Fehlersuche und Analyse in VoIP-Netzen. TraceView in der Praxis

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1 Fehlersuche und Analyse in VoIP-Netzen TraceView in der Praxis

2 (Druck, Fotokopie, Mikrofilm oder in einem anderen Verfahren) ohne unsere vorherige schriftliche Genehmigung reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Wir weisen darauf hin, dass die im Buch verwendeten Bezeichnungen und Markennamen der jeweiligen Firmen im Allgemeinen warenzeichen, marken- oder patentrechtlichem Schutz unterliegen. Copyright: 2012 Nextragen GmbH Stand: 01/2012 Herausgeber: Nextragen GmbH Lise-Meitner-Str Flensburg 2

3 Management Summary Seit mehreren Jahren ist die Voice over IP (VoIP) Technologie auf dem Vormarsch. Die Integration von VoIP in die Geschäftsanwendungen (Unified Communications; UC) gilt inzwischen als treibender Faktor m- munikation. UC und VoIP versprechen nicht nur echte Kosteneinsparungen Sprach- und Videodienste in die Unternehmensprozesse. Die Integration der Sprach-, Video und der Datendienste auf einer einheitlichen IP-Transportplattform vereinfacht die Kommunikationsinfrastrukturen. Gleichzeitig werden jedoch wesentlich höhere Anforderungen an Funktionalität und die Zuverlässigkeit der Netzwerke gestellt. Diese Integration birgt potentielle Gefahren und es kann beim VoIP-Betrieb zu erheblichen Störungen kommen. In der Praxis wird von den Netzverantwortlichen die chtzeitfähigkeit der -, dass Sprach- und Videoanwendungen sehr sensibel reagieren und s t- spitzen und zu hoher Bandbreitenauslastung zeigen. Die Konsequenzen bei VoIP und Video sind erheblich und resultieren in einer schlechten Video/Sprachqualität, Kna-. Mit einem leistungsfähigen Messwerkzeug ist der Netzadministrator in der Lage, den gesamten VoIP-Verkehr aufzuzeichnen,auszuwerten und VoIP-Probleme schnell zu beheben. -, deshalb muss der Administrator in der Lage sein,die VoIP- bzw. Netzprobleme auf dem Kabel lokalisieren zu können. Wenn die Bordmittel des Betriebssystems - ö solches spezialisiertes Analysewerkzeug ist nicht Bestandteil der Rechner und muss deshalb speziell beschafft werden. den vergangenen Jahren deutlich verändert. Lagen sie i- schen Komponenten wie Verkabelung, Netzwerkkarten, Switches oder Routern, ö -Schichten der Layer 4 bis 7 zu suchen. VoIP erfordert jedoch das korrekte Zusammenspiel aller Schichten und erhöht somit die Komplexität bei der Fehlersuche. Besonders wichtig ist die ndezu-nde-beurteilung der Spracheigenschaften, wie beispielsweise die Verzögerung, der Jitter und die Paketverluste. und Gateways ab. Fallstricke der VoIP-Telefonie Dieses Kapitel beschreibt die heute genutzten VoIP-Protokolle in der Übersicht. Voice over IP setzt auf dem Internet Protocol (IP) als Transportbasis auf. Die digitalisierten Sprachdaten werden mit Hilfe von IP-Paketen zwischen den Kommunikationsteilneh-. Signalisierung Signalisierungsprotokolle sind Verfahrensvorschriften mit denen Steuernachrichten zwischen VoIP - Komponentencodiert, decodiert und interpretiert werden. VoIP kennt eine Vielzahl unterschiedlicher Signal d Übermittlung von Informationen genutzt werden. Das Session Initiation Protocol (SIP) und H.323 gehören zu den wichtigsten Signalisierungsmechanismen im VoIP-Markt Protokollmechanismus wurde inzwischen durch SIP weitgehend ersetzt -. ine SIP-Systemarchitektur besteht aus Terminals, Clients, Proxy und Location Servern. Der Proxy Server dient der Verwaltung der Anrufe, der SIP Accounts und der SIP Terminals bzw. SIP-Clients. Der Proxy Server besitzt eine Datenbank mit diversen SIP-Accounts. Diese Accounts 3

4 bestehen aus Benutzerangaben, Passwörtern und den dazugehörigen Telefonnummern. in SIP Terminal muss sich beim Proxy Server registrieren und anmelden, wenn das Terminal erreichbar sein soll. Nach der Anmeldung kann der Server die Rufnummer des Clients einer IP-Adresse zuordnen. Möchte ein angemeldeter Client einen anderen Teilnehmer anrufen, wird eine so genannte SIP-Invite a- ge enthaltene Telefon/Teilnehmernummer. Ist der mpfänger am System angemeldet, leitet der SIP Server die SIP-Anfrage an das betreffende ndsystem weiter. Beim Gesprächsaufbau werden auf Basis des SIP-Pro h- kommunikation notwendigen IP-Adressen der beiden Clients ausgetauscht. Nach Abschluss der SIP-Signalisierung findet das eigentliche Gespräch in Form einer Peerto- Peer-Verbindung (und der Nutzung des Real Time Protocols; RTP) zwischen den beiden ndgeräten statt. Befindet sich die gewählte Rufnummer bzw. der Teilnehmer außerhalb der lokalen SIP-Domäne, werden die SIP-Nachrichten an den SIP- Proxy der Ziel-SIP-Domäne oder an ein Telefon-Gateway (Übergang ins ISDN-Netz) weitergeleitet. Abb. 1.1: SIP-Netzarchitektur Bei der Signalisierung in Telefonanlagen treten zahlreiche potenzielle Probleme auf. Dies kann sich umso einfache Dinge, wie die Übergabe falscher IP-Adressen, die Signalisierung falscher SIP-Optionen, aber auch um komplexe Kompatibilitätsprobleme zwischen den beiden ndpunkten handeln. Zur Analyse der zwischen den SIP- lementen ausgetauschten Signalsierungsnachrichten ist ein VoIP-Analysator notwendig. Dieser erkennt die Probleme im Bereich der Signalisierung und stellt dem Administrator die notwendigen Informationen zur Behebung des betreffenden Prob-. Die Analysesoftware der Firma Nextragen GmbH wurde auf VoIP und die damit verbundenen QoS Problematiken optimiert. Durch die Aufzeichnung der Signalisierunspakete hat der Netzadministrator die ö. Anhand einer solchen Aufzeichnung werden die einzelnen Verbindungen dargestellt und anhand eines Pfeildiagramms der -. Fehler und Anomalitäten lassen sich auf einen Blick erkennen. Zu jeder Nachricht werden sämtliche Protokolldetails und die genauen Zeitstempel bereitgestellt. Damit lassen sich beispielsweise die Antwortzeiten der einzelnen Nachrichten miteinander korrelieren und Fehler erkennen, die durch zu hohe Antwortzeiten hervorgerufen werden. 4

5 Abb. 1.2: SIP-Verbindungsablauf in TraceView Streams - - -Netzwerk in cht-. Al -. RTP verpackt den Gesprächsdatenstrom in einzelne Pakete und verschickt diese Pakete auf Basis der UDP/IP- Mechanismen. In den RTP-Paketen werden : Synchronization Source (SSRC): dient der Zuordnung der gesendeten Pakete zu einer Session. Sequenznummern: Auf Basis der Sequenznummer werden die empfangenen Pakete wieder in die richtige Reihenfolge gebracht und außerdem festgestellt, wenn Pakete verloren gegangen sind. Timestamp: Der Zeitstempel dient der Laufzeitenkontrolle der Pakete und dient als Grundlage zur Jitterberechnung. Payloadtype: Definiert die Art der Informationscodierung. Dadurch kann der mpfänger die im RTP-Strom enthaltenen Sprachdaten richtig dekodieren. - - bau kommuni- -Kennungen verändert. Da die signalisierten und die real genutzten IP-Adressen/Portadressen nicht me, kommt keine RTP-Verbindung und somit auch kein Telefonge ndgeräte die notwendigen ST -. - RTP-Streams auf Basis eines VoIP-Messgeräts eingehend analysiert werden, um die Verbindungsfehler bzw. Falschkonfigurationen beseitigen zu können. Die Sprachströme werden bei VoIP nicht mit dem sicheren - die Übert -Overhead und durch TCP verbundenen hohen Paketverzögerungen. Durch die Nutzung von UDP werden auf der Transportebene keine auf dem Weg zum mpfänger verloren gegangenen Pakete wiederholt. VoIP kann zwar mit geringen Paketverlusten umgehen. Die sich dadurch verändernde Sprachqualität macht sich kaum beim Nutzer bemerkbar. Gehen jedoch größere Mengen an Datenpaketen verloren oder erhöht sich die Verzögerungszeit durch eine Überlast im Netzwerk, hat dies eine signifikante Verschlechterungen der Telefonströ- 5

6 me zur Folge. Auch hier gilt: Den Paketverlusten und Staus im Netzwerk muss auf die Spur gekommen werden. Auch hier hilft ein VoIP-Messgerät zur detaillierten Ursachenforschung. Der VoIP-Analysator TraceView stellt die Aufzeichnung eines Datenverkehrs an einem Netzknotenpunkt in einem so genannten Trace dar. Die RTP- Ströme werden dabei in einer Liste dargestellt. Die RTPSessionliste hinaus auf die dazugehörigen SIP-Signalisierungen. Die Details der RTPSessionliste verdeutlichen die wichtigen VoIP-Parameter und QoS-Werte einer RTP-Session. Zu diesen ö Session wird der individuelle R-Faktor berechnet und der MOS-Wert (Mean opinion Score) abgeleitet. schnellen Überblick alle Verbindungen in einem Trace. Abb. 1.3: Bewertete RTP-Session in TraceView Codecs - -, muss das analoge Audiosignal in ein steht, ist auch eine entsprechende Komprimierung des Signals notwendig. Dabei wird eine möglichst hohe Sprachqualität bei einer möglichst niedrigen Datenrate angestrebt. Das Sprach- Wiedergabe in ein analoges Signal umgewandelt. Die wichtigste Forderung an das verwendete Kodierverfahren ist: das Signal muss in chtzeit, das heißt mit minimaler Verzögerung, kodierbar und dekodierbar sein. Codec Kodierungsverfahren Übertragungsrate Sprachqualität Verzögerung G.711 Pulse Code Modulation (PCM) 64 kbit/s sehr gut Nominell G.723 Algebraic Code xcited Linear 6.4/5.3 kbit/s gut bis schlecht Hoch G Prediction (ACLP) Multiple Maximum Likelihood Quantization (MPMLQ) 6.4/5.3 kbit/s gut bis schlecht Hoch G.726 Adaptive Differential Pulse 40/32/24/16 kbit/s gut bis schlecht Sehr gering Code (ADPCM) G.728 Low Delay Code xcited Linear Prediction (LD-CLP) 16 kbit/s gut Gering G.729 Algebraic Code xcited Linear 8 kbit/s gut Gering Prediction (ACLP) G.729A Conjugate Structure Algebraic Code xcited Linear Prediction (CSACLP) 8 kbit/s befriedigend Gering 6

7 Codecs unterscheiden sich in deren Sound-Qualität, die zur Quantifizierung/Codierung notwendige Rechenleistung notwendigen Bandbreite. Nutzt der Sender einen bestimmten Sprachcodec zum Kodieren der Sprache, muss der mpfänger den selben Sprachcodec zur Dekodierung der Sprache benutzen. Bei der Signalisierung des Gesprächs wird festgelegt, welchen Sprachcodec die beiden Kommunikationspartner anwenden. Der Codec G.711 ist der bekannteste Sprachcodec -. Dieser bietet die beste Sprachqualität (ähnlich ISDN), benötigt aber auch die größte Bandbreite. Da nicht immer die maximale Bandbreite zur Übermittlung, sind die ndgeräte dazu gezwungen, einen schlechteren Sprachcodec zu nutzen, um die betreffende V - ö. Dies bringt zwangsläufig eine Verschlechterung der Sprachqualität mit sich. Sollen mehrere Standorte miteinander verbunden und sollen in allen Standorten VoIP-Geräte installiert zwischen den einzelnen Standorten von einem Service Provider die entsprechenden Verbindungen angemietet werden. Zur Reduzierung der notwendigen Bandbreite und damit selbstverständlich auch der Kosten, werden oftmals auf diesen Leitungen Codecs mit geringer Bandbreitenanforderungen genutzt. Gateways installiert, welche die Telefonate von einen Codec in einen andern G.711 benutzt. Sollen Verbindungen zwischen unterschiedlichen Unternehmensstandorten Verbindungen aufgebaut werden,.711 codierten Gespräche beispielsweise in G.729 codierte Datenströme. Dadurch wird eine nicht unerhebliche Menge an Bandbreite (pro Datenstrom bis zu 54 kbit/s) eingespart. Am anderen nde der Verbindung, im mpfangsstandort, werden die ankommenden G.729 Gespräche.711-Signale umkonvertiert und anschließend zum betreffenden ndgerät im internen Netz weitergeleitet. Die Umcodierung in den Gateways spart zwar Übertragungsbandbreite ein, hat jedoch den Nachteil, dass sich die Sprachqualität verringert. Dies bedeutet: Die Qualität eines solchen llte Signalqualität. Dabei ist es völlig unerheblich, ob die ndteilnehmer einen besseren Codec (G.711) nutzen. Das Gateway bestimmt mit seinem Codec die nde-zu-nde-sprachqualität. An geeigneten Analysepunkten im Netzwerk (beispielsweise ingang Ausgang der Mediagateways), lassen sich die Umcodierungen darstellen. Der eingehende G.711- und der ausgehende G.729 Verkehr werden hierbei aufgezeichnet und miteinander korreliert. Anmerkung: In der Praxis lässt sich die Qualität der eigentlichen Umkodierung mit Hife einer passiven - Simulation, wie sie das Programm TraceSim. VoIP-Analyse In lokalen Netzwerken kann ein VoIP-Administrator mit Hilfe eines speziellen VoIP- Analysators die zur, durch die Kontrolle der relevanten Netzwerk-Parameter (bei- 7

8 spielsweise Auslastung, Paketverluste und Verzögerungen) kontrollieren. in Netzwerk-Analysator ist in der Lage automatisch die jeweiligen VoIP-Verbindungen (H.323 und SIP) zu erkennen, den Status aller VoIP-Anrufe anzuzeigen, die VoIP- Informationen (Verbindungslisten, Verbindungsdetails und Qualitätsparameter) einzelner Verbindungen darzustellen, automatisch die Sessions (RTP-Daten mit Darstellung der Qualitätsparameter) zu erkennen, die Traces mit bitgenauer Dekodierung sowie Anzeigen von Informationselementen darzustellen, die Signalisierungen als Pfeilablaufdiagrammen darzustellen, die RTP/RTP-Sessions zu erkennen und die dazu gehörigen Pakete (inklusive der Nutzinformationen) anzuzeigen, Traces nach den vom Administrator vorgegebenen Kriterien zu filtern, Lastverhalten der beteiligten Stationen zu generieren, Aufzeichnungsstatistik (Netzwerk-Verkehrsdiagramme, Kreisdiagrammen mit Protokollverteilung, Top- Talker- Listen) zu erstellen, automatisch eine Qualitätsbewertung der Verbindungen vorzunehmen, den R-Faktor und den MOS-Wert nach dem -Modell (ITU-T Rec. G.107) zu ermitteln, grafisch die individuellen Qualitätsmerkmale (Inter-Arrival-Time, Jitter und Kommunikationsmuster) darzustellen. Abb. 1.4: Typischer Screenshot von TraceView Typische VoIP-Probleme Durch die menschliche Wahrnehmung der Sprache gehört VoIP zu de Paketverluste, die Verzögerung und der Jitter. Bandbreite Als effektive Bandbreite bezeichnet m ö, die. In 8

9 einem Netzwerk, beziehungsweise bei Netzwerkverbindungen, ö r- gewählten Sprachcodec.. Die benötigte Bandbreite ist abhängig von dem. Daher ist es notwendig, dass der VoIPAdministrator sein Netz und die darin vorherrschenden Bandbreitenbedingungen kennt. in VoIP-Analysator stellt die jeweiligen Bandbreitenbedingungen dar und der VoIP-Administrator kann auf einen Blick die sich verändernden Bandbreitenbedingungen erkennen. In TraceView wurden spezielle Graphen integriert, die in der Lage sind, die Anzahl der parallelen Verbindungen in Relation zur Bandbreite darzustellen. Außerdem lassen sich zu den Graphen der Qualitätsbewertung die jeweiligen Bandbreitenverbräuche einblenden. Durch diese Korrelation lassen sich Fehler, die ihre Ursachen in man-. Paketverluste Paketverluste kommen in jedem Netzwerk vor und stellen die Norm dar. Die Paketverlustrate gibt den prozentualen Anteil an verloren gegangenen Datenpaketen auf einer Übertragungsstrecke wieder. Die Paketverluste sind in der Regel auf Verstopfu. Zur Vermeidung von Paketverlusten sind Priorisierungsmechanismen im Netz zu implementieren. Paketverlustraten bis zu 5 Prozent sind bei äquidistanten Paketverlusten ö -, verschlechtert sich die Sprachqualität signifikant. Die heute genutzten Netzwerkprotokolle kompensieren in der Regel auftretende ö. In den VoIP- Mechanismen und den darunter liegenden RTP/UDP-Protokollen sind Sendewiederholungen nicht vorgesehen. Die Pa -. Kurzfristige Ausse. Die Aufgabe der PLC-Technik im mpfänger besteht darin, eine möglichst gute Schätzung des fehlenden Signalabschnitts zu generieren und somit die hörbare Störung möglichst gering zu halten. Die dabei erzielbare Qualität hängt von mehreren Faktoren ab, insbesondere von der Länge des verlorenen Segments, der Stationarität des Sprachsignals zum Zeitpunkt des Verlus-. Die rsetzung verlorener Sprachrahmen wird im Falle stark komprimierender Sprachhinaus kommt. Das einfachste PL - den Ton zu interpolieren. Ältere Systeme nutzen die so genannte Waveform Substitution, wodurch die verloren gegangenen Signale a-. Neuere Algorithmen interpolieren die entstande- 9

10 . Im Allgemeinen können Ausset-, ohne dass dies der mpfänger wahrnimmt. Mit Hilfe eines VoIP- Analysators wird die Anzahl der verlorenen gegangener Pakete angezeigt und diese in chtzeit visualisiert. Durch eine genaue Ursachenforschung kann auf Basis der aufgezeichneten VoIP-Pakete die notwendigen Maßnahmen eingeleitet werden, um die Paketverluste im Netzwerk zu reduzieren. Der VoIP Analysator TraceView der Firma Nextragen GmbH wertet die aufgetretenen Paketverluste aus. Dabei werden die aufgetretenen Paketverluste grafisch hervorgehoben. Man erkennt dadurch auf einen Blick, in welchen VoIP-Verbindungen Pakete verloren gegangen sind. Auch wird die Verteilung der Paketverluste analysiert, denn zusammenhängende Paketverluste haben einen hohen influss auf die Sprachqualität. Abb. 1.5: TraceView RTP- Fehlerbild Verzögerung -Netzwerk kommt es zu einer nde-zu- nde-verzögerung der Signale. Die Verzögerung (Delay) wird in Millisekunden gemessen und auch als Latenzzeit oder Latenz bezeichnet. Die Verzögerung ist das Zeitintervall zwischen dem Auftreten eines reignisses und dem Auftreten eines erwarteten Folgeereignisses, um das dieses verzögert wird. Beim Dienst VoIP bezeichnet die Verzögerungszeit den Zeitraum zwischen dem Sprechen und dem entfernten Hören der gesprochenen Nachricht. In Netzwerken wird die Verzögerung oft mit dem Begriff Round-Trip-Time (RTT) beschrieben. - - ö - IP- ndpunkten. Bei VoIP-Anwendungen ist der so genannte One-Way-Delay, also die Verzögerung in einer Richtung von ndpunkt zu ndpunkt, von Bedeutung. Die Verzögerung ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem Gespräch ungewollte 10

11 Sprachpausen oder Überschneidungen von Sender und mpfänger entstehen (choeffekte). Länger als 150 ms sollte, gemäß der ITU-mpfehlung G.114, die ndezu-nde-verzögerung nicht andauern. Bei VoIP-Anwendungen wirkt sichin der Praxis eine zu hohe Verzögerung durch eine Verminderung des Quality of Service (QoS) aus. Die Verzögerung eines Datenstromes lässt sich mit Hilfe einer passiven Messung nicht ermitteln. Da die ö (den so genannten Jitter) erheben. ine korrekte Verzögerungsmessung erfordert immer eine aktive Messung auf ndezu-nde-basis. ine solche Messung liefert TraceSim VoIP. Jitter - zu einer bestimmten Zeit und im Idealfall immer in gleichen Abständen beim mpfänger ankommen. Diese Abstände (Zwischenankunftszeiten) sind durch den Sprachcodec festgelegt. In einem IP-Netzwerk kann es jedoch zu Laufzeitschwankungen kommen bzw. verschied ö r-. Dieses Phänomen wird als Jitter bezeichnet und kennzeichnet ein spezielles VoIP-Problem, dass die Qualität eines Telefonats beträchtlich beeinträchtigen (holprige Verständigung, geringe Verständlichkeit) kann. Als Jitter bezeichnet man die Zeit zwischen der Soll- Ankunftszeit und der Ist-Ankunftszeit. Diese Zeitdifferenz sollte im Idealfall 0 ms betragen. In den normalen IP-Netzwerken ist immer ein durch die Übertragungskomponenten bedingter Jitter vorhanden. Zur Kompensierung des Jitters nutzen VoIP- Geräte einen Jitter-Puffer. Dieser gleicht die Laufzeitschwankungen durch eine Zwischenpufferung einer bestimmten Anzahl von Paketen aus. Dabei wird jedes empfangene Paket kurzzeitig zwischengepuffert, bevor es an den mpfänger (Applikation) weitergeleitet wird. Im Jitter-Puffer werden die zu spät empfangenen Pakete direkt verworfen. Durch die Kontrollfunktion treten im Jitter-Puffer zusätzliche Verzögerung auf. Jitter-Puffer haben entweder eine feste Größe oder die Größe des Puffers wird dynamisch festgelegt. Letztere Varianten werden auch als adaptive Jitter-Puffer bezeichnet. Diese haben die Fähigkeit ihre Größe dynamisch zu optimieren, um sich optimal an die jeweiligen Verzögerungen/ Datenverluste anzupassen. Sowohl Jitter- Puffer mit einer festen Größe als auch adaptive Jitter-Puffer sind in der Lage, sich automatisch an Verzögerungsänderungen anzupassen. rfolgt beispielsweise eine schrittweise Veränderung der Verzögerung um 20 Millisekunden, hat dies kurzfristig einige Paketverluste zur Folge. Über diesen Zeitraum justiert sich der Jitter-Puffer jedoch neu und vermeidet somit weitere Datenverluste. Der Jitter-Puffer kann somit als ein Zeitfenster angesehen werden. Auf Seite) werden die aktuellen Daten erfasst und die andere Seite des Fensters (der späten Seite) repräsentiert die maximal zulässige Verzögerung (nach der ein Paket zu verwerfen ist). Der Jitter-Puffer kann diese je - ö (Kampf konkurrierender VoIP-Systeme um bestimmte Übertragungsressourcen) und können zu erheblichen und unvorhersehbaö. Aus diesem Grund ist es wichtig, die zeitliche Abfolge mit einem Messanalysator zu kontrollieren und die U - -Stream eine separate Jitter- Berechnung vor. In TraceView - ö - Strom werden die Minimalen / Durchschnittlichen / Maximalen Werte des aufgezeichneten Jitters angezeigt. Die Details der RTP-Session ermöglichen die detaillierte Analyse 11

12 der Jitter-Werte und die zugehörigen Grafiken veranschaulichen den Jitter eines RTP- Stromes im zeitlichen Verlauf. Sequenzfehler Die Daten- und ö a-. Bestehen mehrere parallele Übertragungsstrecken zwischen Sender und mpfänger, kann es vorkommen, dass die Pakete auf den jeweiligen Wegen unterschiedlich lang verzögert werden. Dadurch empfängt der Sender die Datenpakete in unterschiedlicher Reihenfolge. z-. I -. Dadurch ergeben sich die unterschiedlichen Verzögerungszeiten. Diese pfadbezogenen Verzögerungen resultieren darin, dass eine geringe Anzahl an Paketen verspätet beim VoIP-ndpunkt eintrifft. In der Regel werden die Pakete in einem ingangspuffer zwischengespeichert. Dadurch hat der ndpunkt die Möglichkeit, die empfangenen Pakete wieder in die richtige Reihenfolge zu bringen und somit den Originaldatenstrom wieder herzustellen. Bei der klassischen Datenkommunikation stellen Sequenzfehler kein Problem dar. Der mpfänger ordnet die Datenpakete anhand der T - ö Anwendung einen korrekten Datenstrom. -. Probleme bei der IP-Netze mit einer vollkommen anderen Strategie begegnet werden. inige VoIP-Systeme verwerfen alle außerhalb der Reihenfolge empfangenen Pakete. Andere VoIP-Systeme verwerfen empfangene Pakete mit Sequenzfehlern nur dann, wenn deren Größe die Länge des internen zur Folge. Sequenzfehler wirken sich direkt auf die Sprachqualität aus und verschlechtern das empfangene Signal. Der Sequenzfehlerpuffer ist der gleiche wie der Jitter-Puffer. In einem regulären Jitter- Puffer werden normalerweise drei Pakete zwischengepuffert. rfolgt eine Vertauschung von Paketen innerhalb der drei im Jitter-Puffer zwischengespeicherten Pakete wird die Vertauschung vom Jitter-Puffer wieder aufgehoben. In allen anderen Fällen wirkt sich ein Sequenzfehler wie ein Paketverlust aus. In der Auswertung von Trace- View werden Sequenzfehler erkannt und grafisch hervorgehoben 12

13 Abb. 1.7: Sequenzfehler bei TraceView Qualität der Codecs, muss das analoge Audiosignal in ein, ist auch eine entsprechende Komprimierung des Signals notwendig. Dabei wird eine möglichst hohe Sprachqualität bei einer möglichst niedrigen Datenrate angestrebt. Wählt man dabei ein Kodierverfahren mit niedriger Bitrate und hoher Kompression, so ist beim Kodieren und Dekodieren viel Rechenleistung notwendig. Steht diese, so muss zwangsläufig ein Verfahren verwendet werden, bei dem die Bitrate höher ist. Das Sprachsignal wird beim Sender gemäß seiner Menge erfasst (quantisiert) und kodiert. Danach wird in ein analoges Signal umgewandelt. Die wichtigste Forderung an das verwendete Kodierverfahren ist: das Signal muss in chtzeit, das heißt mit minimaler Verzögerung, kodierbar und dekodierbar sein. Das Wort Codec ist ein englisches Akronym der Begriffe Coder und Decoder. Spricht man von einem Codec, so meint man meistens ein Verfahren zum Umwandeln von analogen Sprach- oder Videoinformationen in ein digitales, oft komprimiertes Format. Die Verfahren zur Kodierung eines analogen Signals sind vielfältig und haben sich in den letzten Jahren stark entwickelt. Besonders durch höhere Rechenkapazitäten und höhere Bandbreiten haben sich die Möglichkeiten der Codec-ntwickler verbessert. Weiterhin haben die n sein, zum anderen das Originalsignal möglichst originalgetreu wiedergeben. Fehler-, ohne dass sich dies negativ auf die Signalqualität auswirkt. Rauschen, andere, aufwendigere, setzen auf Schachtelung der Sprachinformationen in viele Pakete. Geht hier ein Paket verloren, kann der verlorengegangene Inhalt aus den korrekt empfangenen Paketen errechnet werden. Man erkauft sich bei erstgenanntem Verfahren die hohe Performance mit gelegentlich hörbaren Knacksen bei Verlust von Paketen, während man bei dem zuletzt genannten Verfahren bei einem ö ö klingende Stimme hat. ndgeräten immer die aktuellen Netzwerkbedingungen beachtet werden. Beispiels-.711 (PCM) Codecs auf einer schmalbandigen Verbindung zu erheblichen Verzögerungen. Dies resultiert, durch das Verwerfen der zu spät empfangenen Pakete (welche als Jitter klassifiziert werden), in einer Minderung der Sprachqualität. Steht in einem, muss ein anderer Codec (mit einer höheren Kompression und somit mit einer geringeren Bandbreitenan.729 oder G.723 Codecs. - Bandbreite und j, kann ö. In der Regel entspricht die Bandbreite des DSL-Upstreams nicht der Downstream-Bandbreite. Tritt ein Bandbreitenengpass durchzu viele parallele VoIP/IP-Verbindungen in der Upstream-Richtung auf, muss der 13

14 Default-Codec G.711 G.729a (CS-ACLP), G (MP- MLQ) und G.726 (ADPCM) nutzen. Diese Codecs reduzieren zwar. Standard Algorithmus rforderliche Bitrate (kbit/s) G.711 PCM 48, 56, 64 G MP-MLQ/ACLP 5,3, 6,3 H.728 LD-CLP 16 G.729 CS-ACLP 8 G.729 Annex A CS-ACLP 8 G.722 Sub-Band ADPCM 48, 56, 64 G.726 ADPCM 16, 24, 32, 40 G.727 ADPCM 16, 24, 32,40 Die Codecs werden beim Aufbau einer VoIP-Verbindung zwischen den ndgeräten ausgehandelt. Der Systemadministratorkann in den ndgeräten vorkonfigurieren, welche Codecs vom Gerät genutzt werdensollen. Bei einem Aufbau eines Gesprächs verschicken die beteili -, sollte der -. Kann keine Übereinstimmung bei dem Codec zwischen den ndgeräten erzielt werden, kommt das Telefongespräch nicht zu Stande. Die jeweiligen Codecs werden anhand von Ide - - des mpfangssignals zu nutzen ist. Die Identifikatoren auch RTP-IDs genannt, werden während der Signalisierung ausgetauscht, so dass die mpfänger der Daten auch den entsprechenden Decoder verwenden. Bei Verwendung eines falschen Codecs, kann das Gespräch nicht korrekt wiedergegeben werden und sämtliche Sprachinformationen gehen verloren. Nutzen zwei miteinander kommunizierende ndgeräte nicht die gleichen Codecs und werden die Sprachinformationen trotzdem richtig wiedergegeben, dann befindet te Übersetzung der unterschiedlich codierten Signale. ine solche Codec-Umsetzung reduziert in der Regel die Signalqualität. Aus diesem Grund sollten in einem VoIP-Netz möglichst wenige Codec-Umsetzungen erfolgen. Die Nutzung des richtigen Codecs verbessert die Sprachqualität. Durch die Analyse der Verbindungsinformationen mit Hilfe eines VoIP-Analysators werden Probleme bei der Aushandlung der Codec sichtbar gemacht und durch eine Umkonfiguration der aktiven Codecs in den ndpunkten/gateways die Sprachqualität erheblich verbessert. MOS-Wert und R-Faktor Die Sprachqualität beschreibt, wie gut die Verständlichkeit einer menschlichen Stimme bei Aufzeichnung und Wiedergabe durch eine technische inrichtung ist. ine Beurteilung der Sprachqualität ist dabei subjektiv und hängt sowohl von den gegebenen technischen Mitteln, dem Umfeld der Aufnahme, dem Übertragungsweg und dem Umfeld der Wiedergabe ab. Die Bewertung dieser Sprachqualität ist durch Bewertungsmethoden der ITU mit dem Standard P.800 spezifiziert. Das bekannteste Verfahren zur Bewertung der Sprachqualität ist der Mean Opinion Score, kurz MOS. Diese, z.b. Codecs mit Hilfe einer festgelegten Skala zur Beurteilung der QoS mpfindungswerte. Der MOS-Wert ist ein Wert ähnlich den, bei der keine Verständigung möglich ist, der Wert»5«hingegen signalisiert eine exzellente Übertragungsqualität, die nicht von dem Original zu unterscheiden ist. Die nachfolgende Tabelle zeigt die gängigsten Codecs und den ermittelten MOS Wert. Die abgebildeten MOS-Werte entsprechen der besten Qualität, die ein Sprachcodec erhalten kann. 14

15 Codec MOS G.711 4,4 G.729 3,92 G.726 3,85 ilbc 3,8 G.729a 3,7 G ,65 G.728 3,61 Meinungswert von Probanten. Da MOS stark subjektiv geprägt ist, sollte man sich nicht auf MOS als alleiniges Kriteriumzur Beurteilung von VoIP-Verbindungen verlassen. Das -Modell (ITU-mpfehlung G.107) beschreibt ein Berechnungsmodell zur Planung und Bewertung der Übertragungsqualität von Kommunikationsnetzen. Anhand dieses Berechnungsmodells wird die dem. Das rgebnis ist eine objektive Bewer-, die Übertragungsqualität beeinflussender Faktoren. Die wichtigsten Parameter des -Modells werden in der folgenden Tabelle aufgelistet: Parameter inheit Standardwert quipment Impairment Factor Ie bis 40 Packetloss Robustness Factor Bpl bis 40 Random Packetloss Probability Ppl % 0 0 bis 20 Der Werte Ie und Bpl sind vom jeweiligen Codec abhängig. Aus diesem einer VoIP-Messung der genutzte Codec herausgefunden werden und anschließend die Ie- und Bpl-Faktoren zwischen 0 und 20 Prozent. Das -Modell verwend Modell. Das Messsystem - -Modell notwendigen Parameter. Nach der Übergabe der Parameter an das - Modell gibt das Messsystem einen Übertragungsfaktor (R-Faktor) aus. Aus diesen Werten wird eine Vorhersage der Sprachqualität im Bereich 0 bis 100 getroffen, die auf der MOS-Skala abbildbar ist. R-Faktor Qualität MOS 100 ausgezeichnet: s ist keine Anstrengung nötig, um die Sprachezu verstehen 80 gut: Durch aufmerksames Hören kann die Sprache ohne Anstrengung wahrgenommen werden 60 ordentlich: Die Sprache kann mit leichter Anstrengungwahrgenommen werden Sprache zu verstehen 2,6 15

16 bis 0 mangelhaft: Trotz großer Anstrengung kann man sich nichtverständigen bis 1 - iber entwickelt. Inzwischen hat es sich als Quasi-Standard zur objektiven Beurteilung der Sprachqualität (im Gegensatz zur subjektiven Messmethode des MOS) durchgesetzt. Da sich der R-Faktor direkt auf den aus den Tests generierten Messwerten abbilden lässt, entspricht dieser Wert den realen Verkehrsparametern. Trotzdem ist eine Korrelation mit den MOS-Werten möglich. Der beste zu erreichende theoretische R- Faktor beträgt 100. Dieser. Nutzt man beispielsweise einen typischen G.711- Codec in einer Referenzumgebung, kann ein maximaler R-Faktor von ungefähr 93,2 erreicht werden. Die folgenden Ursachen tragen zu einer Verschlechterung des R-Faktors bei: Codec-Typ: Codecs: mit höheren Kompressionsraten weisen normalerweise einen schlechteren R Faktor auf, ndbreite: inschränkung der Übertragungsbandbreite werden durch das gesamte Übermittlungssystem im Übertragungspfad bestimmt, Fehlersuche und Verzögerungen und Jitter: ntstehen im Netzwerk und den ndgeräten und sind bei mobilen WLAN Telefonen, aufgrund der mangelnden Bandbreite im Funknetz, besonders hoch etzwerke und Koppelkomponenten. in Analysewerkzeug muss daher in der Lage sein, aktuell aufgezeichneten Gespräche nach beiden Meßmethoden zu beurteilen. Da sich das - Modell auf die aktuellen Paketparameter der jeweiligen RTP-Session bezieht, repräsentieren die Messung die Qualität des lokalen Netzabschnitts. Der folgende Screenshot zeigt die Details einer VoIP-Verbindung, bzw. von zwei RTP- Streams (ein RTP Strom -Stream wurde ein MOS-Wert von 4,0 in der einen Richtung und ein MOS-Wert von 2,7 in der anderen Richtung ermittelt. Der verringerte MOS-Wert resultiert in einer merklichen Verzerrung der Sprache. Durch die Analyse der Datenströme mit Hilfe von TraceView ist der Techniker sehr schnell in der Lage, die VoIP-Gespräche zu klassifizieren und deren Übermittlungsqualität zu beurteilen. Damit reduziert sich - Fehlersuche notwendige Zeit auf ein Minimum. Durch diese Zeiteinsparung können Techniker schneller und gezielter bei der Beseitigung der Fehlerursachen vorgehen. Abb. 1.8: Bewertete RTP-Sessions einer VoIP-Verbindung Aufzeichnung von VoIP-Verbindungen Beim Monitoren des Netzes und dem anschließenden Auswerten der Signalisierungsund Sprachpakete ist es notwendig, die Daten selektiv aufzuzeichnen. In der Verbindungsliste stellt der VoIP-Analysator alle aufgezeichneten VoIP-Verbindungen mit folgenden Parametern dar: 16

17 Typ (SIP, H.323, MGCP oder Skinny) Quelle/Ziel Startzeit/Dauer Status der Verbindung (Verbindungsaufbau, Verbindung aktiv, Verbindung beendet) Initiator/Gegenstelle Durch das Markieren einer ausgewählten Verbindung, wird die Signalisierung der Verbindung als Pfeildiagramm dargestellt und zusätzlich die zur betreffenden Verbindung gehörenden RTP-Sessions aufgelistet e- naue Darstellung (inklusive der Zeitstempel, der Quell- und Zieladresse, dem Pakettyp) der aufgezeichneten VoIP-Pakete. Wird ein Paket markiert, wird dieses in der Detailansicht dargestellt. Der VoIP-Administrator hat in diesem Darstellungsmodus die Möglichkeit, die jeweiligen Protokolldetails (Header-Informationen und Nutzlasten) des markierten Pakets genauer zu analysieren. Bei den Paketdetails handelt es sich um den eigentlichen Inhalt des Paketes. Der Analysator dekodiert dabei die in den VoIP-Paketen enthaltenen Informationen (Paket-Header der einzelnen Schichten und Payloads), so dass die relevanten Paketdetails auf einen Blick erkannt werden können. Abb. 1.9: Detailansicht eines VoIP-Pakets Filterfunktion Mit Hilfe von Filtern werden die individuellen Kriterien festgelegt, die ein Paket muss, um dargestellt - ö. Die Filterfunktion bieten folgende Möglichkeiten: Verbindungsfilter: Zeigen die zu einer Verbindung gehören Information (Signalisierung und RTP Daten) an, Stringfilter: Selektiert nur solche Pakete, die die eingegebene Zeichenkette enthalten. IP/MAC-Filter: Stellt nur Pakete mit der vom VoIP-Administrator festgelegten IP/MAC- Adresse dar. 17

18 Protokoll-Filter: Damit lassen sich die verschiedenen Pakettypen auswählen, um diese nach der : Alle TCP/IP Pakete Nur TCP- Pakete Nur UDP- Pakete Nur VoIP-Pakete Durch Kombination der Filter ist eine noch genauere Selektion der g Pakete möglich. Durch flexible Filtereinstellungen werden nur solche Pakete bzw. Paketinhalte angezeigt, die den spezifischen Anforderungen des Nutzers entsprechen. So lassen sich beispielsweise aus einem Datenstrom nur solche Pakete ausfiltern die eine bestimmte Telefonnummer enthalten bzw. anhand der Telefonnummer nur die entsprechenden fehlerhaften Verbindungsdaten anzeigen. Aufzeichnung der Sprache Anhand des MOS-Werts und des R-Faktors lassen sich die technischen Qualitätskriterien eines VoIP-Stroms k- tiven Nutzerkriterien beurteilen zu können, ist es unter Umständen notwendig, das betreffende Telefongespräch wiedergeben zu können. Hierzu stellt ein VoIP- Analysator die Möglichkeiten zur Sprache zur ö ö Sprachsignale die Möglichkeit zur Beurteilung der realen Sprachqualität. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, die aufgezeichnete RT - h- tungen) - ö - gesamte Dauer der Session. Abb. 1.10: Audio-Diagramm Auch die Anzeige der RTCP-Informationen einer RTCP-Session dient der Analyse ö. Dabei werden jeweils die Paket-Nummern, die Zeitstempel, die absolute Zeit, die Zwischenankunftszeit, der RTCP-Type (Sender Report, Receiver Report,...), der RTCP Zeitstempel, der Packet und Octet-Count, Fraction Lost, Packet Loss, xtended High Sequence Received, IA Jitter, Last SR, und Delay SR dargestellt. Die mit Hilfe des Trafficlyser TraceView ermittelten Details einer RTP-Session weisen in der Regel bereits direkt auf den Fehler hin. So werden beispielsweise Paketverluste oder ein zu hoher Jitter dargestellt. Da der von Nextragen entwickelte Trafficlyser TraceView -Bereich entwickelt wurde, von VoIP-spezifischen Fehlern keine speziellen instellungen vorgenommen werden. 18

19 Statistiken -Netzwerk machen. Die Statistiken fassen dabei eine Vielzahl unterschiedlicher Messwerte und Parameter zusammen und bereiten diese grafisch auf. Im Allgemeinen steht die Möglichkeit, die individuellen IP-Informationen in Statistiken aufzubereiten, an oberster Stelle des Interesses der Analysatorbenutzer. Hierzu gehören: Kreisdiagramme: Zeigt die Verteilung der Protokolle in den einzelnen Schichten an. Schicht 2: unterscheidet zwischen thernet Version 2, I und anderen Protokollen des Data Link Layers. Schicht 3: unterscheidet zwischen IPv4, IPv6, Novell, IBM NM, NetBios, BPDU, Bayan, ARP, ISO, RPL, SNA, SNAP, Global und sonstigen. TCP/IP Protokolle: unterscheidet zwischen TCP, UDP, ICMP, GP, OSPF und sonstigen Protokollen. VoIP-Protokolle: unterscheidet zwischen H.225, H.245, RAS, RTP, RTCP und SIP. IP-Statistiken: Das IP-Diagramm errechnet aus den momentanen Verkehrsinformationen einen Verkehrsplan und zeigt an, welche IP-Adressen (Quell- und Ziel-IP- Adresse) miteinander kommunizieren. Alle IP-Adressen werden mit der dazugehörigen MAC-Adresse dargestellt , welche IP-Adressen den meisten Datenverkehr erzeugen. Aus diesen Informationen lassen sich folgende Werte ablesen: Gesamt Pakete: enthält alle Pakete mit den zugehörigen Source- und Destination IP-Adressen, Gesamt Bytes: Die Anzahl von Bytes, die Pakete mit der IP-Adresse als Quell- und Zieladresse Broadcast-Statistiken: rmittelt das quantitative Verhältnisse zwischen Unicasts, Broadcasts sowie Multicasts am gesamten Datenverkehr und weist die Belastung des Netzwerks durch Broadcast- und Multicast-Pakete komfortabel nach. 19

20 Fazit Ursachenforschung und -rmittlung von VoIP-Problemen in Netzwerken ist s - von konvergenten Sprach/Datennetzen gehört ein VoIP-Analysegerät heute zu den unverzichtbaren Werkzeugen. - - informieren und die angebotene Lösung auf Herz und Nie. ine Testinstallation, die in der, erspart eine Menge Ärger und beugt Missverständnissen vor. Mit dem Trafficlyser TraceView steht den Netzadministratoren und VoIP-Technikern ein erstklassiges, das allen Problemstellungen von VoIP-Netzen gewachsen ist. Die einfache Bedienung und die auf die VoIP- Anforderungen zugeschnittenen Messwerkzeuge und Auswertungen sparen bei der Fehlersuche und Analyse wertvolle Zeit ein und tragen dazu bei, dass die Fehler wesentlich schneller behoben werden können. 20

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