Voz Sobre IP Em Redes Sem Fio Padrão IEEE 802.11b Esta Série Especial de Tutoriais apresenta os trabalhos premiados no I Concurso Teleco de Trabalhos deConclusão de Curso (TCC) 2005. O conteúdo deste tutorial foi obtido do artigo classificado em terceiro lugar no concurso, de autoria doBruno Lopes de Souza Benchimol, do Davis Victor Feitosa de Oliveira e do Waldir Aranha Moreira Junior. Este tutorial apresenta um estudo sobre a utilização da tecnologia de Voz sobre IP (VoIP) em redes sem fiopadrão IEEE 802.11b através de resultados originados de pesquisas e testes. O objetivo principal deste trabalho é analisar a qualidade da comunicação que utiliza esta tecnologia, assimcomo comparar seu desempenho com o da telefonia convencional visando um desempenho aceitável e,ainda, mantendo os padrões de qualidade de serviço (QoS). Alguns codecs também foram analisados observando como eles se comportam em um meio sem fio e oquanto a qualidade dos mesmos é afetada pelo comportamento apresentado na rede em um dado momento.

Bruno Lopes de Souza Benchimol Bacharel Ciência da Computação pela Universidade da Amazônia (UNAMA - 2005), com certificação emLinux (LPIC-1 - LPI Certified Level 1 - Linux Professional Institute, 2004) e Cisco (CCNA - Cisco CertifiedNetwork Associate, 2005). Atuou como especialista em Cisco e em Linux na implantação de servidores de arquivos, e-mail, proxy efirewall em várias empresas em Belém (PA), tendo participado de diversos projetos com o uso de Linux paraaplicações de TI e de VoIP. Atualmente presta serviços de administração e manutenção dos servidores Linux na QG Web, e trabalhacomo administrador de redes e sistemas operacionais (Windows / Linux / Solaris), na área de segurança, noTribunal de Justiça do Estado do Pará (TJE/PA). Foi o terceiro colocado no I Concurso Teleco de Trabalhos de Conclusão de Curso (TCC) 2005. Email: brunobenchimol@gmail.com

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Davis Victor Feitosa de Oliveira Bacharel Ciência da Computação pela Universidade da Amazônia (UNAMA - 2005). Atuou como especialista em redes de computadores com Windows 2000 e família Windows 2000 Server(WINS, DNS, DHCP, IIS, Active Directory), e na instalação e uso de Linux (Desktop ou Servidor) eFreeBSD em empresas de Belém (PA). Atualmente trabalho como Gerente de Redes no DETRAN – Departamento de Trânsito do Pará (Belém –PA). Foi o terceiro colocado no I Concurso Teleco de Trabalhos de Conclusão de Curso (TCC) 2005. Email: dvsvictor@gmail.com

Waldir Aranha Moreira Junior Iniciou sua graduação em Ciência da Computação na University Of Lethbridge (1999) e a concluiu naUniversidade da Amazônia (2005). Obteve seu Mestrado (2008) pelo Programa de Pós-graduação emCiência da Computação (PPGCC) da Universidade Federal do Pará (UFPA). Atualmente, participa em projeto na área de Redes de Computadores com ênfase em Redes Cooperativassem fio e protocolos para este tipo de rede no Instituto de Engenharia de Sistemas e Computadores (INESC)do Porto em Portugal. Foi o terceiro colocado no I Concurso Teleco de Trabalhos de Conclusão de Curso (TCC) 2005. Email: faqzao@hotmail.com

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Categoria: VoIP

Nível: Introdutório Enfoque: Técnico

Duração: 20 minutos Publicado em: 29/05/2006

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Wireless VoIP: Introdução Desde muito tempo atrás a telefonia tem ajudado a resolver dados problemas com certa eficiência, pois reduzdistâncias e agiliza atividades. Esta eficiência contribuiu bastante para que as empresas tivessem grandeslucros e, desta forma, a utilização deste meio de comunicação se tornou indispensável para osempreendimentos que dependiam de um certo grau de eficiência para realização de suas tarefas. Com o tempo, a telefonia se popularizou vindo a ser uma necessidade de consumo para a sociedade. Mas ospreços do serviço telefônico começaram a se elevar e isto, que no início era barato, tornou-se um problemapara os empreendedores que visavam reduzir seus custos operacionais. Atualmente, o mercado oferece alternativas que podem reduzir tais custos operacionais, como a utilização defax ou e-mails, sendo que este último ainda tem um outro custo, pois precisa de um provedor. De certaforma, estas alternativas não são vantajosas já que sempre utilizarão a rede pública de telefonia. Diante da necessidade de uma alternativa mais viável, nasceu a idéia de utilizar a tecnologia VoIP(FOUNDRY, 2002) em redes sem fio, analisando se esta alternativa oferece uma qualidade melhor edesempenho equivalente aos serviços telefônicos atuais. A tecnologia VoIP é mais viável se comparada a telefonia pública, pois utiliza como meio de comunicação oar ao invés de cabos e ainda possui mecanismos de controle de qualidade. O principal objetivo deste trabalho é analisar a qualidade na comunicação de voz que utiliza a tecnologiaVoIP em redes sem fio padrão IEEE 802.11b (GAST, 2002), comparando seu desempenho com o datelefonia atual. Como os codecs têm papel importante no que diz respeito a uma utilização satisfatória domeio, a escolha do melhor codec é imperativa, se tornando um outro objetivo deste trabalho. Para a parte prática deste trabalho foi necessária a configuração de um link de sem fio entre dois hosts.Neste link realizou-se testes utilizando a tecnologia VoIP com os codecs GSM (Global System for MobileCommunications) 6.10 e ITU (International Telecommunication Union): G.711, G.726 e G.729, analisandoqual destes se sairia melhor sob as condições em que o meio está sujeito a interferências, considerando osseguintes critérios: tempo de resposta, atraso, taxa de transmissão, perda de pacotes, qualidade do link semfio e quantidade de chamadas simultâneas. Este tutorial se encontra dividido em outras 4 seções. A seção Padrão 802.11b e VoIP trata das definiçõesdo padrão e da tecnologia que são de importância para este trabalho, e apresenta os trabalhos relacionadosque foram considerados no desenvolvimento deste trabalho. Na seção Testes de Rede são mostrados os equipamentos juntamente com os testes e resultados obtidos narede. A sessão Simulação VoIP apresenta os conceitos que se deve saber antes da simulação VoIP e descreve asimulação propriamente dita. Na seção Considerações Finais são apresentadas as conclusões e as proposições de trabalhos futuros.

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Wireless VoIP: Padrão 802.11b e VoIP Esta sessão apresenta uma visão geral sobre o padrão 802.11b e a tecnologia VoIP, que são de interessedeste tutorial.

Padrão 802.11b (GAST, 2002) Também conhecido como rede sem fio (Wireless Local Area Network – WLAN), é uma tecnologia de redesde computadores, com as mesmas funcionalidades das redes de computadores com fio. Por meio do uso de radiofreqüência ou infravermelho é que as WLANs estabelecem a comunicação entre oscomputadores e dispositivos da rede, ou seja, não usam fios ou cabos. Os dados são transmitidos através deondas eletromagnéticas e várias conexões podem existir em um mesmo ambiente sem que uma interfira naoutra, permitindo, por exemplo, a existência de várias redes dentro de um prédio. Para isso, basta que asredes operem em freqüências diferentes. Através de algumas ferramentas, é possível até mesmointerconectar estas redes. O padrão 802.11 é uma arquitetura definida pelo Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos (Instituteof Electrical and Electronics Engineers – IEEE), para as redes sem fio, onde a área coberta pela rede échamada de Área Básica de Serviço (Basic Service Área – BSA). O tamanho da BSA depende dascaracterísticas do ambiente e da capacidade dos transmissores usados na rede. Existem outros tipos de padrão 802.11, onde cada um é dotado de características próprias, principalmente noque se refere à modulação, freqüência e velocidade de transmissão dos dados. Cada tipo é identificado poruma letra ao final do nome 802.11, como 802.11b, que utiliza o esquema de modulação de seqüência diretano espectro por dispersão (Direct Sequence Spread Spectrum – DSSS), tem uma freqüência de 2,4 GHz evelocidade de transmissão é de 11Mbit/s.

Voz sobre IP Também conhecido como Voz sobre Protocolo de Internet (Voice over Internet Protocol – VoIP). Estatecnologia permite a digitalização e codificação da voz e o encapsulamento desta em pacotes de dados IPpara a transmissão em uma rede que utilize os protocolos de transporte TCP ou UDP. Uma aplicação VoIP gera um volume de dados e é sensível ao atraso (HIRSEKORN, 2005) que afeta aqualidade de serviço (Quality of Service – QoS). Apesar de ser um protocolo de transporte confiável, oprotocolo de controle de transporte (Transmission Control Protocol – TCP) não suporta transmissão de vozem tempo real porque ele recupera os dados perdidos por retransmissão, assim o fornecimento dos dados,deve esperar por todas as retransmissões, gerando grandes atrasos. Já o protocolo de datagrama do usuário (User Datagrama Protocol – UDP) não tem esse problema, poisfornece um serviço orientado a datagrama, mas tem a desvantagem de ser não-confiável. Como atraso temquer evitado em aplicações de voz e na prática, a vazão máxima do 802.11b que uma aplicação VoIP podeobter é aproximadamente 5.9 Mbit/s utilizando TCP e 7.1 Mbit/s em UDP (ATHEROS, 2003), pode-seconcluir que o UDP é a melhor escolha dentre os protocolos de transporte.

Trabalhos Relacionados

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Vários trabalhos serviram de base para a organização e desenvolvimento deste trabalho sendo alguns derealmente grande ajuda para definições, resultados e conclusões obtidos no mesmo. Dentre esses trabalhos destacam-se:

(WI-FI, 2005) que mostra um experimento onde se obteve um link 802.11b entre dois pontosaproximadamente 200 Km distantes um do outro;(WANG, LIEW e LI, 2004) e (WANG, LIEW e NG, 2004) que tratam sobre o problema do númerode chamadas simultâneas sem fio em uma WLAN 802.11b abordando a utilização do esquema demulticast/multiplexing com o objetivo de solucionar este problema;(SINCLAIR, 2002) que oferece detalhes sobre as configurações propriamente dita da tecnologia emquestão;(CISCO, 2003) que mostra como são efetuados os cálculos utilizando informações sobre os codecscom o objetivo de revelar o quanto da rede é ocupada por estes codecs de fato assim como algumastécnicas para uma melhor utilização da banda;(CISCO, 2005) que mostra como funciona a compressão do cabeçalho RTP (compressed Real-timeTransport Protocol – cRTP) e como ele pode melhorar as chamadas simultâneas diminuindo ooverhead de cabeçalhos na rede;(KUHN, WALSH e FRIES, 2005) e (KUHN, 2004) que abordam estudos sobre latência, perda depacote e jitter de uma maneira aprofundada e abrangente, mencionando, também, a questão dasegurança em sistemas VoIP;(HIRSEKORN, 2005), (PERCY e HOMMER, 2003) e (BOGER, 1999) que tratam sobre latência,jitter e perda de pacotes, respectivamente, abordando o máximo aceitável para cada uma destasmétricas assim como mostrando alternativas para se obter um serviço que utiliza a tecnologia VoIPdentro dos padrões de qualidade de serviço.

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Wireless VoIP: Testes de Rede Os testes para este trabalho utilizaram uma variedade de equipamentos. Visto que esta heterogeneidadepoderia ter certa influência nos resultados dos mesmos, foi necessária a realização de testes nosequipamentos em questão além daqueles testes que foram realizados no cenário completo. É válido lembrar que os testes foram realizados em ambiente indoor e os equipamentos utilizados para asrealizações dos testes de interesse deste trabalho foram quatro computadores onde dois serviam de host e osoutros dois de firewalls para que tivéssemos um cenário próximo da realidade; dois pontos de acesso D-LinkDWL-900AP+; e um hub e um switch Encore de 8 portas. Os pontos de acesso foram configurados em modo bridge, utilizando SSID testbed, canal 6 e sem chaveWEP para a comunicação. Para a configuração do modo Wireless Bridge, basta informar o MAC do outroAP para o ponto de acesso em questão, ou seja, o MAC do AP2 é informado no AP1 e o MAC do AP1 noAP2. Os pontos de acesso estavam posicionados a aproximadamente 7 metros de distância, e com 30 cm dediferença de altura entre eles, onde nestes 7 metros de distância temos duas paredes, ambas com 10 cm deespessura e em uma das paredes existem canos de água, com isso causando uma interferência mínima nasondas.

Teste Inicial Foram realizados alguns testes com as ferramentas pchar e iperf, sendo consideradas as seguintes métricas:round-trip time (RTT), vazão (throughput), variação de atraso (jitter) e perda de pacotes (packet loss). Os computadores que fizeram parte dos testes foram: Notebook Mac e Computador 02. O hub utilizado é de10Mbit/s da Encore e os pontos de acesso utilizados são D-Link AP 900+, utilizando o firmware 3.07b1(AP1) e 3.07 (AP2). Como o hub utilizado é de 10Mbit/s, houve a necessidade de testar a sua vazão para verificar se estacapacidade influenciaria no desempenho do link sem fio. Com a ferramenta pchar e realizando testes emdois sentidos no cenário Host Hub 10Mbit/s Host, obteve-se uma vazão entre 9.81 e 9.88 Mbit/s, oque leva a conclusão que, apesar do hub ter uma capacidade baixa, ele não influencia no link. Observou-se também uma perda de 19% em um dos hosts (Notebook). Como no cenário seguinte ocorreuaproximadamente a mesma perda, conclui-se que o fato da placa Ethernet deste host ser on-boardinfluenciou em tal perda. Utilizando o iperf, foi observado que o jitter se encontra abaixo do limite máximo de 40 ms, como propostopor PERCY e HOMMER (2003), e a perda de pacotes, também, não excede o limite de 5% proposto porBOGER (1999). No cenário Host AP AP Host e também realizando os testes nos dois sentidos, obteve-se, nopchar, uma vazão entre 6.44 Mbit/s e 8.33 Mbit/s. Esta diferença ocorreu, pois os testes foram realizados emhorários diferentes, podendo-se concluir que fatores de degradação externa, como ondas de rádio, tenhaminfluenciado.

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Como o iperf permite o usuário mudar o tamanho do datagrama, foram realizados testes com tamanhosdiferentes incluindo o padrão de 1470 bytes. Os resultados mostraram que existe uma relação entre otamanho dos dados enviados, com os números pacotes enviados e a perda dos mesmos. Se o tamanho do datagrama for muito pequeno, haverá um grande número destes na rede acarretando emuma perda maior. Já se este tamanho exceder a unidade máxima de transmissão (Maximum TransmissionUnit – MTU) do meio, no caso da Ethernet que é de 1500 bytes, será necessária a fragmentação destesdatagramas para serem enviados exigindo mais processamento e levando, também, a uma perda de pacoteselevada.

Teste no Cenário Final O cenário completo envolve os seguintes dispositivos e seus respectivos IP’s:

Host 1 Switch Firewall1 AP1 AP2 Firewall2 Hub Host2 Neste cenário foram realizados os testes com a ferramenta pchar nos dois sentidos, considerando os mesmosaspectos que foram observados nos testes preliminares, ou seja, nos cenários anteriores. A Tabela 1 mostraos resultados obtidos no cenário final. O tempo de resposta fica na média entre 1 a 1,5 ms o qual é considerado um tempo regular para redes semfio. Entretanto, em alguns casos, obteve-se uma perda de pacote razoavelmente alta, acima de 10%, masapesar deste fato ter ocorrido neste tipo de teste, não foi notado nenhuma redução na banda do link sem fio,e essa perda não somente ocorreu no link sem fio como na própria rede cabeada, o que leva a conclusão quetambém as placas de redes utilizadas e, no caso do link sem fio, a interferência ocorrida no momento tiveramgrande influência.

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Tabela 1: Resultados obtidos no Cenário Final.

Sentido 1Host 1 Host 2

Saltos Perda Parcial RTT Parcial Vazão

1 6,6% 0,16 ms 44,86 Mbit/s

2 23,7% 1,64 ms 7,55 Mbit/s

3 21,5% 1,68 ms 8,49 Mbit/s

4 - 1,86 ms -

Gargalo 7,55 Mbit/s

Sentido 2Host 2 Host 1

Saltos Perda Parcial RTT Parcial Vazão

1 19,8% 0,12 ms 9,92 Mbit/s

2 6,8% 1,48 ms 6,49 Mbit/s

3 3,6% 1,59 ms 31,18 Mbit/s

4 - 1,59 ms -

Gargalo 6,49 Mbit/s

No teste seguinte foi utilizado o iperf, para medição tanto da perda de pacotes quanto do jitter, utilizandodiferentes tamanhos de pacotes e bandas, testando o link com uma banda teórica de 1 Mbit/s, 2 Mbit/s 5.5Mbit/s e 11 Mbit/s, descobrindo qual é a real vazão e o jitter considerando também o tamanho do pacoteenviado pela rede. Os testes realizados com o iperf tiveram a duração de 60 segundos e cada teste foi realizado três vezes. AsTabelas 2 e 3 mostram as médias, para cada banda teórica (11, 5.5, 2 e 1 Mbit/s), das variações na bandareal, pacotes perdidos e jitter quando se tem tamanho de payload diferentes, tendo o Host 1 como cliente eservidor, respectivamente. Pode-se notar que o tamanho do pacote interfere muito, tanto no jitter quanto na banda real obtida etambém no número de pacotes perdidos. Basicamente, a regra é quanto menor o pacote, menor a banda real,e quanto maior o pacote, maior a banda real obtida, desde que não ultrapasse o MTU da tecnologia. Casoisso aconteça, tem-se uma perda na banda real. Isso ocorre porque para ter uma vazão satisfatória é necessário utilizar o datagrama de forma racional, poiscaso ele seja muito pequeno, haverá muitos pacotes a serem transmitidos, e isso, sim, implica em umoverhead na comunicação e na capacidade de processamento dos equipamentos. Já os pacotes maiores, queaproveitam melhor a banda disponível, não causam essa carga nos equipamentos. Entretanto não se pode afirmar com precisão como o jitter se comporta, porque em certos casos, mesmocom pacotes grandes, ele acaba sendo alto, e algumas vezes, com pacotes pequenos, não. Infelizmente ojitter é uma variável muito instável, e só se pode afirmar que na maior parte do testes ele se manteve abaixo

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de 1 ms, embora não tenha ocorrido em todas as ocasiões, mas mantendo, mesmo assim, uma média dentrodos padrões. A partir desses dados resultantes dos testes com o pchar e iperf, pode-se analisar que em condições normais,basicamente obteve-se uma média entre 5.5 Mbit/s e 7.5 Mbit/s de banda “real” no link de dados, utilizandopacotes de tamanho ideal para alcançar uma vazão alta. Desta maneira pode-se calcular uma média de quanto será utilizada para os cálculos nos testes simulandopacotes VoIP, que mesmo sendo “pequenos”, eles se comportam de maneira diferente dos testes realizadospor essas ferramentas. Eles apresentam uma certa uniformidade no seu envio, sendo eles de tamanhos exatos e de enviocadenciado, sempre com uma ocupação fixa da banda por segundo e também com pacotes por segundo,limitando-se a não ocupar toda a banda disponível.

Tabela 2: Host como cliente.

Média Banda Teórica (11 Mbit/s)

Média Banda Teórica (5,5 Mbit/s)

Payload Jitter Banda RealPacotes

PerdidosJitter Banda Real

PacotesPerdidos

80 4,69 ms 676 Kbit/s 94% 9,10 ms 680 Kbit/s 88%

100 4,35 ms 836 Kbit/s 92% 1,11 ms 840 Kbit/s 85%

130 4,83 ms 1,08 Mbit/s 90% 4,68 ms 1,08 Mbit/s 80%

180 4,59 ms 1,44 Mbit/s 87% 14,01 ms 1,46 Mbit/s 74%

250 0,35 ms 1,92 Mbit/s 83% 8,97 ms 1,89 Mbit/s 65,6%

520 4,65 ms 3,53 Mbit/s 68% 4,64 ms 3,40 Mbit/s 38%

1470 4,25 ms 6,01 Mbit/s 45% 0,24 ms 5,45 Mbit/s 0,90%

1600 18,13 ms 108 Kbit/s 99% 4,92 ms 2,57 Mbit/s 49%

Média Banda Teórica (2 Mbit/s)

Média Banda Teórica (1 Mbit/s)

Payload Jitter Banda RealPacotes

PerdidosJitter Banda Real

PacotesPerdidos

80 0,44 ms 676 Kbit/s 66% 0,363 ms 694 Kbit/s 31%

100 4,81 ms 828 Kbit/s 58,60% 0,324 ms 857 Kbit/s 14%

130 0,40 ms 1,03 Mbit/s 48% 0,154 ms 999 Kbit/s 0,08%

180 4,40 ms 1,44 Mbit/s 27,60% 0,329 ms 998 Kbit/s 0,15%

250 0,34 ms 1,94 Mbit/s 3,20% 0,152 ms 999 Kbit/s 0,10%

520 0,27 ms 1,86 Mbit/s 6,88% 0,214 ms 998 Kbit/s 0,19%

1470 0,99 ms 1,98 Mbit/s 0,90% 0,461 ms 993 Kbit/s 0,69%

1600 2,02 ms 1,79 Mbit/s 2,70% 6,06 ms 900 Kbit/s 1,93%

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Tabela 3: Host 1 como Servidor.

Média Banda Teórica (11 Mbit/s)

Média Banda Teórica (5,5 Mbit/s)

Payload Jitter Banda RealPacotes

PerdidosJitter Banda Real

PacotesPerdidos

30 12.85 ms 263,63 Kbit/s 91% 12,32 ms 259,33 Kbit/s 91%

50 12.84 ms 513,33 Kbit/s 90% 11,48 ms 429,33 Kbit/s 90%

80 13.02 ms 670,66 Kbit/s 87% 8,28 ms 668,33 Kbit/s 88%

100 7.91 ms 827,66 Kbit/s 86% 8,96 ms 821 Kbit/s 85%

130 6.12 ms 1,05 Mbit/s 84% 8,93 ms 1,04 Mbit/s 81%

180 8.93 ms 1,40 Mbit/s 80% 9,02 ms 1,41 Mbit/s 74%

250 7.32 ms 1,85 Mbit/s 76% 9,11 ms 1,84 Mbit/s 66%

520 6.22 ms 3,24 Mbit/s 63% 4,64 ms 3,27 Mbit/s 40%

1470 3.61 ms 5,90 Mbit/s 38% 0,13 ms 5,50 Mbit/s 0,10%

1600 16.09 ms 93,03 Kbit/s 99% 4,53 ms 1,68 Mbit/s 66%

Média Banda Teórica (2 Mbit/s)

Média Banda Teórica (1 Mbit/s)

Payload Jitter Banda RealPacotes

PerdidosJitter Banda Real

PacotesPerdidos

30 4,85 ms 259 Kbit/s 87% 9,22 ms 255,33 Kbit/s 74%

50 4,65 ms 425,66 Kbit/s 79% 0,527 ms 420 Kbit/s 58%

80 4,78 ms 669,33 Kbit/s 67% 4,95 ms 660,66 Kbit/s 33%

100 0,48 ms 823,33 Kbit/s 59% 0,55 ms 818,33 Kbit/s 18%

130 0,558 ms 922,66 Kbit/s 53% 0,35 ms 994,66 Kbit/s 1%

180 0,61 ms 1,37 Mbit/s 31% 0,061 ms 1 Mbit/s 0%

250 0,45 ms 1,82 Mbit/s 9% 0,014 ms 1 Mbit/s 2%

520 0,035 ms 2,00 Mbit/s 0% 0,037 ms 1 Mbit/s 0%

1470 0,046 ms 2,00 Mbit/s 0% 0,12 ms 1 Mbit/s 0%

1600 0,049 ms 1,84 Mbit/s 0% 0,27 ms 918 Kbit/s 1%

Existem também os programas que fazem o uso de buffers e enviam vários pacotes em uma rajada ao invésde enviarem continuamente os pacotes sem a utilização destes buffers com isso poupando a banda, por nãoencher o link continuamente com pacotes.

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Wireless VoIP: Simulação VoIP Esta seção mostra os cálculos para se obter o número de chamadas que um link pode ter e a simulação VoIPpropriamente dita. Para os cálculos e simulação foi considerada uma banda de 5436 Kbit/s (~5.4 Mbit/s).

Cálculos de Chamadas Nesta seção são mostradas as fórmulas e informações sobre os cabeçalhos de cada camada e codecs queforam de grande importância para os cálculos realizados neste trabalho. A Tabela 4 mostra as fórmulas paracalcular quanto cada conexão VoIP ocupa em cada parte do cenário.

Tabela 4: Fórmulas para cálculo de conexão VoIP.

Fórmulas

Tamanho Total do PacoteCabeçalhos camada 2 + IP/UDP/RTP + tamanho do payload de voz (Eq.1)

Pacotes por segundo (PPS) bit rate do codec / tamanho do payload de voz (Eq. 2)

Banda por Chamada Tamanho Total do Pacote * pps (Eq. 3)

Como, para a realização dos cálculos, é importante saber detalhes sobre os cabeçalhos das camadasenvolvidas nos experimentos, a Tabela 5 mostra o tamanho (em bytes) dos cabeçalhos destas camadas.

Tabela 5: Camadas e seus respecitvos cabeçalhos.

Cabeçalhos Tamanho (bytes)

Ethernet camada 2 26

WiFi camada 2 (com FCS) 34

IP 20

UDP 8

RTP 12

Como exemplo, mostram-se aqui os cálculos para o codec G.711 que possui as seguintes características(Tabela 6). Mais adiante são mostrados detalhes dos outros codecs abordados neste trabalho.

Tabela 6: Informações sobre o codec G.711.

G.711

Bit Rate 64 Kbit/s

Payload de voz 160 bytes – 20 ms

PPS 50

Caso não se tenha essas informações, podem-se obter algumas delas com base em algumas informações docodec como bit rate e payload. Para isso, utiliza-se a Equação 4 abaixo, isto é efetivo apenas para cálculosde consumo de banda:

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Bit Rate do Codec = tamanho do payload de Voz (bytes) / tempo do payload de Voz (ms) (Eq. 4) Como se tem todas as informações sobre o codec, os cálculos para se ter o quanto é consumido do link poreste codec são realizados a seguir. É importante lembrar que são mostrados três cálculos. O primeiro cálculo informa o quanto do link éconsumido de fato; o segundo revela este valor quando o meio envolve a camada 2 tendo como meio opadrão IEEE 802.3 (Ethernet); e o terceiro que também considera a camada 2, mas agora tendo-se comomeio o padrão IEEE 802.11(Wi-Fi). Estes cálculos se baseiam na Equação 5 abaixo.

Banda consumida = [((Camada 2+Cabeçalhos IP+UDP+RTP) + payload) * 8 bits / byte] * pps (cobre)(Eq. 5) Cálculo 1: Não considerando a camada 2 e cabeçalhos IP+UDP+RTP:

Banda consumida = [(40 bytes + 160 bytes) * 8 bits por byte] * 50 pps;Banda consumida = 80000 bit/s = 80 Kbit/s.

Cálculo 2: Considerando a camada 2 IEEE 802.3 e cabeçalhos IP+UDP+RTP:

Banda consumida = [(66 bytes + 160 bytes) * 8 bits por byte] * 50 pps;Banda consumida = 90400 bit/s = 90,4 Kbit/s.

Cálculo 3: Considerando a camada 2 IEEE 802.11 e cabeçalhos IP+UDP+RTP:

Banda consumida = [(74 bytes + 160 bytes) * 8 bits por byte] * 50 pps;Banda consumida = 93600 bit/s = 93,6 Kbit/s.

O cálculo 3 informa exatamente quanto o codec G.711 utiliza do link em uma rede que tem como meio opadrão IEEE 802.11, e, conseqüentemente, quantas conexões VoIP pode-se ter utilizando esse codec:Link = 5.4 Mbit/s => Número de Chamadas = 5436 Kbit/s / 93,6 Kbit/s = ~58.08 = 58 caminhos / 2 = 29chamadas. Logo, há 29 conexões VoIP, pois no cálculo realizado é considerado apenas um stream, ou seja, para se teruma conversão, o usuário do outro lado da comunicação também é considerada como um stream, assim,para se ter para uma conexão são necessários 2 streams. Daí a necessidade de se dividir por 2 o resultadopara obter o número exato de conexões no link. O arredondamento é sempre feito para baixo, pois não é correto arredondar de maneira estatística, já queassim pode-se ultrapassar o limite de 5436 Kbit/s (~5.4 Mbit/s), o qual foi fixado como o máximo possível aser atingido pelo link de rede sem fio. A Tabela 6 mostra os resultados dos cálculos para os codecs.

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Tabela 6: Resultados dos cálculos para cada codec.

Cálculos de Banda

Codec

TamanhoPayloadde Voz(Bytes)

TempoPayload deVoz (ms)

Pacotespor

Segundo(PPS)

Bandasem

cabeçalho(Kbit/s)

Banda comcabeçalhoWireless802.11

(Kbit/s)

Banda comcabeçalho

Ethernet 802.3(Kbit/s)

ChamadasVoiP

(Banda =~5.4 Mbit/s)

GSM6.10(13,2

Kbit/s)

33 20 50 29,2 42,8 39,6 63

G.711(64

Kbit/s)160 20 50 80 93,6 87.2 29

G.726(32

Kbit/s)80 20 50 48 61,6 55.2 44

G.729(8

Kbit/s)20 20 50 24 37,6 31.2 72

Simulação VoIP Para realizar a simulação VoIP, foi necessário criar um programa para gerar o tráfego necessário, pois oiperf, que era o gerador utilizado, infelizmente não funcionou satisfatoriamente na geração de tráfegoquando era usado conexões paralelas, e tinha um limite virtual de 30 conexões; se este limite fosse excedido,o teste não poderia ser executado. Entretanto, para somente uma conexão ocorreram problemas. Então, foram utilizados os seguintes softwaresem conjunto para realizar o teste: voip traffic generator (de autoria do grupo), ping e iperf. O voip trafficgenerator gerava o tráfego de acordo com as necessidades dos codecs e quantas conexões fossemnecessárias, o ping registrava o round-trip time e o iperf analisava o jitter e a perda de pacotes. Com essas ferramentas, os testes foram realizados e obtivemos os resultados mostrados nos gráficos a seguir.O Gráfico 1 mostra o número de chamadas VoIP que cada codec por oferecer de acordo com uma dadautilização da banda; o Gráfico 2 mostra a variação do jitter pela utilização da banda; o Gráfico 3 mostra avariação do RTT nestas diferentes cargas utilizadas da banda; e, o Gráfico 4 revela a perda de pacotes quecada codec tem nas diferentes cargas testadas.

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Gráfico 1: Número de Chamadas.

É importante ressaltar que as métricas avaliadas são mostradas com base na carga que cada codec impõe nabanda (~5.4Mbit/s), ou seja, de acordo com a utilização que os mesmos fazem da banda. Nestes testes foramconsiderados que os codecs utilizam toda banda disponível (100%), metade (50%) e, também, um quarto(25%) da mesma. Deve-se entender o limite que aparece nos gráficos como o ponto máximo das métricas avaliadas nestestestes onde, quando obedecido, não haverá problemas com os padrões de qualidade explicadosanteriormente. Foram calculadas as médias (Gráficos 2, 3 e 4) com 95% de confiança e através do teste visual (JAIN, 1991)pode-se perceber que estas médias são diferentes. Por exemplo, considerando o codec G.711 utilizando100% da banda, obteve-se como resultado o seguinte: 29 chamadas (Gráfico 1), 3.78 ms de jitter (Gráfico2), 243.492 ms de RTT (Gráfico 3) e 13,9 % de perda de pacotes (Gráfico 4).

Gráfico 2: Variação do Jitter.

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Gráfico 3: Round-Trip Time.

Gráfico 4: Perdas de Pacotes.

Pode-se ver pelos gráficos que o limite (ponto máximo para manter qualidade) de chamadas da maioria doscodecs (Gráfico 1) foi o mesmo (12 chamadas), ou seja, é necessário considerar as demais métricas para veraquele que pode ser classificado como o melhor dentre eles. Observando os limites dos Gráficos 2, 3 e 4, pode-se concluir que o codec GSM 6.10 é o melhor codec, poisapesar de ter uma perda de pacotes de quase 5% esta ainda se encontra dentro do limite proposto porBOGER (1999). Mas, durante os testes, foi notado no gerador de tráfego que o ponto de acesso, em um período de 5 minutos,recebeu em média 317000 pacotes, permitindo calcular a capacidade média de roteamento do ponto deacesso. Assim, descobriu-se que o ponto de acesso só conseguia rotear aproximadamente 1056 pacotes porsegundo, desta maneira limitando radicalmente os testes. Isso explica o porquê do limite de chamadas ter ficado entre 10 e 12 chamadas VoIP. Mesmo que existabanda disponível suficiente, o equipamento não consegue rotear um número maior de pacotes, começando,então, a se livrar dos pacotes que excedam este limite, provavelmente por falta de poder de processamento.

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Logo, dizer qual é o melhor ou o pior codec é uma tarefa não muito fácil, pois além das interferências queinfluenciaram no ambiente tiveram-se, também, os limites impostos pelos próprios equipamentos utilizados.Mas mesmo com as interferências e limites os codecs ainda mantiveram seus limites dentro daquelespropostos anteriormente. Apontar o melhor ou o pior codec vai depender de onde se quer utilizar os mesmo, além, logicamente, deconsiderar os testes deste trabalho. Também é válido explicar o motivo de não aparecerem os protocolos SIP(SCHULZRINNE e ROSENBERG, 1998) e H.323 (TRILLIUM, 1999) nos testes. Somente os codecs foramtestados, pois são eles que realmente ocupam o link da rede e é neles que está a qualidade da voz. Os protocolos SIP e H.323 são utilizados para o setup (início e finalização da conexão e outrasfuncionalidades), mas não para o transporte de dados. Logo, não existe uma necessidade de testar essesprotocolos, pois os mesmos não irão apresentar uma grande diferença na comunicação e só são utilizados noinicio da comunicação, ou seja, o overhead que eles criam na rede é mínimo, logo só é interessantesimular as conexões já em andamento que é onde elas realmente ocupam a rede. Apesar dos resultados terem sido visivelmente prejudicados pela falta de equipamentos e programas queatendessem a demanda do trabalho, o limite não ultrapassou de 12 chamadas simultâneas, onde deveria seobter uma média muito melhor que esta apresentada. Acredita-se que esta média deveria estar entre 25% e50% com total certeza que não excederia os padrões de qualidade apresentados.

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Wireless VoIP: Considerações Finais Neste trabalho a tecnologia VoIP foi estudada com o objetivo de analisar seu desempenho juntamente com aescolha do melhor codec Demonstrou-se, através de experimentos, que apesar de se ter utilizadoequipamentos que não atenderam a demanda deste trabalho, conseguiu-se chegar ao objetivo que era acharuma solução satisfatória para o problema proposto. Não se conseguiu apontar o melhor ou o pior codec, pois dados a interferência no ambiente e o limite dosequipamentos, estes acabaram tendo quase o mesmo desempenho. Mas pode-se, sim, apontar o melhorcodec de acordo sua utilização levando em consideração, também, os resultados dos testes apresentadosneste trabalho. Para trabalhos futuros, sugere-se uma análise profunda sobre quantas conexões simultâneas pode-se ter nestemeio sem fio e a viabilidade da utilização da tecnologia VoIP em redes padrão IEEE 802.11b em ambienteoutdoor assim como um estudo de técnicas de tarifação para as chamadas VoIP; a utilização de codecs maisavançados (com bit rate variado e mudanças nas opções de codec como o tamanho do payload da voz); etambém técnicas para melhorar a utilização da banda como cRTP em redes do tipo Ethernet e Wi-Fi que nãooferecem suporte a este tipo de compressão, como afirmado por CISCO (2003).

Referências ATHEROS COMMUNICATIONS. Methodology for Testing Wireless LAN Performance with Chariot.TechOnLine – Educational Resources, [S.l], out. 2003.Disponível em: http://www.super-ag.com/atheros_benchmark_whitepaper.pdf.Acesso em: 19/08/2005. BOGER, Y. Fine-tuning Voice over Packet services. Protocols.com – Tech Papers, Paramus, NJ, 1999.Disponível em: http://www.protocols.com/papers/voip2.htm.Acesso em: 05/08/2005. CISCO SYSTEMS. Voice Over IP - Per Call Bandwidth Consumption. Tech Notes, [S.l], jun. 2003.Disponível em: http://www.cisco.com/warp/public/788/pkt-voice-general/bwidth_consume.html.Acesso em: 23/08/2005. CISCO SYSTEMS. Understanding Compression (Including cRTP) and Quality of Service. Tech Notes, [S.l],2005.Disponível em: http://www.cisco.com/warp/public/105/compression-qos.html.Acesso em: 20/08/2005. FOUNDRY NETWORKS. Voice over IP. White Paper, [S.l], out. 2002.Disponível em: http://www.foundrynet.com/solutions/appNotes/VoIP.html.Acesso em: 20/07/2005 GAST, M. 802.11 Wireless Networks: The Definitive Guide. 1. ed. Sebastopol, CA: O´Reilly, 2002.HIRSEKORN, J. Timing is Everything for VoIP Success. Electronic Engineering Times, [S.l], jan. 2005.Disponível em: http://www.eetasia.com/ARTICLES/2005JAN/B/2005JAN03_NTEK_TA.pdf.Acesso em: 10/08/2005.

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JAIN, R. The Art of Computer Systems Performance Analysis: Techniques for Experimental Design,Measurement, Simulation and Modeling. 1. ed. Nova York: John Wiley & Sons Inc, 1991. KUHN, R; WALSH, T; FRIES, S. Security Considerations for Voice Over IP: Systems Recommendations ofthe National Institute of Standards and Technology. National Institute of Standards and Technology, SpecialPúblication 800-58, [S.l], jan. 2005.Disponível em: http://csrc.nist.gov/publications/nistpubs/800-58/SP800-58-final.pdf.Acesso em: 15/08/2005. KUHN, R. Voice Over Internet Protocol (VOIP) SECURITY. National Institute of Standards andTechnology, [S.l], 2004.Disponível em: http://csrc.nist.gov/ispab/2004-06/kuhn_2004_06_ispab.pdf.Acesso em: 17/07/2005. PERCY, K; HOMMER, M(Network World Global Test Alliance). Tips from the trenches on VoIP. NetworkWorld, [S.l], jan. 2003.Disponível em: http://www.networkworld.com/research/2003/0127voip.html?net.Acesso em: 24/07/2005. SCHULZRINNE, H; ROSENBERG, J. The Session Initiation Protocol: Providing Advanced TelephonyServices Across the Internet. Bell Labs Technical Journal, [S.l], v. 3. 1998.Disponível em: http://www.cs.columbia.edu/~hgs/papers/Schu9810_Session.pdf.Acesso em: 26/08/2005. SINCLAIR, J. Configuring Cisco Voice Over IP Documentation. Rockland, MA, Syngress, 2002. Disponívelem: http://www.cisco.com.Acesso em: 18/08/2005. TRILLIUM. H.323. Web Proforum Tutorials – The International Engineering Consortium, [S.l], 1999.Disponivel em: http://www.iec.org/online/tutorials/h323/topic01.html.Acesso em: 13/07/2005 WANG, W; LIEW, S; LI, V. Solutions to Performance Problems in VoIP Over a 802.11 Wireless LAN.IEEE Transactions on vehiculartechnology. [S.l], v. 54, n.1, jan. 2004.Disponível em: http://www.ie.cuhk.edu.hk/fileadmin/staff_upload/soung/Journal/J1.pdf.Acesso em: 30/04/2005. WANG, W; LIEW, S; NG, P. Voice over Wireless LAN via Wireless Distribution System. IEEE VehicularTechnology Conference. Los Angeles, U.S.A. set. 2004.Disponível em: http://www.ie.cuhk.edu.hk/fileadmin/staff_upload/soung/Conference/C4.pdf.Acesso em: 02/05/2005. WI-FI TOYS. New World Record for Wi-Fi Distance: 125 Miles Article.Wi-Fi Toys, USA, 2005.Disponível em: http://www.wifi-toys.com/wi-fi.php?a=articles&id=91.Acesso em: 15/08/2005.

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Wireless VoIP: Teste seu Entendimento 1. Quais são os principais objetivos dos testes da tecnologia Wireless VoIP realizados no contexto destetrabalho?

Analisar a qualidade obtida na comunicação via internet comparando seu desempenho com o datelefonia atual, e escolher o melhor CPE para uso na rede Wireless testada.

Analisar a qualidade obtida na sinalização de voz comparando seu desempenho com o da telefoniaatual, e escolher o melhor Access Point para uso na rede Wireless testada.

Analisar a qualidade obtida na comunicação de voz comparando seu desempenho com o da telefoniaatual, e escolher o melhor codec para uso na rede Wireless testada.

Analisar a qualidade obtida na comunicação entre elementos de rede comparando seu desempenhocom o da telefonia atual, e escolher o melhor gateway para uso na rede Wireless testada.

2. Nos teste iniciais realizados com os equipamentos da rede a ser simulada, verificou-se que o tamanhodo pacote IP interfere:

Tanto no jitter quanto na banda real obtida e também no número de pacotes perdidos.

Tanto no jitter quanto na banda teórica e também no número de pacotes perdidos.

Tanto no jitter quanto na banda real obtida e também no número de pacotes enviados.

Tanto no jitter quanto na banda teórica e também no número total de pacotes.

3. No contexto dos testes realizados, a qualidade da Voz depende:

Do protocolo SIP utilizado.

Do codec utilizado.

Do protocolo H.323 utilizado.

Do gateway utilizado.

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