Ali H. Wheeb Performance Analysis of VoIP in Wireless Networks / Ali H. Wheeb // International Journal of Computer Networks and Wireless Communications. — 2017. — Vol. 7. — № 4 [Ссылка на оригинал статьи].

Анализ производительности VoIP в беспроводных сетях

Performance Analysis of VoIP in Wireless Networks

Ali H. Wheeb

Al-Khwarizmi College of Engineering

University of Baghdad, Iraq

ali.h@kecbu.uobaghdad.edu.iq

Аннотация – Voice over Internet Protocol (VoIP) – это важная технология, которая быстро развивается в беспроводных сетях. Качество обслуживания (QoS) и пропускная способность являются двумя наиболее важными вопросами, которые все еще нуждаются в исследовании в области беспроводной VoIP. Основной целью данной работы является анализ производительности приложения VoIP в беспроводных сетях с точки зрения различных протоколов транспортного уровня и аудиокодеков. На этапе моделирования используются два сценария. В первом сценарии VoIP с кодеком G.711 передается по протоколу User Datagram Protocol (UDP), Stream Control Transmission Protocol (SCTP) и Real-Time Transport Protocol (RTP). Во втором сценарии VoIP с кодеком G.726 передается по протоколам UDP, SCTP и RTP. Сетевой симулятор NS2 используется во всех сценариях. Кроме того, для оценки производительности VoIP было рассмотрено несколько критериев QoS, таких как пропускная способность, сквозная задержка, джиттер и потеря пакетов. Результат показывает, что пропускная способность SCTP лучше для VoIP-приложений по сравнению с другими протоколами, а также подтверждает, что VoIP имеет меньше сквозных задержек и джиттера по RTP и UDP в сравнении с SCTP.

Ключевые слова – беспроводная сеть, VoIP, UDP, SCTP, RTP.

I. Введение

В беспроводной сети пропускная способность ограничена по сравнению с проводными сетями. Кроме того, беспроводной канал подвержен ошибкам, а пакеты данных могут теряться при передаче из-за ошибок беспроводной сети, таких как затухание сигнала или помехи. В настоящее время наиболее популярными стандартами беспроводных сетей являются стандарты IEEE 802.11b, 802.11a и 802.11g, которые теоретически могут поддерживать скорость передачи данных до 11 Мб/с и 54 Мб/с [1]. Однако они используются для передачи данных и не предназначены для поддержки передачи голоса. Голосовые пакеты имеют небольшой размер по сравнению с пакетами данных. Из-за больших накладных расходов, связанных с передачей маленьких пакетов, пропускная способность, доступная для VoIP-трафика, намного меньше, чем пропускная способность, доступная для передачи данных [2].

VoIP является термином IP-телефонии, который обозначает совокупность средств, используемых для управления передачей голосовой информации через Интернет. VoIP включает передачу голосовой информации в цифровом формате посредством дискретных пакетов, вместо использования традиционных пакетов и протоколов коммутируемой телефонной сети общего пользования (PSTN). Основным преимуществом VoIP является то, что она обеспечивает связь на большие расстояния дешево, данная технология очень гибкая в использовании различных технологий сжатия, эффективно и беспроблемно использует полосу пропускания [3].

Кроме того, VoIP поддерживается различными транспортными протоколами и обладает особыми характеристиками, которые не характерны для других типов приложений. К таким протоколам относятся UDP [4], SCTP [5] и RTP [6]. Приложение VoIP может использовать несколько типов аудиокодеков для обеспечения низкого или высокого качества обслуживания. Считается, что на VoIP влияют задержки, джиттер, пропускная способность и потеря пакетов.

В этой статье анализируется производительность VoIP по беспроводной сети с учетом различных протоколов транспортного уровня и кодирования голоса. Сетевая модель реализована с помощью сетевого симулятора NS2.35. Более того, различные метрики, указывающие на качество обслуживания, такие как сквозная задержка, пропускная способность, джиттер, потеря пакетов, измеряются и анализируются в сценариях беспроводной сети. Таким образом можно сделать вывод об наилучшем транспортном протоколе и кодеке для VoIP.

II. Похожие работы

В последние годы многие исследователи сосредоточились на анализе производительности VoIP-приложений в различных сетях. В работе [7] авторы сравнили и проанализировали производительность VoIP-приложения по мобильному и фиксированному Wi-MAX, в отношении различных голосовых кодеков, также рассмотрели различные параметры качества обслуживания. В [8] авторы реализуют и тестируют VoIP сети. Пакеты VoIP-приложений отправлялись и сравнивались по протоколам RTP, TCP и UDP для получения результатов, связанных с метрикой качества обслуживания (QoS). Автор в работе [9] анализирует производительность VoIP-приложений в беспроводных LAN/WAN сетях с учетом различных схем кодирования голоса. Сеть была смоделирована при помощи OPNET. В беспроводных LAN/WAN сетях измеряются и анализируются различные параметры, указывающие на качество обслуживания, такие как MOS, джиттер и принимаемый трафик. В [10] авторы измеряли и сравнивали трафик CBR и VoIP в сети Wi-MAX с несколькими протоколами маршрутизации при помощи сетевого симулятора QualNet 4.5.1. Полученный результат показывал, что VoIP-приложение лучше всего обслуживать с помощью Wi-MAX, а не CBR. В [11] автор оценивает производительность транспортных протоколов UDP, DCCP, SCTP и TFRC для VoIP-трафика в проводных сетях. Для моделирования VoIP сети использовался сетевой симулятор NS-2.35.

III. Сценарии моделирования сети

Производительность VoIP изучается под различными протоколами транспортного уровня и голосовыми кодеками. Реализация будет осуществляться с помощью известного сетевого симулятора NS-2 [12]. Более того, для представления результатов будут использованы скрипты AWK и Gnuplot.

Топология сети будет состоять из двух VoIP клиентов. Каждый клиент посылает двусторонний трафик другому клиенту для имитации реальной VoIP связи. В начале симуляции, VoIP трафик будет передаваться после десяти секунд передачи трафика по разным узлам с целью выявления влияния трафика на сеть при совместном использовании пути передачи. Топология беспроводных VoIP сетей показана на рисунке 1.

Для моделирования сетевого окружения необходимо настроить параметры как показано в таблице 1.

Таблица 1 – Параметры моделирования

Ниже приведены два сценария, которые использовались в модели для анализа производительности VoIP по беспроводным сетям:

1. VoIP с кодеком G.711 по транспортным протоколам UDP, SCTP и RTP. Используется для изучения влияния различных транспортных протоколов с высокой скоростью передачи данных на производительность VoIP.
2. VoIP с кодеком G.726 по протоколам UDP, SCTP и RTP. Используется для изучения влияния различных транспортных протоколов с низкой скоростью передачи данных на производительность VoIP.

В таблице 2 приведены некоторые характеристики кодеков G.711 и G.726.

Таблица 2 – Характеристики кодеков G.711 и G.726

IV. Анализ результатов

Для оценки производительности VoIP-приложений измеряются различные количественные показатели. В данной работе для анализа производительности VoIP в сравнении с протоколами транспортного уровня и аудиокодеками были использованы четыре различных метрики производительности.

A. Пропускная способность

Пропускная способность определяется как общее количество пакетов, успешно доставленных по сети. Она измеряется в битах/секунду или байтах/секунду.

Из результатов пропускной способности, показанной на рис. 2 и рис. 3, мы зачаем, что и в кодеке G.711, и в кодеке G.726 протокол SCTP имеет максимальную пропускную способность по сравнению с другими протоколами. Это связано с такими особенностями SCTP, как многопоточность и многонаправленность.

B. Сквозная задержка

Сквозная (End-to-End) задержка указывает время, затраченное пакетом, чтобы добраться от исходного до конечного узла по сети, и измеряется в секундах [14]. Графики сквозной задержки для VoIP G.711 и G.726 показаны на рисунке 4 и 5 соответственно.

В первом сценарии конечная задержка для протокола RTP меньше, чем для протоколов SCTP и UDP. С другой стороны, UDP имеет меньше сквозных задержек во втором сценарии. Однако, колебания сквозной задержки значительно меньше для RTP и UDP по сравнению с SCTP, что является очень важной проблемой для таких приложений в реальном времени, как VoIP.

C. Джиттер

Джиттер определяется как разница в сквозной задержке передачи пакетов, также известная как вариация задержки пакетов [13]. Джиттер, измеряемый в секундах, является важной метрикой для оценки качества обслуживания приложений которые работают в реальном времени. На рисунках 6 и 7 представлен джиттер для VoIP с G.711 и G.726 соответственно. Мы зачаем, что UDP и RTP имеют минимальный джиттер для двух сценариев. SCTP напротив, имеет высокий негладкий джиттер.

D. Соотношение доставки пакетов

Потеря пакетов происходит, когда передаваемые пакеты по сети никогда не достигают пункта назначения [13]. Коэффициент доставки пакетов является важным параметром, влияющим на производительность VoIP. Однако оно выражается как отношение количества полученных пакетов к общему количеству отправленных пакетов.

Таблица 3 – Коэффициент доставки пакетов SCTP, UDP И RTP

Значения, приведенные в таблице 3, иллюстрируют сравнение коэффициента доставки пакетов VoIP по протоколам SCTP, UDP и RTP. SCTP и UDP показывают более высокий коэффициент доставки пакетов по сравнению с RTP.

V. Заключание

В данной статье объясняется анализ производительности VoIP по беспроводным сетям. Такие показатели производительности, как пропускная способность, сквозная передача данных, джиттер и соотношение доставки пакетов были оценены с помощью двух различных сценариев моделирования. Результаты показывают, что SCTP демонстрирует лучшую пропускную способность, чем UDP и RTP. Как RTP, так и UDP являются достаточно справедливыми с точки зрения сквозной задержки в моделировании по сравнению с SCTP. Получается, что в случае RTP джиттер минимален по сравнению с другими протоколами. Кроме того, оценка SCTP показывает высокие значения коэффициента доставки пакетов и, следовательно, хорошо влияет на качество VoIP.

Литература

1. L. Narvaez, J. Perez, C. Garcia and V. Chi, Designing 802.11 WLANs for VoIP and Data, IJCSNS International Journal of Computer Science and Network Security, vol. 7, no. 7, July 2007.
2. S.Vijay Bhanu, R.Chandrasekaran, and V. Balakrishnan Effective Bandwidth Utilization in IEEE802.11 for VOIP (IJCSIS) International Journal of Computer Science and Information Security, vol. 8, no. 1, April 2010.
3. B. Goode, Voice over Internet Protocol (VoIP). Proceedings of IEEE, vol. 90, pp. 1495-517, 2002.
4. J. Postel, User Datagram Protocol, Request For Comments: 768, August 1980.
5. R. Stewart, Stream Control Transmission Protocol (SCTP), Request For Comments 4960, September 2007.
6. H. Schulzrinne, S. Casner, R. Frederick, and V. Jacobson, RTP: A Transport Protocol for Real-Time Applications, Request For Comments: 3550, July 2003.
7. P. G. Balipadi and J. Sangeetha, An Analysis of VoIP Application in Fixed and Mobile WiMAX Networks, International Journal of Wireless and Microwave Technologies, no. 5, pp. 22-34, 2016.
8. A. S. Abdelrahman, Rashid A. Saeed, and R. A. Alsaqour, Qos Performance Study Of Real-Time Transport Protocol Over VoIP, ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, vol. 11, no. 9, May 2016.
9. A. M. Alsahlany, Performance Analysis Of VoIP Traffic Over Integrating Wireless LAN and WAN using Different Codecs, International Journal of Wireless & Mobile Networks (IJWMN), vol. 6, no. 3, June 2014.
10. R. Ganiga, B. Muniyal, and Pradeep, Characteristic Analysis of VoIP Traffic for Wireless Networks In Comparison with CBR using QualNet Network Simulator, International Journal of Computer Applications, vol. 50, no. 11, July 2012.
11. A. H. Wheeb, Performance Evaluation of UDP, DCCP, SCTP and TFRC for Different Traffic Flow in Wired Networks International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE), vol. 7, no. 6, 2017.
12. T. Issariyakul and E. Hossain. 2011. Introduction to network simulator NS2: Springer
13. V. Malhotra and L. Kumar, QOS Based Analysis in IEEE 802.11 and IEEE 802.16 Integrated Networks, IJARCSSE, vol. 3, issue. 7, 2013.
14. S. Floyd, Metrics for the Evaluation of Congestion Control Mechanisms, Request for Comments: 5166, March 2008.