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BOAS PRTICAS DE INFRA-ESTRUTURA DE REDE PARA SUPORTE A VOZ-SOBRE-IP

Histrico de Revises Data 27/08/2008 10/10/2008 Verso 1.0 1.1 Autor LCGL1 PHM2 Descrio Verso Inicial Reviso Inicial

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Leandro C.G. Lustosa Gerente de Desenvolvimento da Instant Solutions, e possui Mestrado em Redes de Computadores, com nfase em Voz-sobre-IP, qualidade de servio e avaliao de qualidade de voz pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ).2

Paulo Haroldo Mannheimer Scio-Fundador e Diretor Executivo da Instant Solutions, e Bacharel em Informtica (Software Bsico) pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ). Paulo tambm Master in Business Administration por U.C. Berkeley. Copyright 2008 Instant Solutions All Rights Reserved Pgina 1/12Permitida a reproduo total ou parcial desde que citada a fonte

NDICE1. Introduo ......................................................................................................................3 2. Requisitos para trfego de voz .......................................................................................3 2.1. Banda ......................................................................................................................3 2.2. Perdas na rede .........................................................................................................4 2.3. Atraso......................................................................................................................4 2.4. Variao do atraso (Jitter) .......................................................................................4 3. Polticas de priorizao de trfego .................................................................................4 3.1. Identificando onde as polticas de priorizao de trfego devem ser aplicadas......5 3.1.1. Cenrio 1 Acesso a WAN .............................................................................5 3.1.2. Cenrio 2 Interligao entre sites ..................................................................6 3.1.3. Cenrio 3 Rede local .....................................................................................6 4. Suportando trfego de voz - Nvel 3 ..............................................................................7 4.1. Marcao de pacotes de voz e desmarcao de pacotes no legtimos ...................7 4.2. Poltica de gerencia de fila ......................................................................................8 4.3. Fragmentao para enlaces de baixa velocidade.....................................................9 4.4. Ateno ao uso de mecanismos de tratamento de congestionamento.....................9 4.5. Coerncia com o provedor de acesso ......................................................................9 5. Suportando trfego de voz Nvel 2 (Rede local).........................................................9 6. Concluso.....................................................................................................................12

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1. IntroduoEste documento relaciona boas prticas de infra-estrutura de rede para suporte a voz. As recomendaes apresentadas devem ser encaradas como uma diretriz bsica para adequao da rede a fim de obteno do esperado nvel de qualidade que a plataforma InstantVoice oferece.

2. Requisitos para trfego de vozPara se transportar voz interativa com adequado nvel de qualidade deve-se atentar para os requisitos de rede exigidos em termos de consumo de banda, perdas na rede, atraso e variao de atraso. Esta seo descreve estes requisitos.

2.1. BandaA banda requisitada para cada fluxo de voz depende diretamente do codificador (codec) e do meio de transporte utilizados. A tabela 1 apresenta o consumo de banda requisitado, por canal de voz, utilizando codificadores usuais nos principais meios de transmisso:Codificador G.711 (todas as variaes) Meio Ethernet PPP MPLS FrameRelay Ethernet PPP MPLS FrameRelay Ethernet PPP MPLS FrameRelay Banda (kbps) 91.56 86.52 87.36 86.94 32.76 27.72 28.56 28.14 38.22 33.18 34.02 33.60

G.729

GSM

Tabela 1: Consumo de banda para codificadores usuais

A plataforma InstantVoice utiliza preferencialmente os seguintes codificadores para o trfego de voz (consulte a equipe de suporte para alteraes da configurao padro): Softphone IVPhone: preferencialmente GSM, com opo de G.711 e iLBC (wideband);Copyright 2008 Instant Solutions All Rights Reserved Pgina 3/12Permitida a reproduo total ou parcial desde que citada a fonte

Ramais analgicos: preferencialmente G.711 em rede local, com opo de G.729 para ramais remotos; Ramais IP (telefone IP): preferencialmente G.711 em rede local, com opo de G.729 para ramais remotos;

2.2. Perdas na redeA perda de pacotes, normalmente decorrente de congestionamentos na rede, uma das principais causas da m qualidade de voz. Pontos de congestionamento (gargalos) devem ser identificados e tratados com priorizao do fluxo de voz. A perda de pacote no deve ultrapassar a taxa de 1% no pior caso. importante notar que codificadores mais robustos (como, por exemplo, o G.711) possuem maior tolerncia a perdas que codificadores menos robustos (como, por exemplo, o G.729 e o GSM), entretanto, codificadores mais robustos normalmente requisitam maior consumo de banda.

2.3. AtrasoO atraso demasiado acarreta na perda de interatividade da conversa. Recomenda-se que o atraso mximo na rede em um sentido no ultrapasse 100 ms.

2.4. Variao do atraso (Jitter)A variao do atraso pode acarretar em perdas nos buffers de compensao de jitter dos dispositivos VoIP e alta degradao na qualidade da voz. recomendado que a variao do atraso no ultrapasse 20 ms. Uma variao de at 30 ms aceitvel em algumas situaes onde o atraso da rede baixo, possibilitando que os buffers de compensao de jitter trabalhem com tamanhos maiores.

3. Polticas de priorizao de trfegoPolticas de priorizao de trfego so comumente chamadas de polticas de gerenciamento de filas, j que agem nas filas dos equipamentos de rede de forma a favorecer fluxos de maior prioridade em detrimento aos fluxos de menor prioridade.

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3.1. Identificando onde as polticas de priorizao de trfego devem ser aplicadas importante notar que tais polticas s so efetivas quando aplicadas em pontos onde filas so geradas. No faz sentido priorizar trfego onde no h fila. Logo, ao se projetar uma rede com priorizao de trfego, um dos passos mais importantes a identificao dos pontos de gargalo onde as polticas de gerenciamento de filas devem ser aplicadas. Nas figuras nas sees 2.1.1, 2.1.2 e 2.1.3 so ilustrados trs cenrios usuais de redes. Em cada um dos cenrios so apontados os pontos de gargalo onde a aplicao de polticas de priorizao de trfego efetiva.

3.1.1. Cenrio 1 Acesso a WANNo cenrio ilustrado na figura 1 podemos observar um roteador com uma interface de rede local (Fast Ethernet com 100 Mbps) e uma interface WAN de baixa velocidade (2 Mbps). importante observar que no sentido WAN para LAN a gerao de filas no caracterizada, j que o roteador recebe o trfego da WAN em uma velocidade menor que capaz de enfiar para a LAN. Entretanto, no sentido LAN para WAN, possvel observar uma tendncia a gerao de filas, j que o roteador tende a receber da LAN mais trfego do que capaz de repassar para a WAN.Gargalo

LAN

Fast Ethernet 100 Mbps

PPP 2 Mbps

WAN

Figura 1: Cenrio 1 - Acesso a WAN

H um gargalo na interface WAN de sada do roteador. Assim, caso se queira priorizar fluxos santes, necessrio que se aplique uma poltica de priorizao de trafego no sentido de sada da interface WAN do roteador.

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3.1.2. Cenrio 2 Interligao entre sitesO segundo cenrio, descrito na figura 2, muito parecido com o primeiro cenrio. De fato, o segundo cenrio a juno de dois cenrios 1. No primeiro cenrio foi apontado onde se deve controlar a prioridade dos fluxos santes da LAN para a WAN. Podemos imaginar o Cenrio 1 como o acesso a Internet.

Gargalo

Gargalo

PPP 2 Mbps Fast Ethernet 100 Mbps

WANPPP 2 Mbps Fast Ethernet 100 Mbps

SITE 1 LANFigura 2: Cenrio 2 - Interligao entre sites

SITE 2 LAN

O cenrio 2 pode ser imaginado como uma ligao entre dois sites de uma mesma empresa. Neste caso, iremos controlar a prioridade dos fluxos em ambos os sentidos. Na interface de sada da interface WAN do roteador do SITE 1 controlamos a prioridade dos fluxos destinados ao SITE 2, e na interface de sada da interface WAN do roteador do SITE 2 controlamos a prioridade dos fluxos destinados ao SITE 1.

3.1.3. Cenrio 3 Rede localO terceiro cenrio, ilustrado na figura 3, possui uma caracterstica diferente dos dois cenrios apresentados anteriormente. Nos cenrios 1 e 2 so apontados os pontos onde as polticas de priorizao de trfego devem ser habilitadas em um roteador. Nestes cenrios a priorizao sempre baseada no nvel 3, ou seja, na marcao de pacotes IP. O cenrio 3 (figura 3) no h roteador. H apenas switches. Logo, a priorizao de trfego deve ser feita em nvel 2.

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Switch core

`

100 Mbps Gargalo

Gargalo 100 Mbps

100 Mbps

`

`

100 Mbps

100 Mbps

100 Mbps

100 Mbps

`

Figura 3: Cenrio 3 - Rede local

Entretanto, a premissa de identificar pontos de gargalo, onde um equipamento de rede recebe mais banda por uma interface (ou um conjunto de interfaces) do que consegue transmitir por outra interface continua valendo. Seguindo esta premissa, possvel identificar trs pontos de gargalo no cenrio 3. Note que se cada um dos computadores gerarem 100 Mbps destinados a algum elemento conectado diretamente ao switch core, os pontos indicados as interfaces de uplink dos switches ficaro engargaladas. Logo, possvel identificar que tais pontos so efetivos para a aplicao de polticas de priorizao de trfego.

4. Suportando trfego de voz - Nvel 3As rotas de nvel 3 por onde a voz trafega devem ser identificadas. Os pontos onde as polticas de priorizao de voz so efetivas (gargalos) devem ser identificados, e as recomendaes descritas nos sub-tpicos desta seo devem ser averiguadas.

4.1. Marcao de pacotes de voz e desmarcao de pacotes no legtimos Todos os pacotes referentes aos fluxos de voz devem ser marcados; Recomenda-se o uso de DSCP EF; Os pacotes de voz podem ser caracterizados pelos endereos IP dos equipamentos envolvidos e pelas portas de transporte utilizadas pelos aplicaes VoIP: o Porta UDP 5060 SIP o Porta UDP 4569 IAX o Porta UDP 10000 a 20000 RTP (padro InstantVoice ) o IP dos MediaGateways (E1, FXO e FXS) o IP das estaes que com softphone VoIP o IP dos softswitchesCopyright 2008 Instant Solutions All Rights Reserved Pgina 7/12Permitida a reproduo total ou parcial desde que citada a fonte

Pacotes no associados aos fluxos de voz marcados como pacotes de voz (DSCP EF) devem ser desmarcados (pacotes no legtimos); A marcao deve ser realizada em qualquer equipamento que esteja localizado anteriormente ao primeiro roteador que opera alguma poltica de priorizao de fluxos de voz, incluindo o este prprio roteador (desde que a marcao seja realizada anteriormente ao mecanismo de priorizao); A desmarcao de pacotes no legtimos deve ser realizada em qualquer equipamento que esteja localizado anteriormente ao primeiro roteador que opera alguma poltica de priorizao de fluxos de voz, incluindo o este prprio roteador (desde que a marcao seja realizada anteriormente ao mecanismo de priorizao).

4.2. Poltica de gerencia de fila Os fluxos referentes aos pacotes de voz devem ser gerenciados por uma fila que garanta a banda que se deseja reservar para voz (olhar seo 2.1); Recomenda-se uma poltica de fila que sirva os pacotes de voz com prioridade mxima at a exausto (atendendo o limite de banda reservado). Este poltica comumente conhecida como Priority Queue (ou simplesmente PQ) e oferecida pela maioria dos equipamentos de rede que suportam priorizao de trfego IP; Recomenda-se que os fluxos menos prioritrios, que no so tratados pela PQ, sejam tratados por uma poltica da de filas do tipo Fair Queue, de modo que aplicaes interativas de menor consumo de banda (como SSH, TELNET, HTTP, entre outras) no sejam atrapalhadas por aplicaes no interativas de maior consumo de banda (download FTP, download HTTP, entre outras). O uso de Fair Queue tambm diminui a probabilidade de que a voz seja degradada caso a banda reservada pela PQ seja extravasada (o trfego que extravasar da PQ deve ser direcionado para a Fair Queue ); Alguns fabricantes alertam que a reserva de mais de mais de 33% da banda de um enlace para PQ pode causar inanio aos fluxos de menor prioridade; Deve-se verificar o tamanho do buffer das interfaces dos equipamentos que esto priorizando os fluxos de voz. Os equipamentos costumam utilizar um buffer de sada do tipo FIFO (First In First Out), que quando configurado com valores elevados, podem diminuir a eficincia do mecanismo de priorizao e acrescentar muito atraso na rede. importante alertar que comum que, aps a habilitao de mecanismos de priorizao, os buffers de sada sejam configurados automaticamente para valores padres queCopyright 2008 Instant Solutions All Rights Reserved Pgina 8/12Permitida a reproduo total ou parcial desde que citada a fonte

usualmente so demasiadamente altos. Estes buffers precisam ser ajustados levando-se em conta as necessidades de atraso exigidas pela voz (olhar seo 2.3).

4.3. Fragmentao para enlaces de baixa velocidadeEm enlaces com velocidades inferiores a 1024 kbps, torna-se necessria a utilizao de tcnicas como LFI (Link Fragmentation and Interleaving). O tempo de serializao de um pacote em uma interface inversamente proporcional velocidade do link desta interface; um pacote de voz pode sofrer um atraso inaceitvel aguardando o trmino da transmisso de um pacote de dados em um link de baixa velocidade. O LFI faz com que um quadro sendo enviado seja fragmentado em tamanhos menores, permitindo a insero de pacotes prioritrios entre eles. A tabela 2 apresenda o tamanho de fragmentos recomentados para enlaces de baixa velocidade. Velocidade do enlace 512 kbps 768 kbps 1024 kbps (ou maior) Fragmentao 512 bytes 1024 bytes no necessrio

Tabela 2: Fragmentao em enlaces de baixa velocidade

4.4. Ateno ao uso de mecanismos de tratamento de congestionamentoNo deve-se utilizar de algoritmos para tratar congestionamentos nas filas associadas aos fluxos de voz, como RED (Random Early Detection) ou WRED (Weighted Random Early Detection). Estes algoritimos causam descartes de pacotes que afetaro a qualidade da voz.

4.5. Coerncia com o provedor de acesso importante ter em mente que o provedor de acesso tambm deve priorizar o trfego de voz, e que deve existir uma coerncia entre a configurao de priorizao de trfego adotada internamente e a poltica de priorizao adotada pelo provedor. O provedor deve ser informado como os pacotes de voz esto sendo marcados para que as regras de priorizao sejam mapeadas para dentro da rede do provedor.

5. Suportando trfego de voz Nvel 2 (Rede local)Copyright 2008 Instant Solutions All Rights Reserved Pgina 9/12Permitida a reproduo total ou parcial desde que citada a fonte

Uma vertente para suporte de voz em rede local a segmentao em nvel 2 baseada em VLAN com uso de priorizao segundo o padro 802.1Q/p. Entretanto, este tipo de infra-estrutura acrescenta muita complexidade soluo. A priorizao segundo o padro 802.1Q/p deve ser configurada pela aplicao, e a placa de rede dos equipamentos VoIP (estaes de trabalho que operam SoftPhone, Telefones IP, MediaGateways, Softswitches, entre outros), assim como seus respectivos sistemas operacionais, devem suportar o 802.1Q/p. Tambm h a necessidade de configurao individual de cada um destes equipamentos. A segmentao por VLAN exige ainda que as portas dos switches onde estes equipamentos se interligam tambm sejam identificadas e configuradas para segmentao da VLAN. O roteamento de nvel 3, para encaminhamento entre VLANs tambm se torna necessrio, adicionando assim, mais custo para soluo, j que normalmente h a necessidade de investimento em switches de nvel 3 de alta performance. Outra vertente, que em alguns casos tambm exige investimentos, mas que por outro lado no aumenta complexidade da rede, a aproximao dos equipamentos VoIP do core da rede. Esta vertente segue as seguintes premissas: Os pontos de gargalo de nvel 2 (como ilustrado na seo 2.1.3) devem ser minimizados nas rotas de voz; Cada equipamento VoIP (estaes de trabalho que operam SoftPhone, Telefones IP, MediaGateways, Softswitches, entre outros) deve ter uma interface Full Duplex de ao menos 100 Mbps dedicada at o switch de acesso. O cascateamento de uma estao de trabalho a um Telefone IP com switch interno permitido; Equipamentos que concentram muitas chamadas de voz, como MediaGateways e Softswitches (E1 ou FXS) devem estar ligados diretamente ao core da rede; Estaes de trabalho que utilizam voz como aplicao de misso crtica (estaes de operadores de um CallCenter) devem possuir um cascateamento mximo de 1 nvel (um switch) at o core da rede, e devem estar conectadas a switches dedicados; O cascateamento entre os switches devem ser realizados atravs de enlaces de maior velocidade como, por exemplo, Gibabit Ethernet ou FastEthernet Channel (juno de grupos de interfaces FastEthernet operando em paralelo).

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Backbone: 10 gibabit Ethernet

Uplink core x distribuio: Gigabit Etherne

Mediagateway E1

Switches Core: Backbone

Uplink: distribuio x acesso: Gigabit Ethernet

Mediagateway FXS RTFC SoftSwitch / DAC Switch dedicado ao CallCenter

Switches de distribuio

Acesso: Fast Ethernet

Switches de acesso

`

` Ramais analgicosIP IP IP

Operadores CallCenter

`

`

`

Estaes de trabalho / Telefones IP

Figura 4: Infra-estrutura de rede local

A figura 4 ilustra uma infra-estrutura de rede local que segue as premissas descritas acima. Os switches esto classificados em trs grupos: Core, distribuio e acesso. Os switches Core esto conectados a alta velocidade e abrigam os elementos que concentram muitas chamadas de voz, como os Mediagateways e o SoftSwitch/DAC, assim como, os switches dedicados s estaes dos operadores de CallCenter que operam SoftPhones. Os switches de distribuio interligam os switches de acesso em alta velocidade. Os switches de acesso por sua vez, oferecem portas FastEthernet dedicadas a cada um dos Telefones IP e as estaes de trabalho que operam SoftPhones.

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6. ConclusoAs recomendaes apresentadas neste material visam nortear os princpios bsicos de infraestrutura para a garantia da qualidade de voz trafegando sobre o protocolo IP. Este documento foi desenvolvido a partir de nossa experincia em casos reais de uso, e est em constante aprimoramento medida que novos cenrios exijam sua atualizao. Acesse www.instant.com.br e verifique, sempre que possvel, a ltima verso disponvel. A equipe tcnica da Instant Solutions est, como sempre, disposio para discutir detalhes especficos de sua implantao, atravs dos seguintes canais:

Email: [email protected] Instant Solutions Tecnologia e Informtica Ltda. Rua da Quitanda, 62 12 andar Centro Rio de Janeiro CEP: 20011-030 Telefone: (011/021) 3956.6100

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