señaladas indica lo siguiente (de izquierda a derecha): 1). Tipo de evento. Puede ser recibido (r), en cola (+), liberado de la cola (d), o. descartado (d). 2). Instante de tiempo del evento correspondiente.. 3). Uno de los nodos en la topología entre los que ocurre la traza.. 4). El otro nodo implicado en la traza.. 5). Descripción del paquete particular (TCP data, TCP ack, UDP, CBR, etc.). 6). Tamaño del paquete en bytes.. 7). Usado para diferenciar entre diferentes flujos en la simulación.. 8). Identificador único de paquete.. 9). Número de secuencia del paquete.. También se puede obtener un fichero de salida con extensión tr, que recoge solo los campos de mayor uso en la interpretación de los resultados. Ambos ficheros son utilizados en el presente trabajo. 2.6 Modelo matemático.. Con el fin de obtener una solución analítica para los problemas de teletráfico se hace necesario seguir un modelo matemático del tráfico ofrecido por el sistema de telecomunicaciones. Un modelo simple está basado en asumir lo siguiente (Flood, 1995): Tráfico aleatorio independiente. Equilibrio estadístico. Asumir tráfico aleatorio independiente significa que el arribo y terminación de llamadas son eventos aleatorios independientes. Las llamadas hechas por un usuario individual no se hacen al azar. Sin embargo, en el tráfico total generado por un gran número de usuarios se observa un comportamiento similar a que si las llamadas se generaran de forma aleatoria. Si el arribo de llamadas es un evento aleatorio independiente, su ocurrencia no se ve afectada por llamadas previas. Se plantea por lo tanto que este tráfico carece de memoria. Esto implica además que el número de fuentes que generan llamadas sea muy grande. Si el.

(41) CAPÍTULO 2. MÉTOTODOS Y HERRAMIENTAS UTILILIZADOS EN EL ESTUDIO DEL JITTER.. 30. número de fuentes es pequeño y varias están ocupadas, entonces la razón a la cual nuevas llamadas pueden ser generadas es menor que si estuvieran todas las fuentes libres. Asumir que el arribo y terminación de llamadas son procesos aleatorios conduce a los siguientes resultados: - El número de llamadas en un tiempo dado sigue una distribución de Poisson:. P( x) =. µx x!. ⋅ e −µ. Donde x es el número de arribo de llamadas en el tiempo T y µ es el número medio de arribo de llamadas en T. Por esta razón, el tráfico aleatorio independiente es también llamado tráfico poissoniano. - Los intervalos T, entre arribos de llamadas son intervalos entre eventos aleatorios independientes que siguen una distribución exponencial negativa: −t. P (T t ) = e T Donde T es el intervalo medio entre arribo de llamadas. - Como el arribo de cada llamada y su terminación son eventos aleatorios independientes, la duración de la llamada, T, es el intervalo entre dos eventos aleatorios y tiene una distribución exponencial negativa:. P (T t ) = e. −t h. Donde h es el promedio de duración de la llamada. El hecho de asumir que la terminación de las llamadas ocurre de forma aleatoria puede parecer indebido, porque implica que es tan probable que una llamada termine al poco tiempo de iniciarse como que concluya luego de establecerse durante mucho tiempo. Sin embargo, en la práctica, algunas llamadas son cortas y otras son largas, dando como resultado que los tiempos durante los que se sostienen las mismas sean observados como una distribución exponencial negativa..

(42) CAPÍTULO 2. MÉTOTODOS Y HERRAMIENTAS UTILILIZADOS EN EL ESTUDIO DEL JITTER.. 31. Asumir equilibrio estadístico significa que la generación del tráfico es un proceso aleatorio estacionario, es decir, las probabilidades no cambian durante el período considerado. Por lo tanto, el número medio de llamadas en progreso permanece constante. 2.7 Escenario simulado. 2.7.1 Tráfico simulado de una aplicación de VoIP con tráfico de carga FTP.. -Topología.. Figura 8. Topología de la red. - Enlaces: Nodos 2, 3, 4, 5 – Router 0: 10 Mbps, retardo de 10ms. Router 0 – Router 1: 2 Mbps, retardo de 20ms. Nodos 6, 7, 8, 9 – Router 1: 10 Mbps, retardo de 10ms. El tipo de buffer usado es el DropTail, que implementa una estructura FIFO y se descartan los paquetes al desbordarse el mismo. El límite de la cola utilizado para cada uno de los enlaces es de 80 paquetes. - Tráfico de VoIP.. Para obtener los patrones de tráfico VoIP se utilizó la generación de tráfico que proporciona el simulador. En el experimento inicial se utiliza tráfico CBR, sin supresión de silencio. Se.

(43) CAPÍTULO 2. MÉTOTODOS Y HERRAMIENTAS UTILILIZADOS EN EL ESTUDIO DEL JITTER.. 32. recrearon los distintos codificadores a utilizar mediante la colocación del tamaño de los paquetes y el intervalo de tiempo entre la generación de los mismos. Métodos similares se emplean en (Nascimento, 2006). En este caso está siendo simulado el tráfico de voz utilizando el codec G.711. En G.711 cada muestra de 8 bits es transmitida en un intervalo de 125 µs (64 kbps). En la simulación cada muestra posee 160 bytes de carga útil, correspondientes a 20 ms de voz. En conjunto, las muestras de voz, más las cabeceras IP (20 bytes), UDP (8 bytes) y RTP (12 bytes) componen paquetes de 200 bytes, transmitidos a 80 kbps. set udp [new Agent/UDP] set null [new Agent//Null]] $ns attach-agent $n(src) $udp $ns attach-agent $n(dst) $null $ns connect $udp $null Esto crea una conexión UDP entre dos nodos. En ns2, un agente UDP es el servidor y un agente NULL es el cliente de la conexión. El procedimiento 'attach-agent' une un agente a un nodo, 'connect' crea una conexión lógica entre los agentes UDP y NULL. set cbr0 [new Application/Traffic/CBR] $cbr0 attach-agent $udp $cbr0 set packetSize_ $cbr0 set interval_ Se crea el generador de tráfico CBR y se colocan sus parámetros. Las primeras dos líneas crean el objeto generador de tráfico y lo unen al agente UDP creado anteriormente. Los parámetros a configurar son:. 'packetSize_ ' indica el tamaño del paquete, donde se incluyen la carga útil y las cabeceras. 'set interval_ ' indica el intervalo de tiempo entre los paquetes generados. En un segundo experimento se utiliza la generación de tráfico EXP (exponencial), basándonos en los criterios plasmados en (Brady, P. T., 1965, 1968, 1969) donde se.

(44) CAPÍTULO 2. MÉTOTODOS Y HERRAMIENTAS UTILILIZADOS EN EL ESTUDIO DEL JITTER.. 33. introduce un modelo ON/OFF para los patrones conversacionales. Gran parte de los análisis de desempeño de sistemas de voz por paquetes están basados en este modelo creado para el estudio de detectores de voz empleando la técnica TASI (Time Assigned. Speech Interpolation), también conocida como DSI (Digital Speech Interpolation), donde la actividad de la señal de audio se modeló alternando entre dos estados: ráfaga de voz y período de silencio. En la aproximación del modelo empleado se usan períodos de ráfaga de la voz de 1 segundo de duración media, seguidos por períodos de silencio de 1.5 segundos de duración media siguiendo una distribución exponencial. set expoo [new Application/Traffic/Exponential]] $expoo attach-agent $udp $expoo set packetSize_ $expoo set burst_time_ $expoo set idle_time_ $expoo set rate_ Estas líneas crean un generador de tráfico exponencial ON/OFF y se asignan sus parámetros. Los parámetros a configurar son:. ' packetSize _ ' indica el tamaño del paquete. ' burst_time _ ' es el tiempo promedio activo del generador. ' idle_time _ ' es el tiempo promedio inactivo del generador. ' rate_ ' es la razón de transmisión durante los períodos activos. - Tráfico de carga.. Para crear condiciones de carga en la red se ha usado la fuente de tráfico propietaria de ns2, generando otro tipo de tráfico, en este caso FTP. El protocolo de transferencia de ficheros (FTP) es utilizado extensivamente en Internet para copiar ficheros de un lugar a otro. El mismo es orientado a transacciones y enfocado a.