Leseprobe. Anatol Badach. Voice over IP - Die Technik. Grundlagen, Protokolle, Anwendungen, Migration, Sicherheit ISBN:

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1 Leseprobe Anatol Badach Voice over IP Die Technik Grundlagen, Protokolle, Anwendungen, Migration, Sicherheit ISBN: Weitere Informationen oder Bestellungen unter sowie im Buchhandel. Carl Hanser Verlag, München

2 4 VoIP und QoS in IPNetzen Bei VoIP werden bestimmte Anforderungen an IPNetze hinsichtlich der Qualität bei Übermittlung von Sprache gestellt. Diese Anforderungen bezeichnet man als QoSAnforderungen (Quality of Service); sie betreffen vor allem die Übermittlungszeit und deren Schwankungen sowie Verluste von IPPaketen mit Sprache. Eine besonders große Auswirkung auf die Qualität des Telefongesprächs bei VoIP hat die EndezuEndeVerzögerung des Sprachsignals, d.h. die Zeit, die das Sprachsignal vom Mund des Sprechers bis zum Ohr des Empfängers benötigt. Um die gestellten QoSAnforderungen erfüllen zu können, kommen verschiedene Konzepte in Frage, wie z.b. Differentiated Services, mehrere Verfahren für Management von Warteschlangen mit IPPaketen vor Leitungen (Queue Management) und das Protokoll RSVP (Resource reservation Protocol). Im Allgemeinen basieren diese Konzepte auf der Differenzierung von Paketströmen in IPNetzen. Hierbei werden den IPPaketen mit Sprache höhere Prioritäten zugeteilt als den IPPaketen mit Daten. So werden IPPakete mit Sprache im IPNetz vorrangig behandelt. Dieses Kapitel gibt einen Überblick über das Thema QoS bei VoIP. Nach einer Darstellung von Einflussfaktoren auf die VoIPQualität in Abschnitt 4.1 folgt in Abschnitt 4.2 eine Auflistung von Verfahren zur Garantie von QoSAnforderungen. Auf die QoSUnterstützung in lokalen Netzwerken geht Abschnitt 4. ein. Abschnitt 4.4 erläutert das Konzept von Differentiated Services. Verschiedene Verfahren für QueueManagement präsentiert Abschnitt 4.. Das Protokoll RSVP wird in Abschnitt 4.6 dargestellt. Abschließende Bemerkungen in Abschnitt 4.7 runden das Kapitel ab. In diesem Kapitel findet man u.a. Antworten auf folgende Fragen: Welche Faktoren wirken sich negativ auf die VoIPQualität aus? Welche Komponenten enthält die EndezuEndeVerzögerung des Sprachsignals? Welche Auswirkung für Paketverluste hat ein JitterAusgleichpuffer? Wie ist die QoSUnterstützung in lokalen Netzwerken und in Weitverkehrsnetzen möglich? Wie funktionieren wichtige Verfahren (CBQ, WFQ, CBWFQ,...) für QueueManagement? Wie reserviert man die Bandbreite einer virtuellen Verbindung nach dem Protokoll RSVP? QoS Anforderungen Konzepte für QoS Garantie Überblick über das Kapitel Ziel dieses Kapitels

3 116 4 VoIP und QoS in IPNetzen 4.1 QoSAnforderungen bei VoIP Begriff QoS Bei der Audio und Videokommunikation über ein IPNetz und damit auch bei VoIP wird verlangt, dass die Zeitverhältnisse im Bitstrom an der Sende und Empfangsseite unverändert bleiben. Damit müssen die Zeitabstände zwischen den aufeinanderfolgenden IPPaketen in einem Audio/VideoBitstrom auf Sende und Empfangsseite identisch sein. In diesem Zusammenhang spricht man von Isochronität. Daher stellt VoIP eine isochrone Kommunikation dar. Die Anforderung an das IPNetz, eine isochrone Kommunikation in guter Qualität zu ermöglichen, werden als QoSAnforderungen bezeichnet. Unter QoS (Quality of Service), auch Dienstgüte genannt, wird die Fähigkeit eines IP Netzes verstanden, einer Anwendung oder einer Klasse von Anwendungen eine geforderte Bandbreite einer Verbindung bzw. zusätzlich eine maximale Übermittlungszeit im Netz zu garantieren und hierbei möglichst eine geringe Anzahl von Übermittlungsfehlern und eine geringe Schwankung der Übermittlungszeit einzelner IPPakete zu verursachen Einflussfaktoren auf die VoIPQualität Garantie einer bestimmten Bandbreite VoIP als isochrone Kommunikation Endezu Ende Verzögerung Die wichtigsten QoSAnforderungen, die VoIP an IPNetze stellt, betreffen: die Bandbreite von virtuellen Verbindungen zwischen IPTelefonen, die EndezuEndeVerzögerung des Sprachsignals (Delay), die Schwankung der Übermittlungszeit (Jitter) und die Paketverlustrate (Packet Loss Rate). Bei VoIP wird die Sprache zuerst digitalisiert und dann entsprechend codiert (s. Abschnitt.1). Digitalisierte Sprache stellt ein kontinuierliches Signal mit einer konstanten Bitrate dar. Um ein solches Sprachsignal in guter Qualität über ein IPNetz zu übermitteln, muss das Netz manchmal eine bestimmte Bandbreite für virtuelle Verbindung zwischen IPTelefonen also für eine VoIPSession, siehe Abbildungen.21 und 2 garantieren. Dafür wurden spezielle Verfahren für das Management der Warteschlangen entwickelt (s. Abschnitt 4.). Ein wichtiger Faktor, der die Qualität der Sprache bei VoIP bestimmt, ist die EndezuEndeVerzögerung des Sprachsignals. Darunter versteht man die Zeitspanne, die ein Sprachsignal vom Mund eines Sprechers bis zum Ohr eines Hörers benötigt. Die Hauptursache dieser Verzögerung ist die Übermittlungszeit der IPPakete mit Sprache über ein IPNetz. Die Verzögerung entsteht vor allem durch die Zwischenspeicherung der IPPakete in den Routern, die sie auf ihren Wegen durch das Netz zu durchlaufen haben. Jeder Router benötigt Zeit, um den Header im IPPaket zu interpretieren und die entsprechende Routing Entscheidung zu treffen. Trifft ein Paket unterwegs auf einen überlasteten Rou

4 4.1 QoSAnforderungen bei VoIP 117 ter, muss es einige Zeit in der Warteschlange vor der Leitung verbringen und wird im Extremfall sogar ganz verworfen. Eine große EndezuEndeVerzögerung beeinträchtigt den Charakter eines Telefongesprächs stark. Da die einzelnen IPPakete auf einer Verbindung zwischen IPTelefonen in der Regel auf unterschiedlichen Wegen übermittelt werden, kann ihre Übermittlungszeit recht unterschiedlich sein. Die Schwankungen der Übermittlungszeit nennt man Jitter. Die Isochronität bei VoIP lässt jedoch kein Jitter zu. Um die Schwankungen auszugleichen, wird beim Empfänger ein spezieller Puffer implementiert. Man bezeichnet einen derartigen Puffer als JitterAusgleichpuffer (Playout Buffer, Dejitter Buffer) siehe Abbildung.61. Die Verluste von IPPaketen mit Sprache während der Übermittlung mindern die VoIPQualität ebenso. Die Anzahl der Paketverluste in einer bestimmten Zeitperiode wird mit dem Parameter Paketverlustrate angegeben. Paketverluste können durch überlastete Router im IPNetz oder auch durch einen schlecht dimensionierten JitterAusgleichpuffer entstehen (s. Abb. 4.11). Im Gegensatz zu reinen Datenanwendungen wie Überprüfungen von Kreditkarten, bei denen der Verlust von nur einem Paket die gesamte Anwendung zum Scheitern bringen kann, ist der Verlust eines IPPakets bei der Sprachübertragung nicht besonders tragisch. Zu viele Paketverluste machen sich in einem Telefongespräch allerdings sehr störend als Unterbrechungen bemerkbar. Die hier genannten Störfaktoren werden als VoIPMetriken erfasst. Ein Empfänger der IPPakete mit Sprache kann die Werte einiger VoIPMetriken während der Kommunikation ermitteln und diese auch an den Absender der IP Pakete mit Hilfe des Protokolls RTCP übermitteln (s. Abschnitt..6), um ihn so über die Qualität der Kommunikation zu informieren. Um präzise beurteilen zu können, wie die Störfaktoren wie z.b. Jitter, Paketverluste und Delay die Sprachqualität beim Empfänger beeinflussen, wurde von der ITUT das sog. EModell im Standard G.107 spezifiziert. Auf das EModell gehen wir in Anschnitt kurz ein. Jitter Paketverluste Störfaktoren als VoIP Metriken EModell EndezuEndeVerzögerung Da die Sprachkommunikation in Echtzeit verläuft, gilt die Wiedergabe eines Sprachsignals am Ziel als qualitativ schlecht, wenn sie nach einem zu großen Zeitverzug erfolgt. Für die EndezuEndeVerzögerung T EE (EndtoEnd Delay) des Sprachsignals werden daher Grenzwerte gesetzt. Nach dem ITUT Dokument G.114 wird die VoIPQualität wie folgt klassifiziert: T EE kleiner als 10 ms: akzeptabel für alle Benutzer; T EE zwischen 10 ms und 00 ms: akzeptabel, aber mit Einschränkungen (nicht für empfindliche Benutzer);

5 118 4 VoIP und QoS in IPNetzen Budget von T EE T EE größer als 00 ms: nicht akzeptabel. VoIP mit T EE bis zu 00 ms könnte man als akzeptabel bezeichnen. Bei der Planung eines VoIPSystems wird eine Qualitätsklasse durch die Festlegung des maximal zulässigen Wertes von T EE festgelegt. Dieser Wert kann als Budget von T EE angenommen und darf nicht überschritten werden. Die Einflussfaktoren auf T EE werden im Folgenden anhand eines Beispiels näher erläutert. Beispiel 1: Abbildung 4.11 illustriert die Übermittlung von drei Sprachpaketen P 1, P 2 und P über ein IPNetz. Es sollen hier alle Komponenten der EndezuEndeVerzögerung T EE erläutert werden. Es wird hier angenommen, dass die Sprachcodierung nach einem segmentorientierten Verfahren stattfindet (s. Abschnitt.1.) und die Verzögerung im Decodierer vernachlässigbar ist. Daher wird hier der Decodierer nicht gezeigt A 12 A J 12 6 A ) 4 * 6 J, 6 A E + = K I 6 A C 6 = D A A E J 2 2 F H=? D I A C A JA K A,, J J 2 6 J, J = K I H A K C JA F H=? D I A C A JA = EA + EA HA H A H F B C A H Abb. 4.11: Einflussfaktoren auf die Größe der EndezuEndeVerzögerung (T EE ) τ 1 : zufällige Zwischenspeicherungszeit (Wartezeit auf das Senden) Codierungsund Paketierungszeit T CP Das hier zu sendende Sprachsignal wird fortlaufend abgetastet und in Zeitabschnitte, sog. Segmente, mit der Länge von T Seg (z.b. 0 ms bzw. mit 240 Abtastwerten) zerlegt. Der Codierer im IPTelefon A muss somit die Zeit T Seg abwarten, bevor er mit der Codierung und Komprimierung des Sprachsegments S 1 beginnen kann. Aus S 1 wird das Sprachpaket P 1 gebildet. Die Zeit, die ein Codierer zum Erzeugen eines Sprachpakets benötigt, bezeichnet man oft als Lookahead Delay (T Lookahead ). Die Zeit T CP = T Seg + T Lookahead stellt daher die Codierungs und Paketierungszeit dar und kann als konstant angenommen werden.

6 4.1 QoSAnforderungen bei VoIP 119 Beim Aussenden eines Pakets werden seine einzelnen Bits seriell gesendet. Dies bedeutet die Serialisierung des Pakets, und die hierfür benötigte Zeit wird als Serialisierungsverzögerung (D 0 ) angesehen. Sie kann ermittelt werden wie folgt: D 0 = Paketgröße [Bit] / Übertragungsrate [Bit/s] Die Übertragungszeit von P 1 vom IPTelefon A zum Router beträgt T 0. P 1 verbringt im Router eine zufällige Zeit τ 1 in der Warteschlange vor der Leitung zum IP Telefon B. Die Serialisierungsverzögerung beim Senden durch den Router ist gleich D 1, und die Übertragungszeit beträgt hierbei T 1. Die gesamte Übermittlungszeit t Ü über das IPNetz ist eine Zufallsvariable und kann dargestellt werden als t Ü = T 0 + τ 1 + D 1 + T 1. P 1 wird im IPTelefon B über die Zeit T JP im JitterAusgleichpuffer (JAP) gehalten. Diese zusätzliche Zwischenspeicherung am Ziel sollte die Sicherheit bringen, dass jedes Sprachpaket bereits am Ziel empfangen wurde, falls es dekodiert und wiedergegeben werden muss. Aus den Sprachpaketen müssen die Sprachsegmente mit der Länge von T Seg (d.h. 0 ms) synchron generiert werden, um ein analoges Sprachsignal erzeugen zu können. Da die Verzögerung T JP im JAP hier zu klein ausgewählt wurde, ist während der Erzeugung des Sprachsegments S 1 das nächste Sprachpaket P 2 für die Erzeugung des Sprachsegments S 2 noch nicht eingetroffen. P 2 gilt hier als verloren gegangen. In diesem Fall muss ein künstliches Segment S 2 * (z.b. mit einem passenden Geräusch) als Ersatzsegment für S 2 erzeugt werden. Die bei Paketverlusten zu treffenden Maßnahmen bezeichnet man als Error Concealment 1. Den Einfluss der Zwischenspeicherungszeit im JAP auf die Paketverluste wird im Weiteren detaillierter dargestellt (s. Abb. 4.1). Um überprüfen zu können, ob das Budget von T EE nicht überschritten wurde, braucht man einfache Richtlinien für die Abschätzung von T EE. Abbildung 4.12 zeigt daher die wichtigsten Komponenten, die den Wert von T EE bei der PC PCKommunikation bestimmen. Serialisierungsverzögerung D 0 Übermittlungszeit t Ü Zwischenspeicherungszeit T JP im JAP Folge einer zu kurzen Zwischenspeicherung im JAP K A A 12 A J + 2 > A H EJJ K C ) 2 EA 6 + 2, J 6 2 A A 8 A H C A HK A = O + 2 EA HK C 2 = A JEA HK C ) 2 EJJA H ) K I C A E? D F K BBA H A H Abb. 4.12: Komponenten der EndezuEndeVerzögerung bei der PCPCKommunikation T EE stellt die Summe der Verzögerung T CP beim Codierer und Paketierer, der Serialisierungsverzögerung D 0 beim Aussenden des Pakets bei der Quelle, der Übermittlungszeit t Ü im IPNetz und der Zwischenspeicherungszeit T JP im Jit T EE bei PC PCKommunikation 1 Mit dem Protokoll RTCP kann ein Empfänger sogar einen Absender mit Hilfe des Parameters PCL (Packet Loss Concealment) im Feld des XRPakets (s. Abb..6) darüber informieren, nach welchen Verfahren verloren gegangene Pakete ersetzt werden.

7 120 4 VoIP und QoS in IPNetzen T CP als algorithmische Verzögerung Abschätzung von T EE bei PCTelefon Kommunikation terausgleichpuffer am Ziel dar. Da IPPakete mit Sprache in der Regel eine höhere Priorität als solche mit Daten besitzen, werden sie in der Warteschlange zum Senden vor die IPPakete mit Daten gestellt. Damit kann man die Wartezeit von IPPaketen mit Sprache auf das Aussenden bei der Quelle außer Acht lassen. Die Verzögerung im Sender der Quelle entsteht daher nur durch die Serialisierung. Die Verzögerung T CP beim Codierer und Paketierer wird algorithmische Verzögerung (Algorithmic Delay) genannt. Sie nimmt mit der Reduzierung der Bitrate des Sprachbitstroms zu. Erzeugt ein Codierer einen Bitstrom mit niedriger Bitrate, so muss man länger warten, um ein IPPaket mit einer vernünftigen Länge zu versenden. Die Verzögerung T CP kann bis zu 40 ms betragen. Beispiel 2: Bei der Migration zum VoIPEinsatz in einem lokalen Netzwerk möchte man die maximale EndezuEndeVerzögerung (T EE ) von 10 ms garantieren. Die PCs verfügen hier über VollduplexEthernetAnschlüsse mit 10 Mbit/s und sollen zusätzlich als SoftIP Telefone dienen. Die Sprachcodierung soll nach dem ITUTStandard G.72.1 erfolgen. Somit wird hier bei jeder VoIPVerbindung ein kontinuierlicher Bitstrom von. kbit/s über das Netzwerk übermittelt. Wie groß darf aber die maximale Übermittlungszeit über das Netzwerk sein, um T EE von 10 ms nicht zu überschreiten? G.72.1 beschreibt das Segmentorientierte Sprachcodierungsverfahren ACELP (s. Abb..1 8). Die Bitrate. kbit/s bei ACELP bedeutet, dass ein Sprachsegment mit der Länge von 20 Bytes alle 0 ms übermittelt wird. Benutzt man die in Abbildung 4.11 eingeführten Begriffe und Abkürzungen, ergeben sich für diesen Fall folgende Werte: Länge von Sprachsegmenten: T Seg = 0 ms Lookahead Delay T Lookahead = 7. ms (nach ITUTEmpfehlung G. 114) Somit beträgt die Codierungs und Paketierungszeit T CP = T Seg + T Lookahead = 7. ms. Serialisierungsverzögerung bei der Quelle D 0 = 72 * 8 [Bit] /10 [Mbit/s] < 0.1 ms Die Länge von MACFrame mit einem Sprachsegment beträgt min. 72 Bytes; d.h. 12 Bytes MACHeader, min. 40 Bytes IP/UDP/RTPHeader und 20 Bytes Sprachsegment. Zwischenspeicherungszeit im JitterAusgleichpuffer T JP = 0 ms Oft wird T JP = 2* T Seg (Länge des Sprachsegments) empfohlen. Wegen kurzer Entfernungen im lokalen Netzwerk wurde hier 0 ms (also weniger als 2* T Seg ) angenommen. Die maximale Übermittlungszeit über das Netzwerk sollte den Wert 10 ms (7. ms ms + 0 ms) = 62.4 ms nicht überschreiten. Man kann davon ausgehen, dass die Übermittlungszeiten in lokalen Netzwerken nicht größer als 62.4 ms sind. Um die Sprachkommunikation zwischen IPTelefonen und Telefonen am Telefonnetz (PSTN) bzw. am ISDN zu ermöglichen, werden die VoIPSysteme mit PSTN und ISDN integriert. Die EndezuEndeVerzögerung T EE der Sprachsignale bei einer Verbindung zwischen einem IPTelefon und einem klassischen Telefon also bei der PCTelefonKommunikation bestimmt die Qualität des Telefongesprächs. Abbildung 4.1 soll eine Hilfe zur Abschätzung von T EE bei dieser Kommunikation geben.

8 4.1 QoSAnforderungen bei VoIP 121 A A 8 A H C A HK C J J F H=? D A + 2 > A H EJJ K C > A H EJJ K C 12 A J / = JA M = O 2 6 1, F H=? D A 2 > A H EJJ K C + 2 > A H EJJ K C 6 2 J J A A 8 A H C A HK C + 2 EA HK C 2 = A JEA HK C 2 EJJA H ) K I C A E? D F K BBA H A H 7 + EA HK C Abb. 4.1: EndezuEndeVerzögerung bei der PCTelefonKommunikation t Ü (1), t Ü (2): Übermittlungszeit entsprechend im IPNetz und PSTN/ISDN Bei der Übermittlung der Sprache vom IPTelefon am IPNetz zum Telefon am PSTN/ISDN werden die IPPakete mit Sprache im JitterAusgleichpuffer im (VoIP)Gateway über die Zeit T JP zwischengespeichert. Damit erreicht man, dass die IPPakete mit Sprache an den Umcodierer in regelmäßigen Zeitabständen übergeben werden können. Er erzeugt einen kontinuierlichen Bitstrom mit 64 kbit/s und kann hierbei eine kleine Verzögerung T UC verursachen. Die EndezuEndeVerzögerung T EE kann als Summe der Verzögerung bei VoIP, d.h. T CP + T S + t Ü (1) + T JP (vgl. Abb. 4.12), der Verzögerung T UC durch die Umcodierung und der Übermittlungszeit t Ü (2) im PSTN/ISDN dargestellt werden. Das PSTN/ISDN als Quelle eines digitalen Sprachsignals liefert das Sprachsignal bereits mit einer Verzögerung t Ü (2). Die Verzögerung bei VoIP lässt sich dann nach den gleichen Prinzipien wie die EndezuEndeVerzögerung T EE bei der PCPCKommunikation ermitteln (vgl. Abb. 4.12). Vom IP Telefon zum klassischen Telefon Vom klassischen Telefon zum IPTelefon 4.1. Übermittlungszeit über ein IPNetz Bei den bisherigen Betrachtungen wurde nur angenommen, dass die Übermittlung der IPPakete über ein IPNetz mit einem Zeitaufwand verbunden ist (vgl. Abb und 4.1). Abbildung zeigt eine Zusammenstellung der wichtigsten Komponenten dieser Übermittlungszeit. Die Übermittlungszeit t Ü in einem IPNetz wird bestimmt durch: Verzögerung durch die Zwischenspeicherung: Da über eine Leitung mehrere Paketströme übermittelt werden, müssen die IPPakete in Routern und Switches auf das Senden warten. Sie werden daher in Warteschlangen (Queues) eingereiht, in denen sie zufällige Zeiten verbringen. Einflussfaktoren auf die Übermittlungszeit

9 122 4 VoIP und QoS in IPNetzen Verzögerung durch die Serialisierung: Sie stellt den Zeitaufwand dar, der für das Aussenden eines IPPakets erforderlich ist (s. Abb. 4.11). Signallaufzeit: Um eine Strecke auf einer Leitung zu überbrücken, braucht jedes Signal eine bestimmte Zeit, die man als Signallaufzeit bezeichnet. Somit setzt sich die Übermittlungszeit eines IPPakets in einem IPNetz aus: der Summe τ 0 + τ τ m von zufälligen Verzögerungen des IPPakets in den Warteschlangen vor einzelnen Leitungen, der Summe D 0 + D D m von Serialisierungsverzögerungen beim Aussenden des IPPakets auf einzelne Leitungen sowie der Summe T 0 + T T m von Signallaufzeiten während der Übertragung des IPPakets auf einzelnen Leitungen. J 4 12 A J J 4, 6, 6, 6 K A K A = = C A A J > A H EJJ K C I A EJ J J J,,, M EI? D A I F A E? D A HK C A HE= EI EA HK C > A HJH= C K C Abb. 4.14: Einflussfaktoren auf die Übermittlungszeit in einem IPNetz R 1,..., R m : Router, τ: Verzögerung durch die Zwischenspeicherung, D: Verzögerung durch die Serialisierung (Aussenden), T: Signallaufzeit Bedeutung von Queue Management Verzögerung je km Die Verzögerung des IPPakets beim Warten auf das Senden kann durch die Reservierung (z.b. nach dem Protokoll RSVP, s. Abschnitt 4.6) einer entsprechenden Bandbreite innerhalb einzelner physikalischer Leitungen verringert werden. Hierbei kommen zusätzlich spezielle Mechanismen für das Management von Warteschlangen (Queue Management, s. Abschnitt 4.) zum Einsatz. Die Serialisierungsverzögerung ist von der Länge des IPPakets und der Übertragungsbitrate auf der Leitung abhängig (s. Beispiel 1 in Abschnitt 4.1.2). Die Signallaufzeit ist von der Entfernung abhängig und lässt sich nicht beeinflussen. Für eine grobe Abschätzung dieser Verzögerungsart wird oft der Wert von µs/km bzw. 1ms je 200 km angenommen.

10 4.1 QoSAnforderungen bei VoIP JitterAusgleichpuffer und Paketverluste Wie bereits erwähnt wurde, stellt die Übermittlungszeit t Ü eine Zufallsvariable dar (s. Abb. 4.14). Die Schwankungen der Übermittlungszeit werden als Jitter bezeichnet. In der Mathematik wird eine Zufallsvariable durch eine sog. Verteilungsfunktion genau beschrieben. Abbildung 4.1 illustriert die Verteilungsfunktion von t Ü. T JP als Varianz von t Ü 8 A HJA E K A H > A H EJJ K C I A EJ = A JL A H K I J M = D HI? D A E E? D A EJ 2 = A JL A H K I JH= JA = A JH= JA J 2 = A JL A H K I JH= JA C H A H A E A H 8 A H C A HK C A E A HC H A H Abb. 4.1: JitterAusgleichpuffer und Paketverluste Der Mittelwert T Ü gibt eine Aussage über die Größe der Übermittlungszeit im IPNetz. Der Parameter T JP als Varianz der Verteilung stellt die Zwischenspeicherungszeit im JitterAusgleichpuffer (JAP) dar. Durch eine Zwischenspeicherung der IPPakete im JAP versucht man den Zustand zu erreichen, dass alle IPPakete in denselben Abständen weiter übergeben werden können, in denen sie an der Quelle abgeschickt wurden. 2 Falls ein IPPaket zu dem Zeitpunkt, zu dem es ausgeliefert werden soll, noch nicht eingetroffen ist, sondern erst zu einem späteren Zeitpunkt, wird es am Ziel vernichtet und gilt als verloren. Daher gibt es einen Zusammenhang zwischen der Zwischenspeicherungszeit im JAP und Paketverlusten. Wie Abbildung 4.1 zeigt, stellt die Fläche unter der Verteilungsfunktion für die Werte von t Ü, die größer als T Ü +T JP sind, ein Maß für die Paketverlustwahrscheinlichkeit und damit auch für die Paketverlustrate dar. Mit den zunehmenden Werten von T JP verringert sich die Paketverlustrate auf Kosten der zusätzlichen Verzögerung. Mit der Reduzierung der Werte von T JP verringert sich aber die Verzögerung auf Kosten der Paketverluste. Daher gibt es keinen optimalen Wert von T JP, sondern immer nur einen Kompromiss zwischen Verzögerung und Paketverlusten. Paketverlust Verzögerung versus Paketverluste 2 Hierbei wird die Angabe Timestamp im Header von RTPPaketen (s. Abb..) verwendet.

11 124 4 VoIP und QoS in IPNetzen 4.2 Verfahren zur Garantie von QoS Anforderungen Einsatz in lokalen Netzwerken Einsatz in Weitverkehrsnetzen Wofür Queue Management? Bedeutung von RSVP Um die QoSAnforderungen in IPNetzen bei VoIP garantieren zu können, kommen unterschiedliche Ansätze in Frage. Hierzu gehört: Priorisierung von MACFrames Den sog. MACFrames (Media Access Control) mit IPPaketen in lokalen Netzwerken werden unterschiedliche Prioritäten zugeordnet. Damit können die MACFrames mit Sprache vorrangig vor den MACFrames mit Daten im Netzwerk behandelt werden. Die Priorisierung von MACFrames kann nur in lokalen Netzwerken auf Basis von EthernetSwitches zum Einsatz kommen. Auf diesen Ansatz geht Abschnitt 4. ein. Priorisierung von IPPaketen Diese Lösung besteht darin, dass IPPakete mit Sprache im Vergleich zu IPPaketen mit Daten höhere Prioritäten erhalten. Damit können IPPakete mit Sprache in Routern vorrangig vor IPPaketen mit Daten behandelt werden. Weil dies eine Differenzierung der Paketströme darstellt, bezeichnet man den Ansatz als Differentiated Services (Differenzierte Dienste, kurz DiffServ). DiffServ werden in Abschnitt 4.4 detaillierter beschrieben. QueueManagement Um über eine Leitung im IPNetz mehrere Ströme von IPPaketen mit verschiedenen Prioritäten zu übermitteln, müssen mehrere Warteschlangen (Queues) von IPPaketen, die auf das Aussenden warten, organisiert werden. Eine Warteschlange kann man als Kommunikationspuffer ansehen. Für einige Paketströme lässt sich auch eine bestimmte Bandbreite der Leitung reservieren. Dies führt dazu, dass die Warteschlangen mit den wartenden IP Paketen entsprechend organisiert und verwaltet werden müssen. Für dieses sog. QueueManagement wurden verschiedene Verfahren konzipiert, die in Abschnitt 4. dargestellt werden. Reservierung von Ressourcen in IPNetzen Bei VoIP und Videokommunikation müssen kontinuierliche Bitströme in Form von IPPaketen über IPNetze übermittelt werden. Dafür können bestimmte Ressourcen im IPNetz reserviert werden. Dies ist nach dem Protokoll RSVP (Resource reservation Protocol) möglich. Mit RSVP kann man eine gewünschte Bandbreite für eine virtuelle Verbindung reservieren. RSVP ist zwar theoretisch ein hochinteressantes Protokoll, in der Praxis hat es jedoch keine große Akzeptanz gefunden. RSVP wird in Abschnitt 4.6 näher erläutert.

12 4. Priorisierung von MACFrames 12 Übermittlung der IPPakete im Gänsemarsch Die klassischen IPNetze funktionieren nach dem DatagrammPrinzip. Dies bedeutet, dass man die einzelnen IPPakete unabhängig voneinander über das Netz transportiert (vgl. Abb..2). Die Folge davon ist, dass die einzelnen IPPakete auf einer virtuellen Verbindung für VoIP über unterschiedliche Wege transportiert werden. Handelt es sich bei einer virtuellen Verbindung um eine weite Strecke, sind die Übermittlungszeiten einzelner IP Pakete sehr unterschiedlich und breit gestreut. Daher sind die JitterWerte groß, und um sie auszugleichen, müssen die empfangenen IPPakete in einem JitterAusgleichpuffer entsprechend lang zwischengespeichert werden. Falls die Zwischenspeicherungszeit im JitterAusgleichpuffer zu kurz ist, führt sie zur Steigerung der Paketverlustrate (vgl. Abb. 4.1). Ein Ausweg aus dem eben geschilderten Dilemma ist dadurch möglich, dass man vor der Übermittlung der IPPakete auf einer virtuellen Verbindung zuerst eine optimale Route zum Ziel findet und danach alle IPPakete über diese optimale Route im Gänsemarsch übermittelt. Die Vorteile sind offensichtlich: Die Reihenfolge der IPPakete wird garantiert, und alle IP Pakete legen den gleichen physikalischen Weg über das Netz zurück, sodass auch die JitterWerte reduziert werden. Diesen Ansatz bezeichnet man als MPLS (MultiProtocol Label Switching). MPLS wird hauptsächlich in Weitverkehrsnetzen eingesetzt. Eine fundierte Beschreibung von MPLS enthält [BaHo 07]. Für weitere Informationen über MPLS sei auf die Webquellen [Web 04] verwiesen. Situation in klassischen IPNetzen Übermittlung der IP Pakete nach optimaler Route 4. Priorisierung von MACFrames In lokalen Netzwerken auf Basis der EthernetTechnik kann die QoSUnterstützung bei VoIP durch die Vergabe verschiedener Prioritäten für sog. MAC Frames (Media Access Control) erfolgen. Einen MACFrame kann man als Umschlag für die Übermittlung der IPPakete ansehen. Die Priorisierung von MACFrames bzw. Layer2Priorisierung wird in Abbildung 4.1 dargestellt. Wie die MACFrames priorisiert werden können, beschreiben die Standards IEEE 802.1p und IEEE 802.1Q. Nach diesen Standards kann ein VLANTag in den MACHeader eingebettet werden. Dieser Tag wurde konzipiert, um sog. Virtual Local Area Networks (kurz VLANs) zu bilden. Im VLANTag sind drei Bits als User Priority enthalten, die man zur Priorisierung von MACFrames verwenden kann. Den MACFrames mit Sprache wird eine höhere Priorität im Vergleich zu den MACFrames als denen mit Daten zugewiesen. Damit werden sie in Layer2Switches, d.h. in EthernetSwitches, im lokalen Netzwerk vorrangig behandelt und ihre Übermittlungszeit reduziert. VLANTag mit Angabe der Priorität

13 126 4 VoIP und QoS in IPNetzen 4 12 A J 4 2 HE = O A H 2 HE HEI EA HK C 2 HE = A J * EJI 7 I A H2 HE ) +. H= A = O , = A J ) > > K C 6, ) > > K C 7 I A H2 HE 12 2 = A J ) +. H= A Abb. 4.1: Beispiel für eine Anwendung der Priorisierung von MACFrames DS: Differentiated Services, H: MACHeader, T: MACTrailer, IPH: IPHeader, L2Prio: Layer2Priorisierung, LxS: LayerxSwitch, R: Router, ToS: Type of Service Sollte eine Kommunikation über ein IPNetz erfolgen, in dem die Layer Priorisierung unterstützt wird, kann die Priorität vom MACFrame auf die Priorität des IPPakets abgebildet werden. Einen derartigen Fall illustriert Abbildung 4.1. Die Priorität des IPPakets wird in seinem Header entweder im Feld ToS (Type of Service) oder im Feld DS (Differentiated Services) eingetragen (s. auch Abb..1). Soll ein priorisiertes und von außen eintreffendes IPPaket im lokalen Netzwerk übermittelt werden, lässt sich seine Priorität auf die Priorität des MACFrame abbilden. Eine derartige Abbildung von Prioritäten unterstützen Netzwerkkomponenten namhafter Hersteller. 4.4 Differentiated Services DiffServ als Priorisierung von IPPaketen Um die QoSAnforderungen bei VoIP zu erfüllen, müssen die Ströme von IP Paketen mit Sprache im IPNetz mit einer höheren Priorität als IPPakete mit Daten behandelt werden. Dies führt zur Differenzierung der übertragenen Datenströme, sodass man von Differentiated Services, kurz DiffServ (DS), spricht. DiffServ wurden im IETFDokument RFC 2474 spezifiziert. Wie Abbildung 4.41 zeigt, wird bei DiffServ ein spezielles Feld, das sog. DSFeld, definiert, um die zu übertragenden IPPakete entsprechend differenzieren zu können. Das DSFeld kann im Header des Protokolls IP sowohl in der Version 4 (IPv4) als auch in der Version 6 (IPv6) eingekapselt werden. Die Spezifikation von DiffServ in RFC 2474 wurde inzwischen durch RFCs 168 und 260 etwas modifiziert.

14 4.4 Differentiated Services 127 = " # $ %, ,. > , 2, = JA 12 L " 0 A A H " # $ %, ,. 6 H= BBE? + = I I , 2, = JA 12 L $ 0 A A H Abb. 4.41: Angabe für die Differenzierung von: a) IPv4Paketen, b) IPv6Paketen ToS: Type of Service, DSCP: DiffServ Codepoint, CU: Currently Unused 4 Für die Realisierung von DiffServ bei IPv4 wird das ToSFeld (Type of Service) im IPv4Header genutzt. Wie in Abbildung 4.41a ersichtlich ist, wird dabei das ToSFeld im IPv4Header durch das DSFeld ersetzt. DSCP (DiffServ Code Point) im DSFeld kann man als Priorität des Pakets ansehen. Bei IPv6 wurde zuerst das Feld Traffic Class im Header vorgesehen, um die IPv6Pakete verschiedenen Verkehrsklassen zuordnen zu können. Dieser Ansatz war mit dem DiffServKonzept vergleichbar. Weil aber DiffServ bei IPv4 schnell breite Akzeptanz fand, wurde DiffServ auch bei IPv6 in der gleichen Form realisiert. Somit wird das Feld Traffic Class im IPv6Header durch das DSFeld ersetzt (Abb. 4.41b). DiffServ bei IPv4 DiffServ bei IPv Differenzierung der IPPakete Die Markierung der IPPakete für die Klassifizierung nach DiffServ durch das Setzen von DSCPBits im DSFeld übernimmt entweder eine Applikation im Quellrechner oder ein Router am Eingang zu einem Transitnetz. Die Klassifizierung kann nach Quell und ZielIPAdressen oder nach dem Transportprotokoll (TCP, UDP) bzw. nach der Nummer des ZielPorts (d.h. nach der Applikation) erfolgen. Zur Klassifikation von Strömen von IPPaketen dienen die ersten 6 Bits im DS Feld, die man als DSCP bezeichnet. Die IPPakete mit gleichem DSCPWert bilden einen Strom von IPPaketen, der auf die gleiche Weise im Netz behandelt wird. Durch DSCP kann man einerseits den zu übertragenden IPPaketen theoretisch bis zu 64 verschiedene Prioritäten vergeben; andererseits stellen die bestehenden Transportnetze (wie z.b. ATMNetze) nur bestimmte Netzdienste zur Verfügung, weshalb in der Praxis nur wenige Dienstklassen und somit auch Prioritätsklassen unterstützt werden. Man muss daher angeben, nach welchen Netzdiensten die IPPakete mit gleichen DSCPWerten transportiert werden sollen. Liegt beispielsweise ein IP Klassifizierung der IPPakete Behandlungsklassen 4 Nach RFC 2474 werden diese Bits nicht verwendet. Gemäß RFC 168 sollen sie für die Überlastkontrolle nach dem Verfahren ECN (Explicit Congestion Notification) verwendet werden.

15 128 4 VoIP und QoS in IPNetzen Paket mit DSCP = x zum Senden vor, muss irgendwo ablesbar sein, nach welchem Dienst im Transportnetz dieses IPPaket übermittelt werden soll. Die Art der Behandlung der IPPakete in einem Transportnetz bestimmen wiederum die Dienste in diesem Netz. Um die Behandlung der IPPakete bei DiffServ zu spezifizieren, werden die Behandlungsklassen, sog. Per Hop Behaviours (PHB), eingeführt. Wie Abbildung 4.42 zeigt, ordnet man oft mehrere DSCPWerte einer Behandlungsklasse zu. 2 HE HEJ J D? D HEC, + 2 I * A D K C I = I I A 2 0 * = 2 0 * > 2 0 *? + = I I B A HL E? A ) 6, EA I J + * 4 ) * 4 7 * 4 Abb. 4.42: Behandlungsklassen von IPPaketen und Netzdienste A/C/UBR: Available/Constant/Unspecified Bit Rate ATM: Asynchronous Transfer Mode Zuordnungen DSCPto CoS Anhand von DSCP im IPPaket wird entschieden, welche PHB darauf anwendbar sind. Ein PHBWert entspricht einer Dienstklasse CoS (Class of Service) eines Übermittlungsnetzes. Wie Abbildung 4.42 zeigt, bestimmt ein PHBWert einen Dienst in einem Übermittlungsnetz (wie z.b. ATMNetz), nach dem die Übermittlung der IPPakete erfolgen soll. Da die PHBWerte als Identifikationen der Netzdienste (d.h. von CoS) dienen, müssen die Router in IPNetzen eine Tabelle mit der Zuordnung DSCPWert (e) PHBWert enthalten, um die Dienstklasse CoS zu bestimmen. Aus dieser Tabelle resultieren die Zuordnungen DSCPWert (e) CoS = x (x = 1, 2,...). PHB bestimmt das Verhalten eines Routers beim Weiterleiten von IPPaketen unter Berücksichtigung des DSCPWertes. Anhand von DSCP im IPPaket entscheidet ein Router, welcher PHB (d.h. welcher Dienst im Übermittlungsnetz) angewandt werden soll. Jedem DSCPWert entspricht genau ein PHBWert DiffServDomäne und Region DiffServ Domäne DiffServ wurden entwickelt, um die QoSAnforderungen in Backbone bzw. TransitIPNetzen zu gewährleisten. Ein IPNetz mit DiffServ, das eine administrative Einheit darstellt, wie z.b. in einem Unternehmen bzw. bei einem Network Service Provider (NSP), wird als DiffServDomäne (bzw. DiffServ

16 4.4 Differentiated Services 129 Domain) bezeichnet. Abbildung 4.4 zeigt eine DiffServDomäne, über die zwei IPNetze eines Unternehmens verbunden werden. Zwischen dem Unternehmen und dem NSP wurde ein Vertrag abgeschlossen, in dem die Art und Weise der QoSUnterstützung in Form eines SLA (Service Level Agreement) festgelegt wurde. In jeder DiffServDomäne sind folgende Typen von Routern, je nach der Stelle in der DSDomäne, zu unterscheiden: EingangsRouter (Ingress Router), Interner Router (Interior Router) und AusgangsRouter (Egress Router). Die Aufgaben eines Routers bei der QoSUnterstützung nach DiffServ sind von seinem Typ anhängig. Dies bringt Abbildung 4.4 zum Ausdruck. ) 12 A J ) E 4 K JA H 4 = I I EBE EA HK C, H F F E C D = F E C 4 K JE C K A K A E C,, A 1 J 4 K JA H 4 4 K JE C K A K A E C ) K I 4 K JA H 4 4 K JE C K A K A E C D = F E C 12 A J * Abb. 4.4: DiffServDomäne und Funktionen von Routern (R) Ein/Int/AusRouter: Eingangs/Interner/AusgangsRouter In einem EingangsRouter kann man die eintreffenden IPPakete zuerst klassifizieren, sodass mehrere Klassen von IPPaketen entstehen. Jede Klasse wird mit einer Angabe im DSFeld markiert (s. Abb. 4.41). Für jede Klasse von IP Paketen kontrolliert man die mittlere Anzahl der Pakete pro festgelegter Zeiteinheit, sodass die durchschnittliche Datenrate geschätzt wird. Falls diese Datenrate die vereinbarte Datenrate (Bandbreite) überschreitet, werden einige IPPakete aus dieser Klasse am Netzeingang entweder direkt verworfen (Dropping) bzw. kurz verzögert und danach weitergeleitet (Shaping). Auf diese Weise realisiert man eine Zulassungskontrolle, um die für eine Klasse von IPPaketen vereinbarte Bandbreite nicht zu überschreiten. In TransitRoutern findet keine Zulassungskontrolle statt. Nach dem Routing werden die IPPakete zum Absenden gemäß ihrer Klasse in eine Warteschlange vor einer Leitung eingereiht (Queueing). In AusgangsRoutern lässt sich im Vergleich zu den TransitRoutern zusätzlich der Datenverkehr entsprechend formen (Shaping). Beispielsweise kann das Shaping des Datenverkehrs im AusgangsRouter durch den Einsatz eines Jitter Ausgleichpuffers (s. Abb..61) dazu führen, dass die IPPakete in gleichen Zeitabständen abgeschickt werden. Eingangs Router Transit Router Ausgangs Router

17 10 4 VoIP und QoS in IPNetzen DiffServ Region Eine Vernetzung von mehreren DiffServDomänen bildet eine DiffServRegion. Dies illustriert Abbildung Soll die Kommunikation über eine DiffServ Region erfolgen, müssen die QoSAnforderungen gleichzeitig in mehreren DiffServDomänen erfüllt werden. Somit spricht man von EndezuEndeQoS. 12 A J * A K J A H 2 A A, EBB A HL 4 A C E, EBB A HL, EBB A HL 4, A, A Abb. 4.44: Veranschaulichung einer DiffServRegion NSP: Network Service Provider, SLS: Service Level Specification 2 EA 12 A J Werden Quelle und Ziel an verschiedenen DiffServDomänen angeschlossen, muss jeder NSP mit seinem NachbarNSP bestimmte technische Vereinbarungen in Form von SLA treffen, um die Art und Weise der Unterstützung der gewünschten QoSAnforderungen festzulegen. Falls die Kommunikation über ein IPTeilnetz verläuft, in dem keine DiffServ unterstützt werden, können die QoSAnforderungen an der gesamten Endezu Ende Strecke nicht erfüllt werden. Für weitere Informationen über DiffServ sei auf [Web 0] verwiesen. 4. QueueManagement Was ist Queue Management? Die zu übertragenden IPPakete müssen in der Regel vor der Leitung auf das Aussenden warten. Daher müssen sie temporär gespeichert werden. Hierfür werden im Speicher entsprechende Warteschlangen (sog. Queues) organisiert, sodass man auch vom Queueing in IPNetzen spricht. Da IPPakete mit Sprache oder Video in Netzknoten vorrangig zu behandeln sind, benötigt man mehrere Warteschlangen, die entsprechend verwaltet werden müssen. Unter dem Begriff QueueManagement fasst man unterschiedliche Verfahren zusammen, die bestimmen, wie die Warteschlangen der zu sendenden IPPakete organisiert und die einzelnen Warteschlangen bedient werden. Bemerkung: QueueManagement tritt nicht nur in IPNetzen auf, sondern auch in anderen Netzen mit Paketvermittlung. Mit QueueManagement hat man auch in Rechnerbetriebssystemen zu tun, wo die einzelnen Aufgaben (sog. Tasks) auf den Prozessor warten müssen.

18 4. QueueManagement 11 Um mehrere Ströme von IPPaketen über eine Leitung zu übermitteln, wird ein Multiplexer eingesetzt. Von großer Bedeutung in IPNetzen sind sog. statistische Multiplexer, in denen die empfangenen IPPakete temporär gespeichert werden. Bildet man mehrere Klassen von IPPaketen nach bestimmten Kriterien, muss man auch mehrere Warteschlangen organisieren. Wie Abbildung 4.1 zeigt, findet in einem Multiplexer ein QueueManagement statt. Queue Management im Multiplexer = A 12 2 = A JA 1 1 K A K A = = C = A J ) 7 = > C A I? D E? JA 12 2 = A JA Abb. 4.1: QueueManagement in einem Multiplexer EIN/AUS: Ein/Ausgangsleitung, E: Empfänger, S: Sender Im IPNetzknoten (Switch, Router) findet QueueManagement immer vor Ausgangsleitungen statt. Dies veranschaulicht Abbildung 4.2. = A 12 2 = A JA 1. 1 ) 7 ) 7 = > C A I? D E? JA 12 2 = A JA Abb. 4.2: QueueManagement (QM) im IPNetzknoten vor Ausgangsleitungen EIN/AUS: Ein/Ausgangsleitung, E: Empfänger, F: Forwarding, S: Sender Die in einem IPNetzknoten empfangenen IPPakete werden zum Modul übergeben, wo sie zu einer Ausgangsleitung weitergeleitet werden. Dieses Modul wird im Allgemeinen als Forwarder bezeichnet und realisiert in einem Switch das Switching bzw. in einem Router das Routing. Diese beiden Funktionen bestehen in der Weiterleitung von empfangenen IPPaketen an die in ihnen enthaltenen ZielIPAdressen. Abbildung 4. zeigt die Struktur eines QueueManagementSystems. Beim QueueManagement unterscheidet man folgende Funktionen: Klassifizierung: Die zu sendenden IPPakete werden im Klassifizierer nach bestimmten Kriterien klassifiziert. Als Kriterium kann z.b. der ZielPort (d.h. die Anwendung) und/oder die ZielIPAdresse verwendet werden. Queueing: Die einer bestimmten Klasse zugeordneten IPPakete werden in die dieser Klasse zugeordnete Warteschlange eingereiht. Funktionen bei Queue Management

19 12 4 VoIP und QoS in IPNetzen Scheduling: Hierbei handelt es sich um die Regel, nach der die IPPakete aus den einzelnen Queues zum Senden übergeben werden. Das Scheduling ist der eigentliche Kern des QueueManagements. 1 1 = I I EBE EA HA HK C? D K E C ) 7 Abb. 4.: Struktur eines QueueManagementSystems EIN/AUS: Ein/Ausgangsleitung, Q: Warteschlange (Queue) Queue Manage ment Verfahren Es werden u.a. folgende Verfahren bei QueueManagement verwendet: FIFO (First In First Out): Hierbei handelt es sich um die einfachste Lösung, bei der man die empfangenen IPPakete nicht klassifiziert. Sie werden in der Reihenfolge gesendet, in der sie empfangen wurden. FIFO hat bei VoIP keine Bedeutung. PQ (Priority Queueing): Nach PQ werden die empfangenen IPPakete zuerst klassifiziert und anschließend bestimmte Prioritäten den einzelnen Klassen zugeordnet. CQ (Custom Queueing): Dieses Verfahren ermöglicht, mehrere Warteschlangen so zu organisieren, dass sie zyklisch nach einer festgelegten Reihenfolge geleert werden. CBQ (ClassBased Queueing): Die ankommenden IPPakete ordnet man verschiedenen Klassen zu. FQ (Fair Queueing): Nach diesem Verfahren werden die einzelnen IPPakete aus mehreren Paketströmen in der gleichen Reihenfolge bedient, in der sie eingetroffen sind. Alle Paketströme werden gleich behandelt. WFQ (Weighted Fair Queueing): Im Vergleich zu FQ werden die einzelnen Paketströme bei diesem Verfahren nicht gleich behandelt. CBWFQ (Classbased Weighted Fair Queueing): Dies ist eine Erweiterung des WFQVerfahrens. Durch den Einsatz diverser QueueManagementVerfahren ist es möglich, QoS Anforderungen besser zu erfüllen. Auf die wichtigsten Verfahren gehen wir nun näher ein.

20 4. QueueManagement Priority Queueing Beim Priority Queueing (PQ) werden mehrere Warteschlangen (Queues) vor einer Ausgangsleitung gebildet, die man als Kommunikationspuffer ansehen kann. Abbildung 4.4 illustriert das Prinzip von PQ am Beispiel eines Multiplexers. Hier werden mehrere Ströme von (IP)Paketen über eine Ausgangsleitung übermittelt. Die empfangenen IPPakete werden zuerst im Klassifizierer nach bestimmten Kriterien klassifiziert und anschließend in der Reihenfolge, in der sie empfangen wurden, zum Senden in eine Warteschlange eingereiht. 2 = A JI JH A 0 D A 2 H E H EJ J K JEF A N A H E C = C I A EJK C A " # $ " # $ $ = I I EBE EA H $ # EJJ A H A 2 H E H EJ J $ H EC A 2 H E H EJ J "? D K A H ) K I C = C I A EJK C Abb. 4.4: Priority Queueing in einem Multiplexer Q: Warteschlange (Queue) nach dem FIFOPrinzip Bei PQ werden in der Regel drei Warteschlangen Q 1, Q 2 und Q organisiert, die in einer Hierarchie zueinander stehen, nach der sie bedient werden. Diese Warteschlangen bedient man nach dem FIFOPrinzip. Dabei werden folgende Prioritätsstufen gebildet: hohe Priorität (High Priority) mittlere Priorität (Medium Priority) niedrige Priorität (Low Priority) Die Aufgabe des Schedulers besteht darin, die in den Wartenschlangen wartenden Pakete zum Senden zu übergeben. Die Warteschlange Q 1 hat die höchste Priorität und wird zuerst bedient. Ist Q 1 leer, wird Q 2 mit mittlerer Priorität bedient, falls sie nicht leer ist. Sind beide Q 1 und Q 2 leer, dann kann man Q mit niedriger Priorität bedienen. Ein wesentlicher Vorteil von PQ ist das Aufteilen des Datenverkehrs in bestimmte Klassen, um zu garantieren, dass die IPPakete mit Sprache früher als IPPakete mit Daten weitergeleitet werden. Falls viele IPPakete mit höheren Prioritäten ankommen, müssen IPPakete mit niedrigerer Priorität lange auf das Absenden warten. Ist die Leitung mit Paketen höherer Priorität ausgelastet, kann dies dazu führen, dass die Pakete aus den Warteschlangen mit geringeren Prioritäten nie gesendet werden. Dies ist der Nachteil von PQ.

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