Estudo da Qualidade de Serviço de uma Aplicação
VoIP em Ambientes Wireless com Handoff
Patrícia Aloise Couto
Orientador: Prof. Dr. João Batista Bezerra
Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós - Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação da UFRN como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Ciências.
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Estudo da Qualidade de Serviço de uma Aplicação
VoIP em Ambientes Wireless com Handoff
Patrícia Aloise Couto
Dissertação de Mestrado Aprovada em 19 Fevereiro de 2010 pela banca examinadora composta pelos seguintes membros:
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Prof. Dr. João Batista Bezerra (orientador) . . . DCA/UFRN
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Prof. Dr. Sergio Vianna Fialho (Avaliador Interno) . . . .DCA/UFRN
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Agradecimentos
___________________________________________________________________________ A Deus por todas as oportunidades que me foram concedidas.
A minha família pelo apoio e incentivo durante toda esta jornada.
Em especial aos amigos e colaboradores Ronaldo Maia de Medeiros, membro da diretoria de Redes da Superintendente de Informática - SINFO (UFRN) e a Rafael Marrocos Magalhães, aluno de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da UFRN, que contribuíram de maneira substancial na elaboração desse trabalho de pesquisa.
Aos colegas que fizeram parte de todos os experimentos, Anderson Cláudio, Aluísio Igor, Bruno Ferreira e Grace Soares, membros da SINFO.
Aos colegas Judson Andrade Borges, Analista de Suporte da Secretaria Municipal de Meio Ambiente e Urbanismo do Natal - SEMURB e Rodrigo Cesar da Silva Batista, Técnico de Informática da SEMURB, pela colaboração durante os momentos finais do desenvolvimento desse trabalho de pesquisa.
Ao meu orientador João Batista Bezerra pela oportunidade de orientação oferecida e por acreditar na capacidade de realização desse trabalho me auxiliando sempre que possível. A Aluízio Ferreira da Rocha Neto, Superintendente da SINFO, por permitir a disponibilização de material e a infra-estrutura da SINFO, essenciais para o desenvolvimento desse trabalho. Ao desenvolvedor do Wimanager, Vinícius Samuel pelo auxílio nos momentos de dificuldade.
Aos Professores Sergio Vianna Fialho, Pablo Javier Alsina, Andrés Ortiz Salazar, Marcos César Madruga Alves Pinheiro e Ronaldo Martins, pelo apóio acadêmico oferecido.
Aos meus colegas da UFRN, Adriano Bresolin, Ricardo Valentim, Raimundo Viégas, Heliana, Sérgio Badiali, Marcone, Mônica, Marcelo Mariano (in memorian) que sempre me apoiaram no decorrer do curso e que nunca hesitaram em me ajudar nos momentos de dificuldade.
Ao CNPq pelo financiamento durante parte do tempo de realização do Curso de Mestrado. Aos meus colegas internautas, Waldir Aranha Moreira Junior, Mestre em Ciências da Computação da Universidade Federal do Pará – UFPA; ao Profº Júlio César da Costa Ribas do CEFET- SC; ao Profº Júlio César Magro da Faculdade IBTA de Campinas; a Helio Waldman, Revisor de periódico da IEEE Transactions on Communications; a Fabiano Nunes Machado de Abreu e Souza, Especialista em telecomunicações; a Sandro Roberto Ferrari, Administrador de redes de computadores; ao Profº Arlindo Flavio da Conceição, do Departamento de Ciência e Tecnologia do campus São José dos Campos da Universidade Federal de São Paulo – UNIFESP. A Camila Soares Barbosa e Regiane Mendes Barbosa, Tecnólogas em Redes de Comunicação pelo Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás. A todos, os meus sinceros agradecimentos por me auxiliaram em várias pesquisas e dúvidas que surgiram no decorrer desse trabalho de pesquisa.
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Resumo
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Este trabalho trata de estudos experimentais a respeito de conexões VoIP em redes WiFi 802.11b com mobilidade de um dos usuários envolvidos na conexão de voz e, por conseguinte, na presença de handoff. Os experimentos são realizados em ambientes indoor e
outdoor com foco na medição dos parâmetros de desempenho usualmente tidos como indicadores da qualidade de serviço - QoS em aplicações VoIP: atraso, vazão, jitter, e perda de pacotes. Os parâmetros de desempenho são obtidos com o auxílio das ferramentas Ekiga, Iperf e Wimanager que possibilitam, respectivamente, simular uma conexão VoIP, injetar tráfego controlado em um ambiente de rede WiFi e medir a vazão, o jitter e a perda de pacotes. O atraso médio é obtido analiticamente a partir da vazão medida e do uso do conceito de tempo de transmissão virtual médio de um pacote de voz. A aferição da aceitação dos resultados é feita com base nos níveis de serviços tidos como adequados na literatura para cada uma das métricas obtidas nos experimentos.
Abstract
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This work deals with experimental studies about VoIP conections into WiFi 802.11b networks with handoff. Indoor and outdoor network experiments are realised to take measurements for the QoS parameters delay, throughput, jitter and packt loss. The performance parameters are obtained through the use of software tools Ekiga, Iperf and
Wimanager that assure, respectvely, VoIP conection simulation, trafic network generator and metric parameters acquisition for, throughput, jitter and packt loss. The avarage delay is obtained from the measured throughput and the concept of packt virtual transmition time. The experimental data are validated based on de QoS level for each metric parameter accepted as adequated by the specialized literature.
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Sumário
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Sumário i
Lista de Figuras iii
Lista de Tabelas iv
Lista de Símbolos e Abreviaturas v
Capítulo 1 ... 1
Introdução ... 1
1.1 Organização do Trabalho... 2
Capítulo 2 ... 3
Fundamentação do Estudo de Caso ... 3
2.1 Estado da Arte ... 3
2.2 O Padrão 802.11 ... 7
2.2.1 Serviços do Padrão 802.11 ... 10
2.2.2 Padrão 802.11b ... 10
2.2.3 Qualidade de Serviço no padrão 802.11 ... 11
2.3 Mobilidade ... 13
2.3.1 Handoff ... 13
2.4 Voz sobre IP ... 15
2.4.1 Codecs ... 16
2.4.2 Protocolos VOIP ... 16
2.4.2.1 - Protocolos de Mídia ... 17
2.4.2.2 - Protocolos de Sinalização ... 18
2.4.2.3 - Protocolo de Inicialização de Sessão (SIP) ... 18
2.6- Conclusão ... 19
Capítulo 3 ... 20
Modelagem e Metodologia dos Experimentos ... 20
3.1 Problemas e Desafios de Uma Comunicação VoWiFi ... 20
3.2 A Modelagem dos Experimentos ... 21
3.2.1 Caracterização dos Ambientes para Realização dos Experimentos ... 21
3.2.2 Os Softwares Ekiga, Wimanager, Scripts em Bash Shell, Cacti e o Iperf no Ambiente dos Experimentos. ... 23
3.4 Conclusão ... 34
Capítulo 4 ... 35
Experimentos e Análise dos Resultados ... 35
4.1- Contextualizações dos Experimentos em Ambiente Indoor ... 35
4.1.1- Experimentos no ambiente indoor sem tráfego controlado. ... 36
4.1.2- Ambiente Indoor Com Adição de Tráfego Controlado. ... 38
4.2 – Contextualização dos Experimentos em Ambiente Outdoor ... 41
4.2.1- Ambiente Outdoor sem Adição de Tráfego Controlado ... 42
4.2.2 - Ambiente Outdoor Com Adição de tráfego Controlado ... 44
4.3 – Contextualização dos Experimentos em Ambiente Outdoor no Automóvel ... 48
4.4.1- Paradas do Automóvel no Instante de Handoff ... 49
4.4.2- A Não Ocorrência de Paradas do Automóvel no Momento de Handoff. ... 52
4.5 – Conclusão ... 54
Capítulo 5 – Conclusão ... 55
Referências Bibliográficas ... 57
Apêndice A ... 61
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Lista de Figuras
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Figura 2.1- Posição do IEEE 802.11 no modelo de referência OSI. ... 8
Figura 2.2 - Topologia do padrão 802.11 no modo Infra-Estuturado... 9
Figura 2. 3 - Processo de Handoff. ... 14
Figura 2.4- Protocolos VoIP. ... 17
Figura 2.5- Pilha de protocolos H.323 e SIP. ... 18
Figura 2.6 - Estabelecimento de uma sessão com protocolo SIP. ... 19
Figura 3.1- Ilustração do ambiente indoor para a realização dos experimentos. ... 22
Figura 3. 2- Ilustração do ambiente outdoor para a realização dos experimentos. ... 23
Figura 3.3 - Ilustração da Aplicação Ekiga. ... 24
Figura 3.4 - Ilustração do Iperf em modo cliente. ... 25
Figura 3.5- Ilustração do Iperf em modo servidor. ... 25
Figura 3.6- Ilustração dos resultados exibidos pelo Cacti no AP da SINFO ... 26
Figura 3. 7– Ilustração dos resultados gerados pelo Wimanager. ... 27
Figura 3. 8 – Modelo para o cálculo do atraso. ... 29
Figura 3. 9 – Ambiente indoor sem adição de tráfego controlado. ... 32
Figura 3.10 - Ambiente indoor com adição de tráfego controlado. ... 32
Figura 3. 11- Ambiente outdoor sem adição de tráfego controlado. ... 33
Figura 3.12–Ambiente outdoor com adição de tráfego controlado. ... 33
Figura 3.13 –Ambiente outdoor dentro de um automóvel. ... 34
Figura 4.1- Atrasos indoor sem adição de carga controlada. ... 37
Figura 4. 2- Jitterindoor sem adição de carga controlada. ... 37
Figura 4.3- Vazão indoor sem adição de carga controlada. ... 38
Figura 4. 4 - Perda de pacotes indoor sem adição de carga controlada. ... 38
Figura 4.5– Atraso indoor com adição de carga controlada. ... 39
Figura 4. 6– Jitter indoor com adição de carga controlada. ... 40
Figura 4.7- Vazão indoor com adição de carga controlada. ... 40
Figura 4.8 - Perda de pacotes indoor com adição de carga controlada. ... 41
Figura 4.9 - Atraso outdoor sem adição de carga controlada. ... 43
Figura 4.10 - Vazão outdoor sem adição de carga controlada. ... 43
Figura 4.11- Atraso e a vazão em ambiente outdoor sem adição de carga controlada. ... 43
Figura 4.12 - Jitter outdoor sem adição de carga controlada. ... 44
Figura 4. 13–Perda de pacotes outdoor sem adição de carga controlada. ... 44
Figura 4.14- Trajetória percorrida caminhando com a estação móvel em ambiente outdoor. . 45 Figura 4. 15 – Atraso outdoor com adição de carga controlada. ... 46
Figura 4 16–Vazão outdoor com adição de carga controlada. ... 46
Figura 4. 17–Atraso e a vazão outdoor com adição de carga controlada. ... 47
Figura 4. 18- Jitter outdoor com adição de carga controlada. ... 47
Figura 4.19 –Perda de pacotes outdoor com adição de carga controlada. ... 48
Figura 4.20- Trajetória do percurso completo realizado no automóvel. ... 49
Figura 4. 21 - Valores do atraso em relação à quilometragem ... 50
Figura 4. 22 - Valores do jitter em relação à quilometragem. ... 50
Figura 4 .25- Valores do atraso e da vazão em relação à quilometragem. ... 52
Figura 4 .26- Valores do atraso em relação à quilometragem. ... 53
Figura 4. 27 - Valores do jitter em relação à quilometragem. ... 53
Figura 4.28 - Valores da vazão em relação à quilometragem. ... 53
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Lista de Tabelas
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Tabela 2. 1- Descrição dos Cenários [Barbosa et al. 2009] ... 5
Tabela 2. 2 – Resumo dos padrões IEEE 802.11[Kurose & Ross 2006]. ... 8
Tabela 2.3- Limites aceitáveis dos parâmetros de desempenho com QoS segundo ... 13
Tabela 3.1- Camadas e seus respectivos cabeçalhos. ... 30
Tabela 3.2 -Informações sobre o codec G.711. ... 30
Tabela 4.1- Ambiente indoor sem adição de carga controlada. ... 36
Tabela 4 .2 –Ambiente indoor com adição de carga controlada. ... 39
Tabela 4 .3 - Ambiente outdoor sem adição de tráfego controlado. ... 42
Tabela 4. 4 - Testes realizados outdoor com adição de carga controlada. ... 45
Tabela 4.5- Métricas de desempenho parando o automóvel no momento de handoff ... 49
Lista de Símbolos e Abreviaturas
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ACK Acknowledgement message AP Access Point
BSS Basic Service Set
CODEC Compression and Decompression Components dB Decibéis
ESS Extended Service Set IAPP Inter Access-Point Protocol
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IETF Internet Engineering Task Force
IP Internet Protocol
ITU-T International Telecommunication Union Telecommunication Branch PSTN Public Switched Telephone Network
QoS Quality of Service RTP Real Time Protocol
RTCP Real Time Transport Control Protocol SDP Session Description Protocol
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Capítulo 1
Introdução
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O desenvolvimento tecnológico vivenciado na última década na área de integração de serviços de comunicação sobre redes de comunicação de dados é uma realidade na qual tem se destacado a tecnologia de voz sobre IP – VoIP. Ela vem se apresentando como uma alternativa de baixo custo aos serviços de comunicação de voz tradicionalmente ofertados através das redes públicas de telefonia. É uma tecnologia à disposição dos usuários, integrando voz e dados num mesmo equipamento terminal, abrindo um novo horizonte para novas aplicações nas redes de computadores.
A disseminação de VoIP é atual e uma das aplicações que mais cresceram em utilização nos últimos anos, motivada principalmente pela redução de custos de telefonia para empresas e consumidores residenciais. Além disso, a convergência do serviço de voz com a rede de dados abre espaço para uma grande variedade de inovações que podem revolucionar a maneira como pessoas e empresas encaram a comunicação [Barbosa et al. 2009].
Em uma comunicação utilizando VoIP, um quesito de extrema importância se refere aos fatores que influenciam a percepção da qualidade da voz, são eles: o codec de voz utilizado, a variação do atraso (jitter), o atraso fim-a-fim e a perda de pacotes. Esses parâmetros determinam a qualidade de voz que trafega sobre IP, determinando a inteligibilidade ou não da comunicação, entre a codificação e decodificação do sinal [Almeida 2008].
Apesar de se basearem em um rede que não oferece garantias, as aplicações VoIP alcançam bons resultados, considerando o custo-benefício entre o preço e os padrões de qualidade oferecidos pelo sistema telefônico convencional, o que tem sido o principal motivo da grande difusão dos aplicativos de VoIP e da contínua evolução no acesso ao serviço público de telefonia [Barbosa et al. 2009].
Paralelamente à popularização de VoIP, a utilização das redes locais sem fio baseadas no padrão IEEE 802.111 cresceu gradualmente, se tornando o padrão de fato, equipando dispositivos móveis tais como notebooks, palmtops, telefones celulares, entre outros. Essas redes evoluíram não apenas em termos de capacidade detransmissão, mas também em termos de confiabilidade e área de cobertura. Atualmente é comum se encontrar áreas urbanas cobertas por pelo menos uma alternativa de conectividade sem fio [Almeida 2008].
Segundo Krob et al. (2007), um dos principais desafios a ser trabalhado pela comunidade científica na utilização dessas redes refere-se à mobilidade das estações usuárias, especificamente quando uma estação muda de um Access Point - AP para outro, ocasião em que o sistema de comunicação controla a operação de handoff. É dentro dessa perspectiva que têm sido realizadas muitas pesquisas como, por exemplo, o trabalho de Conceição et al. (2008) que faz “um levantamento dos principais problemas e restrições da transmissão de voz sobre redes 802.11”. Por outro lado, tanto a academia quanto a indústria propuseram extensões às especificações originais de IEEE 802.11 com intuito de melhorar o seu
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Conjunto de padrões definidos pelo IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) para redes locais
desempenho e adequá-lo aos requisitos das aplicações de tempo real. Em conseqüência, atualmente uma das soluções apresentadas para os problemas de handoff em redes 802.11, é o padrão de transmissão sem fio 802.11r, formalmente aprovado e publicado pelo IEEE em 2008, no qual são estabelecidos padrões de segurança e de qualidade da conexão, possibilitando a redução pela metade do tempo de transição do processo de handoff [PCWORLD 2009].
Apesar da solução proposta para os problemas de handoff em aplicações VoWiFi, o fato é que para cada aplicação em perspectiva se faz necessário a realização de estudos específicos, incluindo a realização de experimentos. É dentro desse contexto que se insere o presente trabalho tendo em vista uma possível utilização em serviços de vigilância móvel no âmbito da UFRN. Para isso, são realizados experimentos que buscam avaliar o comportamento das comunicações VoIP em redes 802.11b com handoff, isto é, com mobilidade em pelo menos um dos lados da conexão VoIP.
Os experimentos com as comunicações VoWiFi são concretizados em dois ambientes da UFRN, um denominado de indoor e o outro de outdoor, ambos com equipamentos 802.11b, nos quais busca-se avaliar o desempenho dos parâmetros de QoS, escolhidos como objeto de estudo: o atraso, o jitter, a vazão e a perda de pacotes, para o serviço VoWiFi2. Esses parâmetros são medidos através das ferramentas Ekiga, Iperf e Wimanager que possibilitam, respectivamente, simular uma conexão VoIP, injetar tráfego controlado em um ambiente de rede WiFi e medir a vazão, o jitter e a perda de pacotes. Já o atraso médio é obtido analiticamente a partir da vazão medida e do uso do conceito de tempo de transmissão virtual médio de um pacote de voz. A verificação da aceitação dos resultados é feita com base nos níveis de serviços tidos como adequados na literatura para cada uma das métricas obtidas nos experimentos. Por fim, diante dos resultados alcançados nos experimentos, analisa-se a porcentagem de usabilidade do padrão 802.11b em cada ambiente proposto nesse trabalho.
1.1 Organização do Trabalho
O trabalho está dividido em cinco capítulos. No segundo capítulo é feita uma revisão bibliográfica com o objetivo de apresentar os fundamentos teóricos necessários à formulação da temática do objeto em estudo enfatizando o padrão 802.11b, o serviço VoIP e o handoff. O capítulo 3 apresenta a modelagem e a metodologia utilizadas para a realização dos experimentos, bem como os ambientes de execução dos testes. No capítulo 4 são apresentados os resultados dos experimentos e a análise de desempenho dos mesmos, sendo feitas comparações desses resultados com os parâmetros de qualidade de voz tidos como ideais por especialistas da literatura. O quinto capítulo apresenta as conclusões finais onde são ressaltadas considerações relativas à proposta do trabalho, assim como os resultados alcançados e as perspectivas para trabalhos futuros.
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Capítulo 2
Fundamentação do Estudo de Caso
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Este capítulo está organizado em quatro seções nas quais são apresentados os fundamentos teóricos que dão suporte ao objeto de estudo desse trabalho. A seção 2.1 sintetiza os estudos realizados em dois artigos, onde um aborda sobre o problema da análise de desempenho de aplicações VoIP em ambientes sem fio com handoff, enquanto o outro trata da avaliação do desempenho de aplicações VoIP ponto - a - ponto.
Na seção 2.2 é feita uma síntese do padrão 802.11 no modo infra-estruturado com suas extensões e características, sendo enfatizado o padrão 802.11b por ser o padrão utilizado nos experimentos a serem utilizados como campo de estudo. A seção 2.3 provê embasamento aos capítulos 3 e 4 fazendo uma breve explanação dos aspectos relevantes da mobilidade, principalmente no que se refere ao processo de handoff em redes 802.11.Naseção2.4 é feita a caracterização do serviço VoIP, sendo destacados as características e categorias dos codecs, dando ênfase ao codec utilizado nos experimentos desse trabalho, assim como os protocolos necessários a uma comunicação VoIP.
2.1 Estado da Arte
A utilização de serviços de voz sobre redes de dados sem fio vem se difundindo nos ambientes empresariais e residenciais, inclusive com mobilidade que introduz novos problemas no sistema de protocolos que controla a comunicação e por essa razão tem sido objeto de muitas pesquisas. Para os propósitos do presente trabalho são destacadas as pesquisas de Conceição et al. (2009) e de Barbosa et al. (2009) que abordam respectivamente o problema da análise de desempenho da qualidade de serviço de aplicações VoIP em redes sem fio com handoff, enquanto a outra, trata da avaliação do desempenho de aplicações VoIP ponto- a - ponto.
A publicação de Conceição et al. (2009), faz uma avaliação da comunicação de voz sobre redes IEEE 802.11. Para isso, caracteriza empiricamente os problemas de transmissão, mencionando situações em que a implantação de VoWiFi é viável, utilizando as tecnologias atualmente disponíveis. Os dois principais problemas enfatizados no trabalho foram a longa duração das migrações (handoffs) e a ocorrência de tráfegos em rajada3.
Para a análise dos tráfegos de VoWiFi foram utilizados programas geradores de tráfego nas linguagens C e Java simulando o tráfego de uma sessão VoIP. Os programas transmitem fluxos bidirecionais de pacotes à taxa de 50 pacotes por segundo; ou seja, um pacote a cada
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20ms. Foi simulada uma sessão de VoIP de 24 Kbps. Os programas geradores de tráfego, a cada pacote recebido, registraram a perda de pacotes e o atraso. Para evitar que as especificidades de um ou outro dispositivo Wi-Fi atrapalhassem as medições, foram executados os geradores de tráfego utilizando diferentes interfaces em cinco redes IEEE 802.11 diferentes.
A perda de pacotes foi detectada comparando-se o número de seqüência de dois pacotes consecutivos (o número de seqüência está registrado no cabeçalho do Real Time Protocol - RTP de cada pacote). Para obter o atraso de entrega de um pacote enviado do computador “A” para o computador “B”, foi utilizado um programa que converte as marcas de tempo feitas em um computador “A” para o referencial de tempo de um computador “B”. Para fazer essa conversão, foram sincronizados os relógios de maneira similar ao protocolo RTP atualizando o clock drifting4. Para implementar esse mecanismo, foi necessário estender o protocolo RTP, adicionando dois campos: o last received timestamp e o last received sequence number.
Foram observados durante os experimentos dois obstáculos para a implantação de VoWiFi: o handoff e o tráfego em rajadas. Durante os experimentos foi verificado que o
handoff em redes IEEE 802.11b não é suficientemente suave, a ponto de não ser percebido durante a execução de uma chamada de voz. Foi notificada também, a alta incidência de tráfego em rajadas em todos os experimentos.
Diante da análise dos experimentos, Conceição et al. (2009), concluiu que as rajadas podem ser originadas por diferentes fatores, como por exemplo: os scannings, as interferências externas, as interrupções de processamento e a carga excessiva da rede.
Em relação ao handoff, foi analisado que as durações deles variavam em função dos ambientes onde foram executados, observando uma variação significativa de uma execução para outra entre 4.25 segundos e 16.19 segundos. Ainda foi evidenciado que a utilização de VoWiFi é viável, desde que durante uma chamada, a mobilidade seja baixa, a qualidade do sinal seja suficientemente alta e a capacidade de transmissão da rede não seja excedida.
O trabalho de Barbosa et al. (2009), avalia o comportamento e o desempenho de aplicações VoIP Ponto - a - Ponto, como o Skype e o Google Talk quando submetidas a condições variadas darede, pontuando suas qualidades e deficiências.
Nesta pesquisa, foram considerados diferentes valores para a capacidade de enlaces críticos, como o atraso e perda de pacotes, além de assumir a qualidade do áudio recebido como parâmetro de desempenho. Isso foi observado através do algoritmo Perceptual Evaluation of Speech Quality - PESQ5 usado para inferir o valor do Mean Opinion Score - MOS6 baseando-se na comparação entre o áudio enviado e recebido, além do grau de impacto que cada parâmetro da rede oferece para a qualidade doáudio recebido.
4
São marcações de tempo feitas em computadores diferentes que podem divergir ao longo do tempo.
5
O PESQ é um método objetivo automatizado para avaliação da qualidade do áudio recebido que faz uma predição do MOS equivalente.
6
O MOS foi padronizado pelo International Telecommunication Union (ITU-T) para fazer uma abordagem de
avaliação subjetiva computando a média das notas individuais atribuídas por um grande número de pessoas que ouvem um áudio resultante de um processo de codificação e decodificação, onde a nota varia de 1 (ruim) a 5
Nos experimentos realizados, o tráfego gerado do emissor para o receptor é capturado para computar a vazão e a variação do atraso (o jitter). Ele é definido sobre dois pacotes quaisquer contidos em um fluxo, sendo calculado pela diferença entre os atrasos unidirecionais. Para calculá-lo foi desenvolvida uma ferramenta em C++ usando o libpcap7, denominada de IPstat. Essa ferramenta tem como entrada dois arquivos gerados pelo TCPDump8 e pelo Ethereal9. O primeiro arquivo contém os pacotes capturados na máquina que originou o fluxo e o segundo possui os pacotes capturados na máquina que recebeu o fluxo de voz. Para calcular a vazão baseada no tráfego capturado, foi adotado o TcpStat10. A avaliação de desempenho das aplicações foi feita em um ambiente de rede controlado conforme apresentado na Tabela 2.1. Os cenários “A”, “B” e “C” foram estabelecidos com o objetivo de analisar o impacto da variação das condições da rede na qualidade das sessões de áudio e no comportamento das aplicações. Cada cenário considerou um mesmo áudio de 60 minutos dividido em 60 replicações de um minuto cada.
Tabela 2. 1- Descrição dos Cenários [Barbosa et al. 2009]
O cenário “A” tratou da qualidade das sessões de áudio e o comportamento das aplicações quando a rede apresentou enlaces críticos de diferentes capacidades. Os valores:
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É uma biblioteca necessária para prover interface para outras ferramentas que capturam pacotes da rede tal como TCPdump.
8
O TCPdump é nativo no Linux, faz monitoramento de tráfego em redes Ethernet, colocando a placa de rede em modo promiscuo.
9
O Ethereal é um analisador de protocolos de rede, que ao contrário do TCPdump executa em modo gráfico.
10
20kbps, 30kbps, 40kbps, 50kbps e 100kbps, representaram a capacidade residual de um caminho, também chamada de banda disponível. Como nesse cenário o objetivo foi verificar o impacto da variação da capacidade, foi adotado para todas as capacidades analisadas um atraso de 10ms e perda de pacotes nula.
No cenário “B” foi analisado o impacto do atraso na qualidade da sessão de áudio e no comportamento das aplicações. Os valores de atraso de 1ms, 10ms, 100ms e 1000ms, se referiram ao atraso em um sentido (one way delay). O atraso em um sentido é de 100ms e o
round trip time - RTT é de 200ms. A capacidade residual foi fixada em 100kbps, pois se constatou que nenhuma das aplicações envia fluxos com vazão acima desse valor. A perda de pacotes foi configurada em 0% para todos os experimentos deste cenário.
No cenário “C” foi verificado a qualidade da sessão de áudio e o comportamento das aplicações sob diferentes taxas de perda de pacotes, como: 0%, 1%, 5%, 10% e 20%. Nesse cenário, a capacidade e o atraso são fixados em 100kbps e 10ms, respectivamente.
Antes de iniciar a conversa, no processo de estabelecimento de uma chamada entre dois usuários, o Skype investiga as condições de rede e determina se a comunicação será de forma direta ou através de uma terceira máquina que realizará o papel de intermediar a sessão de áudio. Uma vez que o caminho da comunicação é escolhido (direto ou indireto), ele permanece durante toda a chamada, mesmo que as condições de rede mudem. Percebeu-se também que os comportamentos dos fluxos enviados pelo Skype mudam à medida que as condições de rede variam. Em todos os cenários, apesar do número médio de pacotes enviados ser constante, outras características do fluxo transmitido pelo Skype muda, como por exemplo, os tamanhos médio, máximo e mínimo dos pacotes.
O Google Talk se comporta de forma oposta ao Skype. No momento que a aplicação percebe que as condições de rede são adversas, mesmo que a chamada esteja em curso, a triangulação11 ocorre. Entretanto, as características de transmissão do fluxo nunca variam. Em todos os cenários, o Google Talk transmite o fluxo de áudio a uma média de 25kbps, com muita variabilidade.
Portanto, ambas as aplicações se adaptam dinamicamente a variações nas condições de rede, onde o Skype se adapta mudando as características de transmissão do fluxo de voz (provavelmente mudando o codec, ou alterando parâmetros do codec), e o Google Talk se adapta realizando uma triangulação na comunicação, procurando caminhos melhores para comunicação.
Em condições ideais de rede, com atraso mínimo, taxa de perda de pacotes nula e banda disponível suficiente, o Skype apresentou uma qualidade de áudio melhor que o Google Talk, pois atingiu valores maiores do MOS de 3.9 contra 3.4, sofrendo menos degradação que o áudio transmitido pelo Google Talk. Entretanto, quando submetido a condições de rede muito abaixo do aceitável (e.g. perdas acima de 40% e capacidade residual inferior a 20kbps), o
Google Talk tem a vantagem de mudar o caminho da comunicação durante a chamada, ao contrário do Skype, que desliga a chamada. Em cenários onde se varia a capacidade residual, deduziu-se que o Google Talk é menos sensível ao jitter do que o Skype. Quando submetido à perda de pacotes, foi observado que o mecanismo de adaptação do Google Talk demora a reagir.
Os resultados apresentados por Barbosa et al. (2009), revelam indícios de que o jitter
da rede tem impacto direto sobre a qualidade das sessões de áudio e sobre a política de adaptação das aplicações.
11
Os trabalhos de Conceição et al. (2009) e o de Barbosa et al. (2009), foram baseados em simulações do tráfego de sessões VoIP para análise de desempenho entre comunicações VoIP. O primeiro utilizou programas geradores de tráfego nas linguagens C e Java enquanto o segundo usou um áudio de 60 minutos dividido em 60 replicações de um minuto cada para simular o tráfego de sessões VoIP.
O método de simulação é uma das maneiras de se obter análises de desempenho referente à qualidade de serviço de aplicações VoIP. Contudo, para que o usuário tenha contato com a situação real12 dos experimentos nos ambientes pré-determinados, é necessário além dos resultados obtidos mediante ferramentas específicas para tal fim, a percepção do comportamento das ligações VoIP, seja na presença ou ausência de ruídos como também possíveis quedas nas conexões. Isso é importante para fazer um comparativo do que foi percebido pelos usuários durante os experimentos e o que foi obtido pelas ferramentas utilizadas.
O presente trabalho de pesquisa, revela a análise da qualidade de uma aplicação VoIP em redes sem fio com handoff, através da avaliação de métricas de desempenho de QoS, como: o atraso, o jitter, a vazão e a perda de pacotes. Essa avaliação é feita utilizando tráfego de VoIP em tempo real, ou seja, através de dois usuários usando a aplicação Ekiga como meio de comunicação VoIP.
Em relação à pesquisa de Conceição et al. (2009), o presente trabalho contribui com a verificação do comportamento das comunicações VoWiFi em ambientes distintos das redes sem fio da UFRN, ou seja, ao ar livre dessa instituição em redes 802.11b e dentro de um de seus departamentos com rede 802.3. Sendo esses experimentos realizados por duas estações em comunicação VoWiFi, tanto com “tráfego forçado” (com injeção de tráfego controlado pelo experimentador), como também com “tráfego natural” (sem a perturbação de qualquer tráfego proposital controlado pelo experimentador da rede).
Outro fator de contribuição, diz respeito a experimentos realizados dentro de um dos automóveis da UFRN em mobilidade ao ar livre desse estabelecimento. A análise acontece para verificar o desempenho das comunicações VoWiFi em velocidades no intervalo de 10Km à 40Km.
No trabalho de Barbosa et al. (2009), a avaliação de desempenho das aplicações foi feita em um ambiente de rede controlado onde tanto os valores das métricas de desempenho de QoS, como a capacidade residual (banda disponível) foram pré-estabelecidas antes da iniciação dos experimentos. Já a presente pesquisa realiza a análise de desempenho de aplicações VoIP em ambiente não controlado, ou seja, em dias e horários diferentes, com diferentes condições de rede e conseqüentemente com a obtenção de valores diferenciados das métricas de desempenho de QoS em cada experimento realizado.
2.2 O Padrão 802.11
Em 1990, o Institute of Electrical and Electronics Engineers13 - IEEE constituiu um comitê para a definição de um padrão para conectividade sem fio no qual fosse possível a interoperabilidade entre os diferentes fabricantes. Em 1997, após sete anos de pesquisa e desenvolvimento, este grupo formulou um padrão para equipamentos de rádio e redes, atuando na banda de freqüência não - licenciada de 2,4 Ghz com taxas de 1 e 2 Mbps
12
Processo de estabelecimento de uma chamada entre dois usuários em tempo real.
13
[Tanembaum 2003]. Devido aos usuários reclamarem que o padrão era muito lento, foi iniciado o trabalho para a elaboração de padrões mais rápidos. Uma divisão se desenvolveu dentro do comitê, resultando em dois novos padrões publicados em 1999. O padrão 802.11a utilizando uma faixa de freqüências mais larga funcionando em velocidades de 54 Mbps e o padrão 802.11b utilizando a mesma faixa de freqüências que o 802.11, mas empregando uma técnica de modulação diferente para alcançar 11 Mbps. Em seguida o comitê 802 apresentou outra variante, o 802.11g, que utilizando a técnica de modulação do 802.11a, mas empregando a faixa de freqüências do 802.11b [Tanembaum 2003]. A Tabela 2.2, apresenta um resumo das principais características desses padrões.
Tabela 2. 2 – Resumo dos padrões IEEE 802.11[Kurose & Ross 2006].
Padrão Faixa de freqüência Taxa de dados
802.11b 2.4 – 2.485 GHz até 11 Mbps
802.11a 5.1 – 5.8 GHz até 54 Mbps
802.11g 2.4 – 2.485 GHz até 54 Mbps
A Figura 2.1 ilustra a posição do IEEE 802.11 no modelo de referência Open Systems Interconnection - OSI.
Os padrões 802.11 podem operar em dois modos: o infra-estruturado no qual as estações se comunicam através de pontos de acesso e no modo ad-hoc, onde as estações se comunicam entre si sem a presença de pontos de acesso [Tanembaum 2003]. O padrão também define uma arquitetura para as redes sem fio baseada na divisão da área coberta pela rede em células, que é composta pelos elementos ilustrados na Figura 2.2, para o modo infra-estruturado [Bonilha et al. 2008]:
Figura 2.2 - Topologia do padrão 802.11 no modo Infra-Estuturado.
• Access Point (AP): responsável pela coordenação da comunicação entre as estações dentro da sua BSS ou entre outras BSS.
• Basic Service Set (BSS) – Consiste de uma AP conectada a uma rede cabeada e a um ou mais clientes wireless. Quando um cliente quer se comunicar com outro ou com algum dispositivo na rede cabeada ou na rede wireless deve usar a AP para isso. O BSS compreende uma simples célula ou área de Rádio Freqüência e tem somente um identificador (SSID). Para que um cliente possa fazer parte da célula ele deve estar configurado para usar o SSID do Ponto de Acesso [Farias 2009].
• Stations (STA): estações de trabalho que se comunica entre si dentro de uma célula;
• Distribution System (DS): corresponde à infra-estrutura necessária para a interconexão dos pontos de acesso. Normalmente esta interconexão é feita a partir da rede cabeada, mas também pode ser feita através de um enlace sem fio, chamado WDS (Wireless Distribution System);
2.2.1 Serviços do Padrão 802.11
O padrão 802.11 estabelece que cada LAN sem fio compatível deve fornecer nove serviços. Esses serviços estão divididos em duas categorias: cinco serviços de distribuição e quatro serviços da estação. Os serviços de distribuição se relacionam ao gerenciamento da associação a células e a interação com estações situadas fora da célula. Em contraste, os serviços da estação se relacionam às atividades dentro de uma única célula [Tanenbaum 2003].
Os cinco serviços de distribuição são fornecidos pelas estações-base e lidam com a mobilidade das estações à medida que elas entram e saem das células, conectando-se e desconectando-se das estações-base. Esses serviços são apresentados a seguir [Tanenbaum 2003]:
1. Associação – Esse serviço é usado pelas estações móveis para conectá-las às estações-base. 2. Desassociação – A estação móvel ou a estação-base pode se desassociar, interrompendo assim o relacionamento. Uma estação deve usar esse serviço antes de se desligar ou sair. 3. Reassociação: É quando um cliente volta a se associar em um AP no qual ele estava associado, depois, por exemplo, de sair brevemente da sua área de cobertura.
4. Distribuição: Esse serviço determina como rotear quadros enviados ao AP. Se o destinatário for local para o AP, os quadros poderão ser enviados diretamente pelo ar. Caso contrário, eles terão de ser encaminhados pela rede fisicamente conectada.
5. Integração: se um quadro precisar ser enviado por meio de uma rede que não seja 802.11, com um esquema de endereçamento ou um formato de quadro diferente, esse serviço cuidará da conversão do formato 802.11 para o formato exigido pela rede de destino.
Os quatro serviços restantes são serviços intracélula (ou intracelulares, isto é, se relacionam a ações dentro de uma única célula) [Tanembaum 2003]. Eles geralmente são usados depois que ocorre a associação, e são descritos a seguir:
1. Autenticação: como a comunicação sem fio pode ser enviada ou recebida facilmente por estações não autorizadas, uma estação deve se autenticar antes de ter permissão para transmitir dados.
2. Desautenticação: quando uma estação autenticada anteriormente quer deixar a rede, ela é desautenticada. Depois da desautenticação, a estação não pode mais utilizar a rede.
3. Privacidade: para que as informações enviadas por uma LAN sem fio sejam mantidas confidencias, elas devem ser criptografadas.
4. Entrega de dados: a transmissão de dados é o objetivo, e assim o 802.11 oferece naturalmente um meio para transmitir e receber dados.
2.2.2 Padrão 802.11b
um alcance teórico de 100 metros, isso sem considerar o uso de antenas14 de amplificação de sinal, que, dependendo da potência do transmissor e do receptor, pode chegar a quilômetros de distância.
O protocolo de acesso ao meio é o carrier sense multiple access with collision avoidance - CSMA/CA, definido no padrão original. Devido ao overhead do protocolo CSMA/CA, na prática, a vazão máxima do 802.11b que uma aplicação pode obter é aproximadamente 5.9 Mb/s utilizando TCP e 7.1 Mb/s com UDP [Conceição 2009].
O padrão 802.11b é normalmente usado em uma configuração de ponto - multiponto, em que um ponto de acesso se comunica através de uma antena omnidirecional15 com um ou vários clientes que estão localizados em uma área de cobertura ao redor do ponto de acesso.
2.2.3 Qualidade de Serviço no padrão 802.11
A qualidade de serviço – QoS para o padrão 802.11 foi incorporada com o surgimento do padrão 802.11e, referindo-se à capacidade da rede fornecer serviço de encaminhamento de dados de forma consistente e previsível, possibilitando que qualquer elemento de rede, seja uma aplicação, um host16, um roteador, ou outro dispositivo, possa ter algum nível de garantia que satisfaça suas exigências de serviço. É a introdução da QoS que possibilita a integração de serviços de voz e vídeo em ambientes originalmente projetados para transportar dados, por exemplo os serviços VoIP.
O estudo dos fatores impactantes na qualidade da telefonia IP, como o atraso, o jitter
e a perda de pacotes, tornam-se cada vez mais necessários, pelo fato das aplicações VoIP serem sensíveis a esses parâmetros. Em seguida, são discutidos alguns aspectos relacionados a esses parâmetros.
Nas redes IEEE 802.11, o atraso fim a fim, pode ser definido como a diferença de tempo entre o instante em que o transmissor envia o primeiro bit do pacote e o instante que o receptor recebe este bit [Souza et al. 2009], ou seja, é o tempo necessário para que uma mensagem de voz seja transmitida do emissor para o receptor. Se o atraso é longo, a conversação é comprometida e a comunicação pode tornar-se não natural, não interativa, apresentando cortes na comunicação [Conceição 2009]. De acordo com a recomendação ITU-T17 [ITU-T G.114 2003], os atrasos totais no sistema entre 0 e 150 ms são aceitáveis para a maioria das aplicações. De 150 até 400 ms deve-se estar atento ao impacto do tempo de transmissão na qualidade da aplicação. Superior a 400 ms de forma geral é inaceitável para aplicações em rede. O atraso fim - a - fim é composto pelo somatório do atraso de propagação, do atraso de empacotamento, assim como o atraso de codificação de sinal [Souza et al. 2009].
O jitter, ou variação do atraso, é a diferença entre o atraso do pacote atual e o do próximo pacote, ou seja, é a diferença “D” correspondente ao espaço de tempo entre a chegada de um par de pacotes, comparado com os tempos estampados neste par de pacotes
14
As antenas wireless são periféricos utilizados para substituir as antenas originais dos equipamentos e servem
para aumentar o ganho em dBi, melhorando a propagação de sinais, a estabilidade da conexão, a distância e o raio de cobertura .
15
É uma antena que pode receber ou transmitir sinais de todas as direções.
16
Host: Computador ligado a uma rede física. O tamanho de um host varia desde um computador pessoal até um supercomputador. Quando armazena arquivos e permite acesso de usuários, é designado como servidor.
17
no momento do envio, como apresentado na equação 2.1. Logo, seja Si o timestamp RTP do pacote i, e Ri o tempo de chegada em unidades de timestamp RTP do pacote i, então para dois pacotes i e j, D pode ser expresso como:
(2.1)
O jitter entre chegadas (J) é calculado continuamente por uma equação filtrada desta diferença. Quando cada pacote i for recebido da fonte, calcula-se a diferença “D” em relação ao pacote prévio (i-1) em ordem de chegada (não necessariamente em ordem de seqüência). A origem do jitter no sistema está associada ao comportamento aleatório do tempo de enfileiramento dos pacotes nos roteadores. Variações de atraso podem ser piores para a qualidade de serviço do que o próprio atraso, pois o jitter pode causar a chegada dos pacotes fora de ordem. Apesar de o RTP possibilitar que aplicações façam o reordenamento usando as informações de número de seqüência e timestamp, o overhead em reordenar esses pacotes não é irrelevante, especialmente quando se está lidando com restrições de tempo estreitas como as da tecnologia VoIP [Linhares 2008].
Em redes IEEE 802.11, podem ocorrer variações extremamente altas no atraso, as quais possuem impacto relevante na qualidade da voz transmitida [Conceição 2009]. Isso pode fazer com que pacotes cheguem e sejam processados fora da seqüência. Para Szigeti & Hattingh (2004), o jitter não pode ser superior a 30ms, já para Percy (2003), a variação de
atraso máximo nunca deve exceder 40 ms.
A vazão em uma rede é a taxa efetiva de bits por segundo, ou seja, indica o balanço entre a quantidade de dados que entra na rede e as perdas internas, por unidade de tempo. A vazão, na maioria das redes, sofre variações no decorrer do tempo. Em algumas situações, a vazão pode se alterar rapidamente, devido a falhas nos nós da rede ou devido ao congestionamento, quando grandes fluxos de dados são introduzidos na rede [Redin 2005].
A perda de pacotes é a porcentagem de pacotes transmitidos pelo host de origem que
não chegaram ao host dedestino, ou seja, é a quantidade de pacotes não entregues. Segundo Alves (2008), os pacotes podem ser perdidos devido a diversos fatores, como: os períodos de picos e congestionamentos na rede; ao aumento excessivo do tráfego na rede; atrasos excessivos, que podem ser provocados devido a problemas físicos nos equipamentos de transmissão, além de possíveis imperfeições nas transmissões. Já para Redin (2005), as principais causas das perdas de pacotes são devido ao congestionamento, ao tamanho dos pacotes, à capacidade das filas e à mobilidade das estações.
A perda de pacotes é calculada no lado do receptor como a razão entre a quantidade de pacotes perdidos e a quantidade de pacotes transmitidos, em cada intervalo de tempo. O
Transmission Control Protocol – TCP se recupera dessa situação através da detecção e reenvio dos pacotes perdidos [Ribas 2002], em ordem e livres de erros. Este procedimento não é adequado para aplicações de tempo real, como aplicações VoIP, pois são extremamente sensíveis ao atraso [Marcelino 2003]. Nessas aplicações é usado o User Datagram Protocol – UDP, que é mais rápido, pois seu cabeçalho é menor do que o TCP e exige menos poder computacional para ser processado, pois não garante a entrega e nem o seqüenciamento dos pacotes, além de não usar mecanismos de confirmação [Pereira et al. 2009].
razão de até 3%; já para Szigeti et al. (2004), o melhor é que não ultrapasse 1%. Segundo Boger (2008), o limite não pode exceder 5%.
Estudos realizados na Universidade da Califórnia, em Berkeley, determinaram que a perda de pacotes tolerável variasse entre 1% e 3%, se tornando intolerável se mais de 3% dos pacotes forem perdidos [Chuah 2007].
Em redes IEEE 802.11, elas normalmente são menores que 1% [Conceição 2009]. Porém, se uma unidade móvel se afasta da área de cobertura de um AP, essa taxa pode crescer abruptamente, impossibilitando a conectividade e a comunicação [Arranz 2001], pois quanto maior a perda de pacotes, menor é a eficiência da rede [Redin 2005].
Tabela 2.3- Limites aceitáveis dos parâmetros de desempenho com QoS segundo pesquisadores da literatura acadêmica.
Métricas de Desempenho
Limite 1 Limite 2
Atraso até 150ms _____
Jitter 30ms 40ms
Perda de Pacotes Entre 1% e 3% Até 5%
2.3 Mobilidade
A mobilidade é uma das mais importantes características de redes sem fio e fundamental no contexto do presente trabalho. Ela pode ser apresentada sem transição18, com transição entre BSS19 e com transição nas ESS20 [ANSI21/IEEE 802.11 1999]. O parâmetro crucial na caracterização do desempenho de sistemas com mobilidade em redes sem fio ou mesmo em comunicação em redes de satélites é o handoff que é caracterizado a seguir.
2.3.1 Handoff
O processo de handoff no contexto de redes sem fioocorre quando uma estação móvel realiza uma transição entre dois pontos de acesso.O momento de handoff é percebido quando a qualidade do sinal da conexão entre uma estação móvel e um AP, baixa até um determinado limite e, conseqüentemente, a estação móvel inicia o scan (busca) por outros pontos de acesso. Essa busca é feita através de funções de rastreamento, permitindo que a estação móvel selecione o AP com a melhor qualidade de sinal dentre aqueles encontrados na sua área de alcance [Albuquerque 2005]. Essa procura é feita enviando um pedido de adesão à célula desse novo AP, e este envia a resposta de adesão, para que a estação possa pertencer a essa nova BSS [Garcia 2009].
18
As estações se movimentam somente dentro da sua BSS local.
19
As estações migram entre BSS diferentes dentro do mesmo ESS.
20
Ocorre quando uma estação móvel transita entre a área de cobertura de duas BSS diferentes que também pertencem a ESS diferentes.
21
American National Standards Institute, ou Instituto Nacional Americano de Padrões, trata de uma organização fundada em 1918 que coordena o desenvolvimento de padrões voluntários adotados internacionalmente, tanto
A migração consiste em um processo seqüencial composto das fases de busca (scanning), autenticação e associação [Conceição et al. 2009], conforme ilustrado na Figura 2.3.
Figura 2. 3 - Processo de Handoff.
A transição entre BSS é iniciada pela estação em movimento, na qual é avaliada a potência do sinal, iniciando, se necessário, um processo de busca (scan). Dentre as fases, a de scan é a mais demorada, podendo consumir cerca de 90% do tempo total de migração [Velayos & Karlsson 2004].
Para que uma estação possa ser capaz de utilizar uma rede sem fio é necessário que ela esteja associada22 a um AP, mas antes dessa associação na maioria das vezes ela deve apenas comprovar sua autorização de acesso através da autenticação23, quando exigida. O IEEE 802.11 requer uma autenticação bem sucedida antes que uma estação possa estabelecer uma associação com um AP, garantindo uma associação segura para que as mensagens possam ser entregues aos seus destinos corretamente [Andrade et al. 2007].
22
Associar significa que a estação sem fio cria um enlace virtual entre ela mesma e o AP [kurose & Ross, 2006]. Esse serviço é usado pelas estações móveis para conectá-las ao AP. Em geral, ele é usado imediatamente após uma estação se deslocar dentro do alcance de rádio do AP. Ao chegar, ela anuncia sua identidade e seus recursos. O AP pode aceitar ou rejeitar a estação móvel [Tanembaum 2003];
23
No processo de handoff, diferentes camadas da arquitetura da rede podem ser afetadas. Quando o handoff ocorre entre pontos de acesso que pertencem a sub-redes diferentes, são necessárias alterações em configurações da camada de rede, além do suporte dado pela camada MAC [Albuquerque 2005]. Porém se o handoff ocorre entre pontos de acesso que fazem parte de uma mesma sub-rede, as alterações ficam restritas à camada Media Access Control (MAC), sendo suportadas pelos serviços definidos no padrão IEEE 802.11 [ANSI/IEEE Std 802.11 1999]: associação, reassociação24 e desassociação.
O tempo gasto pelo mecanismo de suporte ao processo de handoff, para a manutenção da conexão das estações móveis, pode ser visto como um dos principais fatores que afetam a qualidade do serviço oferecida aos usuários em redes 802.11.
As aplicações com requerimentos de QoS exigem que o tempo de interrupção seja o menor possível, considerando que o atraso afeta diretamente as aplicações multimídia como videoconferência e VoIP. O gerenciamento do handoff é a chave para tratar os problemas de transparência no deslocamento dos dispositivos, pois impacta diretamente na qualidade, confiabilidade e segurança da comunicação [Krob et al 2007].
2.4 Voz sobre IP
A tecnologia VoIP consiste na utilização das redes de dados para a transmissão de sinais de voz em tempo real na forma de pacote, sendo considerada como uma tecnologia emergente, baseada em padrões abertos que possibilita o tráfego de voz através da Internet. A Internet é utilizada como meio de transmissão, onde podem ser feitas ligações telefônicas através de softphones25 e/ou hardphones26.
A voz passa por um processo de digitalização e codificação para posteriormente seus pacotes serem empacotados utilizando o protocolo IP para serem transmitidos em uma rede que emprega o TCP/IP [Barbosa 2008]. Inicialmente os pacotes de voz analógicos provenientes de hardphones ou softphones, são convertidos e compactados em pacotes digitais, através de codecs para em seguida serem transmitidos pela rede de dados privada ou pela rede pública (Internet). Ao atingir seu destino, esses pacotes são descompactados e convertidos novamente em pacotes de voz analógicos [Sato 2009].
Para que haja comunicação e processamento, todos os sinais analógicos devem ser convertidos para um formato digital. A conversão analógico-digital envolve cinco etapas distintas: filtragem, amostragem, compressão, quantificação e codificação [Barbosa 2009]. A filtragem é usada para limitar a máxima freqüência do sinal de voz a ser aceita. A base do processo de amostragem é conceituada no teorema de Nyquist27. Após a amostragem são
24
Reassociação : É quando um cliente volta a se associar em um AP no qual ele estava associado, depois, por exemplo, de sair brevemente da sua área de cobertura.
25
SoftPhone é um aplicativo multimídia que é executado em um PC, tanto para Windows como para Linux, que permite fazer ligações telefônicas através de uma rede IP.
26
HardPhone é um equipamento que utiliza uma rede TCP/IP para fazer ligações.
27
feitas a compressão e a quantificação. A quantificação é um processo de atribuição de valores discretos. A codificação da voz é feita a partir de codecs que convertem sons analógicos em digitais e vice-versa, além de efetuarem compressão e descompressão do sinal digital [Oliveira 2005].
2.4.1 Codecs
Os Codecs são dispositivos conversores analógico/digital usados na compactação e descompactação de vários tipos de dados. Os codecspodem ser classificados em duas grandes categorias: os de forma de onda e os paramétricos. Oscodificadores de forma de onda fornece um sinal codificado o mais próximo possível do sinal analógico original. Por sua vez, os codificadores paramétricos modelam o sistema que gera o sinal de voz original e enviam apenas parâmetros deste modelo. Muitos dos codificadores paramétricos se baseiam em predição linear (Linear Prediction Code - LPC) para alcançar altas taxas de compressão. Em contrapartida, as altas taxas de compressão tornam os codecs mais complexos e requerem um armazenamento para o processamento da voz codificada.
O padrão G.711 do ITU-T, conhecido como Pulse Code Modulation- PCM, é segundo Souza et al. (2009), um padrão de codificação de voz baseado na forma de onda e para a digitalização da voz esse é o padrão mais usado. Através dele obtêm-se 8000 amostras/segundo e cada amostra codificada por uma seqüência de 8 bits, i.e., cada amostra pode ter 1 entre 256 valores possíveis. A freqüência de amostragem obedece ao teorema de Nyquist para que o sinal possa ser restaurado com perfeição no processo de decodificação. A taxa de saída deste codificador, desconsiderando qualquer “overhead”, é, portanto, 64 kbit/s [Souza & Bueno 2006].
Segundo Souza et al. (2009), a vantagem desse codec é sua velocidade, reduzindo o atraso fim a fim dos pacotes de voz e sua desvantagem é o maior uso de largura de banda. A recomendação G.711 da ITU – T padronizou duas versões do G711: a -law e A-law, que representam respectivamente o PCMU e o PCMA. A diferença principal entre as duas está na faixa de freqüência que ambas trabalham, a PCMU trabalha igualmente numa faixa maior de freqüências, enquanto que o PCMA tem um desempenho melhor nas baixas freqüências, possuindo as mesmas características relacionadas ao G.711.
O codec utilizado em todos os experimentos desse trabalho foi o PCMU, cuja sua categoria se classifica no codificador Pulse Code Modulation - PCM, de forma de onda e de excelente qualidade de reprodução da voz [Conceição et al. 2009].
2.4.2 Protocolos VOIP
garantia de qualidade de serviço, categorizado como tráfego de melhor resultado (best-effort), outros protocolos e soluções complementares devem ser agregados na formação da solução final, para permitirem um resultado comparável com o observado na rede de telefonia convencional [Fernandes 2007].
Os principais protocolos empregados no serviço VoIP são divididos de acordo com a sua finalidade. Esses protocolos são: os de sinalização, de gateways e os de mídia [Barbosa 2006]. A Figura 2.4 mostra os protocolos envolvidos na telefonia IP, separados por finalidade.
Figura 2.4- Protocolos VoIP.
2.4.2.1 - Protocolos de Mídia
São protocolos utilizados para o transporte de mídias, como o protocolo RTP, que é um protocolo para transmissão de dados em tempo real, tais como áudio e vídeo. O RTP é um protocolo que oferece funções de transporte de rede fim a fim direcionadas para aplicações que transmitem fluxos de dados em tempo real, através de serviços de rede unicast
e multicast. Esse protocolo não trata da reserva de recursos e não garante qualidade de serviço para serviços de tempo real, mas atribui esses requisitos para serviços tais como os oferecidos pelas arquiteturas IntServ28 e DiffServ29 [Colcher et al. 2005].
O transporte de dados é complementado por um protocolo de controle (Real- time transport Control Protocol - RTCP) para permitir o monitoramento da entrega de dados de forma escalável em redes multicast e oferecer funcionalidades mínimas de controle e
28
A arquitetura de serviços integrados - IntServ : é uma estrutura desenvolvida pela IETF para oferecer garantias de qualidade de serviço específicas às sessões de aplicações individuais [Kurose & Ross 2006].
29
identificação. Ambos os protocolos, RTP e RTCP, constituem-se em elementos centrais da maioria (senão todas) das arquiteturas e serviços VoIP [Colcher et al. 2005].
2.4.2.2 - Protocolos de Sinalização
Antes de ser iniciado o tráfego dos pacotes de voz pela rede, é necessário o estabelecimento da conexão entre os pontos pretendidos e ainda o controle dessa conexão, bem como, ao finalizá-la, deve ser sinalizada a liberação da rede. Dessa maneira, é preciso que haja “obediência” a um conjunto de regras, já que a comutação é por pacote. São encarregados desse controle os protocolos de sinalização.
Os principais protocolos de sinalização existentes e que possuem maior destaque são: o H.323, desenvolvido pelo ITU-T e o Session Initiation Protocol - SIP desenvolvido pela
Internet Engineering Task Force – IETF [Souza 2007].
Nesse trabalho, será dada ênfase ao protocolo SIP, pelo fato de ser mais moderno, de fácil compreensão, de conexão simples, e ser menos complexo que o H323, sendo assim adotado em todos os experimentos desse trabalho através da aplicação Ekiga. Na Figura 2.5, é apresentada a pilha de protocolos distribuídas nas camadas do modelo OSI, tanto para o protocolo de sinalização SIP como para o H323.
Aplicação
Apresentação Sessão
Transporte
Rede Enlace Física
H.323
H.323 SIPSIP
Sinal de Áudio Sinal de Vídeo
G.711 G.728
G.722 G.729
G.723.1
H.261 H.263
Dados T.127
RTCP RAS RTP
T.126
T.124
T.125 / T.122
X.224.0 Serviços Suplementa.
H.450.3 H.450.2
H.450.1
UDP TCP
Controle
H.245 H.225
H.235
SIP SDP
UDP TCP
RTCP RAS RTP
Sinal De Áudio/
Vídeo
Figura 2.5- Pilha de protocolos H.323 e SIP.
2.4.2.3 - Protocolo de Inicialização deSessão (SIP)
codificação utilizados na sessão, além de auxiliar na localização dos participantes das mesmas [Colcher et al. 2005].
O SIP é um protocolo baseado em uma arquitetura cliente/servidor operando sobre TCP ou UDP, sendo mais comum sobre UDP. Tem por objetivo principal, localizar e convidar usuários para participar da conexão. Dessa maneira, torna-se o responsável pelo gerenciamento de uma chamada, incluindo as tarefas de início e término, podendo haver inclusão ou exclusão de participantes, tanto em transmissão unicast quanto em multicast
[Barbosa 2006].
Durante o processo de estabelecimento de uma sessão, é necessário negociar a mídia a ser utilizada (voz, dados ou vídeo) e as respectivas informações para a transmissão dessa mídia, como o padrão do codec e o protocolo de controle para transmissão. Enquanto o SIP especifica o processo para o anúncio da descrição das informações de uma sessão, o Session Description Protocol - SDP especifica apenas o formato para descrição dessas informações [RFC 3261].
Cada cliente é uma entidade que pode requisitar ou receber respostas. Essas “transações” ou “pedidos” provocam uma ou mais respostas, até que ocorra uma mensagem final. As mensagens SIP são codificadas no formato texto e, basicamente, são pedidos (requisições / requests) ou respostas (responses), como apresentado na Figura 2.6 [Souza 2007].
Figura 2.6 - Estabelecimento de uma sessão com protocolo SIP.
2.6- Conclusão
_________________________________________________________________________
Capítulo 3
Modelagem e Metodologia dos Experimentos
_________________________________________________________________________
Neste capítulo são apresentados os problemas inerentes à comunicação VoWiFi e que, mesmo com as restrições é possível seu uso prático como solução alternativa a problemas específicos de comunicação. Dentro dessa perspectiva, o serviço de vigilância móvel da UFRN se apresenta como um potencial usuário de VoWiFi. Assim, se faz necessário a realização de experimentos destinados a realizar medidas em parâmetros de desempenho já mencionados nos capítulos antecedentes e, para isso, são apresentadas a modelagem e a metodologia adotada para a concretização dos experimentos, assim como os locais de realização dos testes, as ferramentas e os equipamentos utilizados na sua efetivação.
3.1 Problemas e Desafios de Uma Comunicação VoWiFi
O problema da mobilidade ou da migração das conexões de serviços de voz sobre redes sem fio não passa despercebido pelo usuário como bem ressalta Conceição (2009). Em decorrência, existem vários esforços com o objetivo de otimizar o processo de migração de conexões entre redes IEEE 802.11 [Velayos & Karlsson 2004], principalmente na fase de busca das redes eventualmente ativas e do processo de handoff em decorrência da viabilidade da efetivação de uma migração.
Em uma rede 802.11 convencional a duração de um handoff varia em função do ambiente onde será executada a operação de permuta de rede, podendo afetar o tempo de retardo de maneira imprevisível [Conceição 2009], comprometendo aplicações multimídia como VoIP, que é uma aplicação sensível ao atraso. Isso pode afetar uma ligação VoIP de forma significativa, ocasionando uma comunicação de má qualidade.
Além dos problemas relacionados à execução do handoff, pode ser destacada a alta incidência de tráfegos em rajada que não são exclusividades das redes sem fio, pois também podem ocorrer em redes cabeadas, mas são mais comuns nas redes sem fio [Conceição et al. 2009]. A ocorrência de rajadas deve-se a um conjunto de fatores, tais como: scannings, interferências externas, interrupções de processamento, entre outros [Conceição et al. 2009].
Além dos dois problemas supracitados, também se pode mencionar outros que podem dificultar uma implantação de VoWiFi, como as interferências. Para Conceição et al. (2009) as redes IEEE 802.11b e 802.11g são particularmente susceptíveis a interferências externas porque utilizam a mesma freqüência (2.4GHz) de alguns outros dispositivos, tais como fornos de microondas, telefones sem fio e dispositivos bluetooth. Além disso, a propagação do sinal é afetada por fatores como a disposição física de objetos, a orientação das antenas e inclusive as condições climáticas. A força do sinal pode variar significativamente, mesmo em períodos curtos de tempo devido à mobilidade e ao efeito multi-path30 [Conceição et al. 2009]. Segundo Bezerra et al. (2006), são tantos os fatores capazes de afetar e interferir negativamente em uma conexão IEEE 802.11, que é muito difícil prever e dimensionar essas interferências.
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Efeito multi-path , ocorre quando o sinal do transmissor chega ao receptor por mais de um caminho - sinal
É importante ressaltar que os problemas até aqui mencionados não podem ser considerados separadamente, pois eles podem acontecer simultaneamente, por vezes tornando-se ainda piores. Por exemplo, conforme menciona Conceição et al. (2009), as rajadas podem ficar mais intensas com o aumento do tráfego e da mobilidade, já os scannings
são mais freqüentes em ambientes com maior incidência de interferências.
Para aqueles autores, ao se utilizar VoIP para realizar uma ligação telefônica, mesmo em uma rede cabeada, muitos usuários não ficam satisfeitos com a qualidade da ligação. Os atrasos, o eco e as ligações interrompidas desagradam quem está acostumado com a qualidade da PSTN. Com redes sem fio, o problema pode ser ainda maior, pois existe concorrência no acesso ao meio com outras aplicações, interferências no ambiente, como por exemplo, utilização do forno de microondas, outras redes sem fio, além de problemas de propagação e atenuação do sinal, que dependem muito do ambiente no qual a rede se encontra.
Respeitadas as restrições inerentes ao sistema, naturalmente a qualidade de VoWiFi é inferior à de VoIP. Apesar disso, se considera o problema sob a perspectiva de quem não dispõe outra alternativa. Uma conexão sem fio pode se tornar muito atrativa para muitos usuários, fazendo com que VoWiFi seja uma evolução natural de VoIP, assim como ocorreu com outras tecnologias [Conceição 2009]. Este aspecto é a razão da motivação para a realização do presente trabalho, tendo em vista o interesse da administração da UFRN em avaliar a possibilidade de utilizar essa tecnologia no âmbito dos serviços internos de comunicação e em especial na atividade de vigilância patrimonial realizada com unidades fixas e móveis.
3.2 A Modelagem dos Experimentos
A motivação para este trabalho, conforme já mencionado, diz respeito à possibilidade de se utilizar na UFRN comunicações entre estações por meio de aplicações VoIP em sua estrutura de redes sem fio.
Em condições ideais, um trabalho dessa natureza teria que ser experimental em sua inteireza. Entretanto, pelas dificuldades e limitações na infra-estrutura disponível para a montagem dos experimentos resta à alternativa de se utilizar simulações por software e, no que for possível, a utilização dos equipamentos que podem ser disponibilizados para a realização dos experimentos.
A seguir é apresentada a concepção dos experimentos destinados a obter a medição dos parâmetros tidos como adequados para avaliar o desempenho dos sistemas em estudo.
3.2.1 Caracterização dos Ambientes para Realização dos Experimentos
Especificamente, no ambiente indoor os experimentos são realizados entre redes cujos pontos de acesso se localizam na sala da Diretoria de Redes e no Auditório da SINFO, conforme ilustrado na Figura 3.1.
A infra-estrutura disponível na sala da Diretoria de Redes é constituída por um ponto de acesso de modelo 8750 da 3COM, um Pentium IV de 3 GHz, com placa de rede de 100 Mbps e um servidor VoIP Pentium IV com CPU DUAL Core de 3 GHz em cada núcleo. No Auditório da SINFO, os experimentos foram estabelecidos com um AP de modelo 7760 da 3COM com conexão de alimentação Power Over Eternet31 - POE, com porta Ethernet.
Ao realizar os experimentos em ambiente outdoor é utilizado na estação móvel um cartão wireless de modelo IEEE 802.11b PC Card proxim 8420-WD e uma antena externa do Kit Orinoco, para um melhor desempenho durante os experimentos.
As especificaçõesdo cartão wireless e dos pontos de acesso utilizados para realização dos experimentos são detalhadas no apêndice desse trabalho de pesquisa. Além disso, também são apresentados os parâmetros mínimos necessários na interface wireless das estações para que estas, enquanto estejam fisicamente na área do campus da UFRN, possam se conectar em algum dos pontos de acesso de modelo 8750 da 3COM.
Figura 3.1- Ilustração do ambiente indoor para a realização dos experimentos.
O ambiente outdoor é caracterizado pelo espaço ao ar livre no campus central da UFRN entre os departamentos da SINFO e do NEPEGN, ambos possuem pontos de acesso de modelo 8750 da 3COM, conforme apresentados na Figura 3.2.
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