Modelarea si analiza retelei Internet folosita pentru aplicatii clasice de date si pentru VoIP

VoIP – QoS – Frame Size

Obiective

Acest laborator urmareste modelarea si analiza retelei Internet folosita pentru aplicatii clasice de date si pentru VoIP in conditiile in care se realizeaza o tratare diferentiata a aplicatiilor, avand in vedere cerintele QoS (Quality of Services) specifice fiecarei aplicatii.

Aplicatiile clasice de date (http, ftp, email, print) sunt tratate ca servicii Best Effort, iar aplicatie de voce prin Internet (VoIP) este tratata ca serviciu Interactive voice.

Se va analiza de asemenea efectul rezervarii de resurse pentru VoIP, folosind in acest scop protocolul RSVP (Resource Reservation Protocol)

Se investigheaza efectul utilizarii mecanismelor de control QoS in reteuaua IP..

Se evalueaza Gradul de incarcare cu traffic a retelei IP QoS in cazul folosirii schemei de codare a vocii G.711 si Frame Size = 4 msec, 10 msec, 20 msec, 30 msec.

1. Introducere

Aplicatiile de timp real, ca de exemplu telefonia, teleconferinta si videoconferinta pot fi realizate cu costuri reduse prin reteaua IP, dar impun cerinte stricte privind intarzierea pentru obtinerea unei bune calitati a serviciilor.

Existenta in retea a unor aplicatii cu cerinte diferite pentru tratarea lor in reteaua IP, a impus un tratament diferentiat al acestora si controlul calitatii serviciilor (QoS = Quality of Service), care se traduce din punctul de vedere al retelei prin cerinte  specifice privind delay, jitter, packet loss, parametri care trebuie evaluati si de asemenea trebuie sa fie introduse mecanisme care sa asigure indeplinirea cerintelor impuse in acest sens.

1.1. CQS (Classification, Queuing and Sheduling).

Clasificarea pachetelor.

Asigurarea QoS pentru aplicatii diverse, care impun cerinte diferite retelei IP, impune clasificarea serviciilor in clase de servicii, care vor fi tratate diferentiat de reteaua IP.

Pentru situatiile in care rata serviciilor depaseste sarcina retelei, este necesar sa se creeze o coada de asteptare (queue) pentru fiecare clasa de trafic pentru care se defineste tratamentul specific cerintelor particulare pentru delay, jitter, packet loss.

O schema simpla de clasificare a pachetelor foloseste un set de n biti numit cheie de clasificare (classification key) pentru a diferentia clasele asociate pachetelor. Se obtine astfel un descriptor de trafic pentru a caracteriza un pachet dintr-un grup, care este accesibil controlerului QoS in retea. Prin folosirea clasificarii se poate realiza impartirea traficului retelei in mai multe nivele de prioritate sau clase de servicii. 

Cand se folosesc descriptori de trafic pentru clasificarea traficului, sursa se angajeaza sa respecte termenii contractuali, iar reteaua trebuie sa asigure calitatea serviciilor.

Daca se lucreaza cu un numar mic de clase, atunci se poate folosi un camp fix din antetul pachetului IP, cu o localizare cunoscuta, care este folosit pentru clasificare (ex. ToS = Type of Service in IPv4, TC= Traffic Class in IP v6).

Queuing

Queuing reprezinta operatia prin care se realizeaza introducerea unui pachet de date care apartine unei clase de trafic intr-o coada de asteptare (queue) asociata.

Fiecare din aceste cozi are asociate politici proprii de tratare a pachetelor.

Multiplele queues asociate unei interfete de iesire sunt inutile daca nu exista un mecanism pentru clasificarea si asocierea pachetelor la coada de asteptare (queue) corespunzatoare.

Scheduling

Cozile de asteptare (queues) trebuie sa partajeje impreuna capacitatea finita a linkului de iesire asociat.

Aceasta cerinta implica adaugarea unui mecanism de planificare (scheduling) pentru a media accesul pachetelor din cozile de asteptare (queues)  la link intr-o maniera controlabila si predictibila.

O retea cu capabilitati QoS contine rutere care pot diferentia toate tipurile de trafic prin CQS (Classify, Queuing, Scheduling).

OPNET-ul permite selectia Queuing Scheme, care pot fi:

FIFO  = First Input First Output

WFQ               = Weighted Fair Queuing

PQ                   = Priority Queuing

MWRR   = Modified Weighted Round Robin

DWRR  = Deficit Weighted Round Robin

MDRR  = Modified Deficit Round Robin

Fig.1. CQS ((Clasification, Queuing and Sheduling)

2. VoIP in reteaua IP QoS, cu schema de codare G.711

Se propune modelarea schemei din fig.2.

Fig.2.

Se creaza un proiect nou cu numele VoIP

In directorul XXX se creeaza directorul Gr_451HaOPNET2 folosind:

o      File → New → Folder

Se selecteaza directorul in care vor fi plasate fisierele proiectului.

o      File →  Model Files →Add Model Directory

o      Se selecteaza directorul in care se va lucra (in acest director vor fi salvate fisierele proiectului curent)

o      Se selecteaza Working Directory

Se lanseaza in executie IT Guru.

Se selecteaza

o      File → New → Project si se definesc

Numele proiectului:       QoS

Numele scenariului:       Scenariu_BestEffort

Valorile cerute in fereastra de dialog:

Se creaza paleta de obiecte, conform tabelului 1.

Tabelul 1. Obiecte OPNET necesare modelarii retelei

Se realizeaza modelul retelei conform figurii 2 si de definesc obiectele conform schemei.

Configurarea retelei.

Configurarea aplicatiilor

Configurarea profilelor:

- Se definesc 3 profile astfel:

o       Profil Date : cuprinde setul de aplicatii Web, Ftp, Email;

o       Profil Voce_BE : cuprinde aplicatia Voice_BE;

o       Profil Voce_QoS : cuprinde aplicatia Voice_QoS;

- Se seteaza modul de operare (Operation Mode) : Simultaneous pentru toate profilele.

Configurarea terminalelor multimedia

Se configureaza cele doua telefoane IP astfel incat sa suporte aplicatii de voce, astfel:

o       Telefon_1 :

Application:Supported Profiles: Profil Voce_BE

Application:Destination Preference: Tel2

Client Address: Tel1

o       Telefon2 :

Application:Supported Service: Voice_BE

Application:Destination Preference: Tel1

Client Address: Tel2

Se configureaza PC1 astfel incat sa suporte profilul de date:

o      PC1:

Application:Supported Profiles: Profil Date

Configurarea serverelor:

- Web_Ftp_Server -> Application: Supported Services : Web, Ftp

- Email_Server -> Application: Supported Services : Email

Configurarea link-urilor:

1. Link ppp : Router<->Internet – se seteaza date rate: 256000 (biti)

2. Link ppp : Internet<->Web_Ftp_Server – se seteaza date rate: 2048000 (biti)

3. Link ppp : Internet<->Email_Server – se seteaza date rate: 2048000 (biti)

4. Link ppp : Internet<->Telefon_2 – se seteaza date rate: 2048000 (biti)

Restul linkurilor sunt de tip Ethernet de 10mb/s.

Configurarea statisticilor:

- Se selecteaza colectarea de statistici globale (Global Statistics) pentru Email, Ethernet, FTP, HTTP, Voice;

- Se selecteaza colectarea de statistici pe obiecte (Node Statistics) dupa cum urmeaza: Client | Server(Email, FTP, HTTP), Ethernet, TCP, UDP, Voice Application, RSVP;

- Se selecteaza colectarea de statistici pe linkuri (Link Statistics) -> Point-to-Point -> All.

Simularea retelei:

o      Se lanseaza in executie simulatorul Configure/Run simulation button

o      Se seteaza durata la 5 minute

o      Se lanseaza in executie simulatorul Run

o      La terminarea executiei simularii se inchide fereastra simulatorului Close

Se analizeaza statisticile:

Pe link-ul Router<->Internet :

o       Se retine graficul pentru utilization <-

o       Se retine graficul pentru throughput (bits/s) <-

o      Se retine graficul pentru queuing delay <-

Pe Telefon_1:

- Voice Application:

o      Se analizeaza Traffic Sent (bytes/s)

o      Se analizeaza Traffic Received (bytes/s)

o      Se analizeaza Packet End-to-End Delay (sec)

o      Se analizeaza Packet Delay Variation (sec)

3. Crearea scenariului QoS_G711_4ms

Se duplica scenariul: ->Scenarios->Duplicate Scenario si se salveaza cu numele: QoS_G711_4ms

Configurarea obiectului OPNET:  QoS Configuration

Se seteaza:

RSVP Flow Specification:

o           Name : Default

o           Bandwidth(bytes/sec) : 24000 (256000*75%/8)

o           Buffer Size(bytes) : 50000

RSVP Profiles

o           Profile Name : Default

o           Threshold(bytes/sec) : 5000

o           Reservation Style : Fixed Filter

o           Reservation Parameters :

Flow Description : Specified by sender

Sender List : Any Sender

WFQ Profiles(fig.5)

Configurarea terminalelor

Toate elementele retelei IP vor fi configurate sa utilizeze mecanism de control QoS folosind in acest scop cozi diferentiate pentru date si voce, bazate pe tipul serviciului definit prin antetul IP, precum si un planificator de tip WFQ:

Queuing Scheme     WFQ (Weighted Fair Queue)

Queuing Profile        ToS (Type of Service) Based

De asemenea se va valida utilizarea protocolului de rezevare de resurse (RSVP).

- Se realizeaza urmatoarea configurare pe cele doua telefoane :

Se configureaza Application: RSVP Parameters astfel incat sa se valideze rezervarea de resurse: Edit->Voice->RSVP Status : Enable

Se configureaza IP Host Parameters pentru controlul QoS : Interface Information-> QoS Information :

o      RSVP Info: RSVP Enabled

o      Queuing Scheme : WFQ

o      Queuing Profile : ToS Based

Se configureaza RSVP Protocol Parameters : Interface Information :

Se va modifica:

o       Telefon_1 :

Application:Supported Profiles: Profil Voce_QoS

o       Telefon2 :

Application:Supported Service: Voice_QoS

Configurarea routerului si internetului(ip_cloud_adv)

Se stabilesc interfetele IF folosite pentru conectarea la linkurile ethernet sau ppp si se configureaza

IP Routing Parameters -> Interface Information si se selecteaza pe interfetele conectate la linkuri:

-> QoS Information:

o      Queuing Scheme : WFQ (Weighted Fair Queue)

o      Queuing Profile : ToS  (Type of Service) Based

-> MultiCast Mode : Enable

RSVP Protocol Parameters -> Interface Information si se selecteaza pe interfetele conectate la linkuri:

o      RSVP Status : Enabled

o      Maximum Reservable BW : 75%

o      Maximum Bandwidth Per Flow : 75%

! Se seteaza in mod similar parametrii pe nodul de internet (ip_cloud_adv). Se va tine cont de interfetele la care sunt conectate linkurile.

Simularea retelei:

o      Se lanseaza in executie simulatorul Configure/Run simulation button

o      Se seteaza durata la 5 minute

o      Se lanseaza in executie simulatorul Run

o      La terminarea executiei simularii se inchide fereastra simulatorului Close

Se analizeaza statisticile pe link-ul Router<->Internet :

o       Se retine graficul pentru utilization <-

o       Se retine graficul pentru throughput (bits/s) <-

o       Se retine graficul pentru queuing delay <-

Pe Telefon_1:

- Voice Application:

o      Se analizeaza Traffic Sent (bytes/s)

o      Se analizeaza Traffic Received (bytes/s)

o      Se analizeaza Packet End-to-End Delay (sec)

o      Se analizeaza Packet Delay Variation (sec)

RSVP :

o      Resv Messages Sent(packets/sec)

o      Resv Messages Received(packets/sec)

o      Path Messages Sent(packets/sec)         

o      Path Messages Received(packets/sec)

! Se completeaza tabelul din anexa.

4. Crearea scenariului QoS_G711_10ms

Se duplica scenariul: Scenarios-> Duplicate Scenario si se salveaza cu numele: QoS_G711_10ms

In Application Config - > Voice Encoder Scheme - > Edit -> se modifica Frame size-ul pentru standardul G711 la 10ms. Se simuleaza scenariul si se vizualizeaza rezultatele completandu-se tabelul din anexa.

5. Crearea scenariului QoS_G711_20ms

Se duplica scenariul: Scenarios-> Duplicate Scenario si se salveaza cu numele: QoS_G711_20ms

In Application Config - > Voice Encoder Scheme - > Edit -> se modifica Frame size-ul pentru standardul G711 la 20ms. Se simuleaza scenariul si se vizualizeaza rezultatele completandu-se tabelul din anexa.

6. Crearea scenariului QoS_G711_20ms

Se duplica scenariul: Scenarios-> Duplicate Scenario si se salveaza cu numele: QoS_G711_20ms

In Application Config - > Voice Encoder Scheme - > Edit -> se modifica Frame size-ul pentru standardul G711 la 30ms. Se simuleaza scenariul si se vizualizeaza rezultatele completandu-se tabelul din anexa.

Anexa               Nume_____ _______ ______ __________Grupa_______

Se analizeaza efectul selectiei valorii parametrului Frame Size asupra incarcarea cu trafic de voce a linkurile Ethernet si ppp in retea IP QoS pentru schema de codare G.711