Б. Задержки и джиттер в сетях IP

Задержка доставки пакета. В соответствии с определением, данным в Р. 2, задержка доставки пакета определяется временем переноса пакета от источника до получателя. Время задержки меняется в зависимости от трафика в сети и доступных сетевых ресурсов, в частности, пропускной способности сети, во время доставки. Речь представляет собой трафик, чувствительный к задержке, тогда как большинство приложений данных относительно устойчиво к задержке. Если задержка доставки пакета превышает определенное значение (нормированное в Рекомендациях ITU-T), пакет отбрасывается. В результате, при большом числе отброшенных пакетов качество речи ухудшается, что и отражено в приведенной выше формуле для R-фактора, где влияние задержки учтено через составляющую l_d.

Естественным является вопрос, какая задержка допустима при пакетной передаче речи. В результате исследований качества речевого сигнала еще в 60-х гг. 20 века было установлено, что человек начинает чувствовать задержки речевого сигнала, превышающие 150 мс, и ощущает заметный дискомфорт, если задержка превышает 250 мс.

Позднее, при поддержке ITU были проведены масштабные исследования влияния сетевой задержки на качество телефонного разговора. Эти результаты нашли отражение в Рекомендации ITU-T G.114 [18], в соответствии с которой рекомендуемый порог задержки при передаче речи равен 150 мс. Задержки выше 150 мс осложняют телефонный разговор, в частности, при этом значении задержки оба участника начинают говорить одновременно. При задержке 300 мс разговор распадается на фрагменты, которые невозможно связать в слитную речь.

Рассмотрим, какие факторы определяют суммарную величину задержки доставки пакета. Сквозная задержка доставки пакета Dд (“из конца в конец”) определяется как сумма четырех составляющих:

Dд = Dр + Dпк + Dпр + Dбд,

где:

Dр – задержка распространения: время прохождения электрического сигнала в металлическом или волоконно-оптическом кабеле или в беспроводной среде. Это время зависит от физического расстояния между точкой входа в сеть и точкой выхода из сети. Как известно, в вакууме время распространения сигнала равно примерно 3,3 микросекунды на один километр; в случае металлических кабелей время распространения сигнала составляет примерно 5 мкс/км, в волоконно-оптических кабелях – примерно 4 мкс/км. Таким образом, в случае организации сеанса связи через спутник, находящийся на высоте 40 тыс. км, задержка прохождения сигнала между двумя земными станциями может составить порядка 260 мс; задержка распространения на трассе Москва – Владивосток по металлическому кабелю равно примерно 50 мс, по волоконно-оптическому кабелю – 40 мс;

Dпк – задержка пакетизации: время, которое необходимо затратить в кодеке для преобразования аналогового сигнала в цифровой и формирования пакета. Как видно из Табл. 3.7, чем ниже скорость сигнала на выходе кодека, тем выше задержка пакетизации, поскольку кодек тратит больше времени на процессы компрессии и декомпрессии сигнала; кодек G.711 тратит всего 1 мс на пакетизацию, тогда как кодеку G.723 требуется для пакетизации 67,5 мс;

Dпр – задержка переноса пакета: время прохождения пакета через все устройства сети, расположенные вдоль пути передачи пакета, включая маршрутизаторы, шлюзы, сетевые экраны, обработчики трафика, сегменты сети с относительно малой пропускной способностью в условиях перегрузки и т.д. Для некоторых устройств, например, мультиплексоров, эта величина постоянна, для других, таких, как маршрутизаторы, задержка переноса меняется с изменением нагрузки в сети.

Dбд – задержка на приемной стороне в буфере джиттера. Буфер джиттера используется для уменьшения вариаций между моментами поступления пакетов на вход приемного устройства. Буфер может накапливать от одной до нескольких датаграмм. В соответствии с данными Табл. 5 типичный буфер джиттера накапливает две датаграммы и задержка Dбд составляет от 20 до 30 мс в зависимости от типа кодека.

Очевидно, что задержка распространения, задержки в кодеке и в буфере джиттера являются постоянными величинами для выбранного пути передачи пакета, тогда как задержка переноса является случайной величиной, зависящей от условий в сети в конкретный момент времени. Рассматривая возможные количественные оценки всех составляющих задержки доставки пакета, можно видеть, что в сети Интернет общего пользования задержка речевого сигнала может легко превысить 150 мс, в основном из-за перегрузок, пакетизации и наличия буфера джиттера.

Вариация задержки доставки пакета (джиттер). Термин “джиттер” используется для обозначения случайных изменений между моментами поступления последовательных пакетов речи в приемник

Джиттер определяется большим числом причин, включая следующие: вариации длин очередей в узлах сети, вариации времени обработки пакетов, которые поступают в пункт назначения с нарушением последовательности их на передаче, наличие в сети трафика данных, конкурирующего с трафиком речи при доступе к общим ресурсам. Когда моменты прибытия речевых пакетов в пункт назначения становятся нерегулярными, это ведет к искажению звукового сигнала и при больших значениях джиттера, превышающих несколько десятков мс (см. Табл. 3.7), речь становится неразборчивой.

В. Потери пакетов

Потери пакетов определяются как процент недоставленных пакетов. В сети имеется ряд причин, приводящих к потерям пакетов. Назовем основные из них:

· При перегрузке сети очереди в коммутаторах и маршрутизаторах быстро растут. Если перегрузка сохраняется в течение длительного времени, происходит переполнение буферов, и пакеты теряются.

· При потере пакетов данных, они могут быть переданы повторно в соответствии с запросом приемной стороны. Повторная передача увеличивает задержку пакетов, и поэтому при пакетной передаче речи речевые пакеты сбрасываются. Потери речевых пакетов не должны превышать 1%в среднем на достаточно большом интервале, скажем, в течение месяца. При больших значениях коэффициента потерь в восстановленной на приемной стороне речи возникают разрывы.

Г. Проект TIPHON (ETSI)

Таблица 3.9. Характеристики классов обслуживания (проект TIPHON)

Примечания:

· В одном направлении без интерактивных измерений.

· ** Пользователь IP-сети вызывает абонента ТфОП.

· *** Абонент ТфОП вызывает пользователя IP-сети.

В проекте TIPHON определены четыре уровня качества (классы обслуживания), представленные в Табл. 3.9 [3]. Отметим, что представленное разделение на классы и нормы по качеству несколько отличаются от аналогичных моментов в Рекомендациях ITU-T по качеству обслуживания. При этом необходимо иметь ввиду, что проект TIPHON был реализован во второй конце 90-х гг., когда еще не были стандартизованы современные методы поддержки качества обслуживания в сетях IP.

В проекте TIPHON также исследовалось влияние потерь пакетов на качество речи. Основные требования к коэффициенту потерь речевых пакетов представлены в Табл. 3.10. При условии, что сквозная задержка не превышает 150 мс, все названные классы качества приемлемы.

Таблица 3.10. Коэффициенты потери пакетов для различных классов обслуживания (проект TIPHON)

3.8. Контрольные вопросы

1. Перечислите контролируемые и неконтролируемые показатели качества передачи данных. Приведите матрицу качества 3x3, содержащую общие показатели качества.

2. Приведите матрицу качества 3x3 для сетей с коммутацией каналов и матрицу качества 3x3 для IP сетей.

3. Охарактеризуйте основные нормативы на показатели качества для различных видов трафика. Классы качества голосового трафика.

4. Перечислите нормы показателей качества и основные классы качества пакетного трафика.

5. Охарактеризуйте основные характеристики классов обслуживанися согласно проекту TIPHON ITU-T.

6. Опишите основные принципы субъективной оценки качества обслуживания при передаче речи в IP-сетях. Приведите основные методики оценки и шкалы качества.

7. Опишите принципы объективной оценки качества обслуживания при передаче речи в IP-сетях. Приведите основные методики оценки. Более подробно охарактеризуйте методику оценки с использованием R-фактора.