Spezielle Anforderungen an Virtualisierungslösungen für Software-basierte VoIP-Telefonanlagen. René Pankratz Daniel Hartmann Diederich Wermser

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1 Spezielle Anforderungen an Virtualisierungslösungen für Software-basierte VoIP-Telefonanlagen HfTL Science Days 2010 René Pankratz Daniel Hartmann Diederich Wermser

2 Technologien / Kooperationspartner Voice over IP, Multimedia over IP Session Initiation Protocol (SIP) Presence Service NGN: IMS (IP Multimedia Subsystem), TISPAN Soft-PBX; SipXecs, Asterisk, SER, FreeSWITCH u. a. Quality-of-Service-Mechanismen (QoS), IntServ, DiffServ, MPLS; IPv6 Routing, NAT Analyse von "VoIP-Readiness Sicherheit von VoIP-Systemen Tests von IP-basierten Kommunikationssystemen Konformitätstests, TTCN-3 Interoperabilitätstests Stress Tests Entwicklung und Integration von Open Source Software Eigene Open Source Soft PBX Askozia Anpassung von Open Source Komponenten für Embedded Hardware Lösungen 2

3 Spin-Offs Ostfalia Fakultät Elektrotechnik Labor Kommunikationssysteme Grundlegende F&E Entwicklung von Testverfahren Beiträge zur Standardisierung Untersuchung von QoS Mechanismen Architekturen/Protokolle für zukünftige öffentliche NGN (IMS) Analytische Kostenmodelle Anwendungsorientierte F&E Machbarkeitsstudien Vorentwicklung Askozia PBX OpenSource Projekt Gutachten, z. B. bei QoS-Problemen Konformitätstests, Stresstests Schlüsselfertige OpenSource VoIP/NGN Lösungen für Unternehmen Embedded OpenSource PBX-Lösungen Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme Ausgründungen Ostfalia - Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme & IANT GmbH 3

4 Inhalt Einstieg / Motivation Anforderungen von Voice over IP VoIP-PBX-Architekturen Zuteilung von Ressourcen bei Virtualisierung Praktischer Einsatz der SipXecs im virtualisierten Betrieb Zusammenfassung und Ausblick Ostfalia - Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme & IANT GmbH 4

5 Warum eine VoIP-Telefonanlage virtualisieren? Ostfalia - Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme & IANT GmbH 5

6 Virtualisierte VoIP-Software-PBX: Nutzen und Möglichkeiten Kosteneinsparungen in Hardware & Wartung Hardwareunabhängigkeit Skalierbarkeit (Leistungsfähigkeit der PBX) Backup-Möglichkeit Unternehmen nutzen bereits virtualisierte Systeme Nachfrage ist vorhanden Hosting-Lösung ( VoIP-Centrex ), viele virtuelle VoIP-Server statt eines mandanten-fähigen VoIP Systems Ostfalia - Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme & IANT GmbH 6

7 Was muss bei einer PBX beachtet werden? Bei VoIP werden zeitkritische Medien übertragen! Nutzdaten stellen hohe Anforderungen an das System Zeichengabe weniger problematisch Kritische Betrachtung immer dann notwendig, wenn der Medienstrom in der PBX verarbeitet wird (B2BUA, Voic , Conferencing ) Ostfalia - Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme & IANT GmbH 7

8 Signalisierung Session Initiation Protocol (SIP) Protokoll für Aufbau, Steuerung und Abbau von Medienverbindungen Beispiel für Timeout-Verhalten einer INVITE Nachricht (RFC 3261): Initial T1 (default 500 ms) Jeweils verdoppelt bis maximal 64*T1 (32 s) Mechanismen für das erneute Senden verlorener Pakete vorhanden unkritisch! Vergleich zu Timeout von HTTP: Einige Sekunden bis Minuten Ostfalia - Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme & IANT GmbH 8

9 Nutzdaten Real-Time Transport Protocol (RTP) Protokoll für die Übertragung von Medienströmen Sprachdaten werden komprimiert, paketisiert und übertragen Transport über UDP Ostfalia - Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme & IANT GmbH 9

10 Kenngrößen in IP-basierten Netzen im Hinblick auf Sprachqualität in VoIP Sprachqualität ist abhängig von folgenden Kenngrößen: Datendurchsatz (möglichst konstant) Paketlaufzeit (Latenz) Jitter (Varianz der Paketlaufzeit) Paketverlustrate Subjektive Bewertung der Sprachqualität: MOS-Wert. ITU-T Empfehlungen P.830 bis P.834 Wertebereich Ostfalia - Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme & IANT GmbH 10

11 Zeitdarstellung RTP Pakete Paket 2 deutlich mehr verzögert Paket 4 geht verloren Paket 6 kommt in falscher Reihenfolge Ostfalia - Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme & IANT GmbH 11

12 Empfehlung G.114 der ITU-T für VoIP Konstante Bitrate von ~100 kbit/s brutto pro Richtung. Abhängig vom Codec (meist G.711 mit 64 kbit/s netto). Maximale Netzlatenz von 150 ms von Endgerät zu Endgerät. Gesamtlatenz Mund-zu-Ohr: maximal 400 ms. Jitterbuffer muss zusätzlich zur Latenz addiert werden. Berechnungszeiten für Codec müssen berücksichtigt werden. Typisch genutzte Werte für Jitterbuffer: 30 bis 50 ms. Adaptiv teilweise bis 200 ms. Paketverlustraten bis rund 5% für akzeptable Sprachqualität Ostfalia - Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme & IANT GmbH 12

13 VoIP-PBX-Architekturen Welche Szenarios benötigen besondere Aufmerksamkeit? Ostfalia - Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme & IANT GmbH 13

14 VoIP-PBX Architekturen SIP-Proxy verhält sich wie B2BUA, falls Mediendienste genutzt werden (Conferencing, Voic , ) Ostfalia - Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme & IANT GmbH 14

15 Zuteilung von Ressourcen bei Virtualisierung Ostfalia - Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme & IANT GmbH 15

16 Zuteilung von Ressourcen bei Virtualisierung RAM & CPU Ressourcen müssen reserviert werden! Best-Effort Traffic anderer VMs auf dem gleichen Hostsystem muss verdrängt werden (QoS-Mechanismen, Priorisierung von RTP) Je nach weiterer Auslastung des VM-Servers ist die dedizierte Zuordnung einer Netzwerkkarte sinnvoll. Timer Interrupts können auf ausgelasteten VM-Servern problematisch sein Ostfalia - Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme & IANT GmbH 16

17 Zuteilung von Ressourcen bei Virtualisierung Ostfalia - Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme & IANT GmbH 17

18 I/O Problematik Virtuelle Hardware Gastsystem greift im Normalfall auf virtualisierte Peripherie zu, nicht direkt auf die physikalische Hardware Treiberfrage Keine native Geschwindigkeit Weitere Geschwindigkeitseinbußen durch Teilung der phys. Hardware Ostfalia - Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme & IANT GmbH 18

19 PCI Passthrough Durchreichen eines Geräts (z.b. NIC) an ein Gastsystem für exklusiven Zugriff Ostfalia - Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme & IANT GmbH 19

20 SIPfoundry SipXecs im produktiven Umfeld der IANT GmbH auf virtuellen Maschinen Ostfalia - Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme & IANT GmbH 20

21 SIPfoundry SipXecs Ähnlichkeit zum IMS Verteiltes System Hochverfügbarkeit Ostfalia - Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme & IANT GmbH 21

22 Load-Balancing / HA-Mechanismus von SipXecs Ostfalia - Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme & IANT GmbH 22

23 Praktische Tests Virtualbox ungeeignet für SipXecs... Kompatibilitätsprobleme mit RedHat/CentOs Wenig marktrelevant Verwendung von VMWare ESXi Server VMware ESXi Host mit: VM1: SipXecs VM2: Trafficgenerator VM3: CPU-Last-Generator Weitere Rechner zur Erzeugung von Gesprächen (SIPp) Nachweisziel: SipXecs hat zu jeder Zeit ausreichend Ressourcen. Gute Sprachqualität auch unter Auslastung gewährleistet Ostfalia - Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme & IANT GmbH 23

24 Testrahmen Ostfalia - Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme & IANT GmbH 24

25 Sicherung der CPU Ressourcen für die PBX Ostfalia - Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme & IANT GmbH 25

26 Ergebnisse für SipXecs unter VMWare Telefongespräche wurden zuverlässig mit ausreichender Sprachqualität verarbeitet Auch unter hoher CPU Auslastung des VM-Servers werden SipXecs ausreichende Ressourcen zur Verfügung gestellt Sensitive Funktionen wie Konferenzräume arbeiten zuverlässig Load-/Balancing / HA Mechanismen zwischen virtualisierten SipXecs auf unterschiedlichen physikalischen Servern arbeitet zuverlässig ( Ostfalia - Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme & IANT GmbH 26

27 Zusammenfassung und Ausblick Ostfalia - Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme & IANT GmbH 27

28 Zusammenfassung / Ausblick Die Sicherung der Ressourcen für einen problemlosen Betrieb von SipXecs unter VMWare wurde in aufwändigen Messungen überprüft. Separate Netzwerkkarten empfehlenswert SIpXecs schon langfristig im operativen Betrieb SIP-Proxy-Architektur besser virtualisierbar als B2BUAs Load-Balancing und HA-Mechanismen von SipXecs auch in virtualisierten umsetzbar Anstehende Untersuchung: Hot-Migration für eine aktive Telefonanlage Ostfalia - Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme & IANT GmbH 28

29 Danke für Ihre Aufmerksamkeit... Fragen? Ostfalia - Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme & IANT GmbH 29

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