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Seite 2 - Ursachen und Analyse von Paketverlusten
Kritische Echtzeitapplikationen
Reine Datenapplikationen basieren in der Regel auf dem TCP-Protokoll. Da es sich bei diesem Transportprotokoll um einen zuverlässigen Übertragungsmechanismus handelt, werden Datenverluste vom Sender bemerkt und erneut auf die Reise geschickt. Dagegen setzen Echtzeitapplikationen wie VoIP oder Video over IP auf dem verbindungslosen UDP-Protokoll auf. Dieser Übertragungsmechanismus verfügt über keine Kontroll- und Sicherungsmechanismen. Aus diesem Grund verschwinden verloren gegangene Pakete für immer und werden vom Sender nicht mehr erneut übertragen. Um einem Datenverlust aufgrund von UDP-Übertragungen entgegen zu wirken, sollte das Netzwerk so konzipiert sein, dass bei Überlastung die Pakete zwar verworfen werden, aber die den Datenstrom nutzende Applikationen über Maßnahmen zum Ausgleich der Paketverluste verfügen.
Eine Möglichkeit zur Reduzierung der Paketverluste besteht in der Implementierung einer Priosierung in Form von von Ende-zu-Ende QoS-Mechanismen. Durch die Priorisierung werden die Pakete nach bestimmten Eigenschaften vom Eingangs-Port der Koppelkomponente markiert. Die nachfolgende Switch/Routing-Logik kann anhand dieser Markierungen entscheiden, welche Pakete bei Überlast verworfen werden können. In der Regel werden Echtzeitapplikationen so markiert, dass diese bei der Übermittlung über Switches/Router über eine hohe Priorität verfügen und diese nicht verworfen werden. Außerdem werden diese Pakete in den Eingangswarteschleifen von den Queueing-Mechanimen so sortiert, dass diese möglichst unverzögert übertragen werden.
Bei einer korrekt implementierten Priorisierung können Echtzeitapplikationen über hoch ausgelastete Netzwerke problemlos funktionieren. Treten trotz korrekter Priorisierung Paketverluste auf, haben diese unterschiedliche Auswirkungen auf die Echtzeitapplikationen. Bei VoIP gehen durch Paketverluste bestimmte Sprachinformationen verloren. Diese wirken sich in Form eines Knackens oder Rauschens beim Empfänger aus. Paketverluste bei der Übermittlung von Videoströmen resultieren in Bildfragmenten und die Brillanz der dargestellten Bilderfolge leidet darunter. Man unterscheidet zwischen folgenden Arten von Paketverlusten:
Bild 2: Im Gleichschritt: Die PESQ-Werte der verschiedenen Codes verhalten sich bei Paketverlusten ähnlich
Fehler abschätzen
Bei VoIP werden darüber hinaus die Pakete zusätzlich mit einem RTP-Header versehen. Dadurch lassen sich die einzelnen Pakete den jeweiligen Streams zuordnen. Außerdem erhält der Kommunikationsprozess die Möglichkeit zur Feststellung der aufgetretenen Paketverluste. Da die Codecs unterschiedlich auf Paketverluste reagieren, müssen die Paketverluste bei VoIP auf andere Art und Weise kompensiert werden.
Hier kommt die so genannte Packet Loss Concealment-Technik (PLC) zur Unterdrückung der Auswirkung von Paketverlusten zum Einsatz. Kurzzeitige Aussetzer im digitalen Datenstrom lassen sich damit überbrücken. Die Aufgabe der PLC-Technik beim Empfänger 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 Verlusts sowie der Menge verfügbarer Information von den umliegenden Sprachrahmen. Das Ersetzen verlorener Sprachrahmen wird im Falle stark komprimierender Sprachcodecs noch dadurch erschwert, dass es aufgrund der Abhängigkeiten zwischen aufeinander folgenden Rahmen zu Fehlerfortpflanzung über die verlorenen Rahmen hinaus kommt.
Das einfachste PLC-Verfahren ersetzt die verlorenen Daten durch Stille. Aufwändigere Verfahren halten den letzten übertragenen Ton oder versuchen den Ton zu interpolieren. Ältere Systeme nutzen die so genannte Waveform-Substitution, wodurch die verloren gegangenen Signale durch künstlich erzeugte Ersatzsignale aufgefüllt werden. Dieses Verfahren führt bei hohen Paketverlusten jedoch oft zu einer unnatürlichen Stimme. Neuere Algorithmen interpolieren die entstandenen Signallücken und erzielen eine bessere Klangqualität. Diese geht jedoch auf Kosten der hierfür notwenigen Rechenkapazitäten. Im Allgemeinen können Aussetzer mit einer Länge von bis zu 30 ms beziehungsweise mit einer Verlustrate von bis zu 20 Prozent überbrückt werden, ohne dass der Empfänger dies wahrnimmt.
Analyse des VoIP-Traffics
Mit Hilfe eines VoIP-Analysators wird die Anzahl der verlorenen gegangenen Pakete angezeigt und diese in Echtzeit visualisiert. Durch eine genaue Ursachenforschung können auf Basis der aufgezeichneten VoIP-Pakete die notwendigen Maßnahmen eingeleitet werden, um die Paketverluste im Netzwerk zu reduzieren. In Bild 2 sind die Auswirkungen von Paketverlusten auf unterschiedliche Codecs dargestellt. Als Referenz haben wir den PESQ-Algorithmus gewählt. In unserem Test wurden über eine LAN-Strecke VoIP-Telefonate simuliert. Auf dem Testnetz traten unterschiedlich hohe Paketverluste auf.
Um die Paketverluste in einem Netzwerk zu analysieren, benötigen Sie einen VoIP-Paketanalysator. Diesen schließen Sie an einen Test Access Points oder einen Mirror Port auf einem Switch an. Gleichzeitig speisen Sie mit Hilfe eines VoIP-Analysators echte Telefonate (und unter Umständen auch andere Verkehrstypen) in das Netzwerk ein. Der VoIP-Analysator filtert aus den Daten die entsprechenden VoIP-Daten aus und wertet diese empfangenen Datenströme aus. Bei der Analyse werden die empfangenen RTP-Streams bewertet. Tauchen Fehler in den VoIP-Streams auf, wertet der Analysator diese aus und zeigt die Paketverluste an. Auf Basis der aufgezeichneten VoIP-Pakete können Sie die Ursachen für die Paketverluste im Netzwerk ermitteln und die notwendigen Gegenmaßnahmen einleiten.
Mathias Hein/dr/ln
Reine Datenapplikationen basieren in der Regel auf dem TCP-Protokoll. Da es sich bei diesem Transportprotokoll um einen zuverlässigen Übertragungsmechanismus handelt, werden Datenverluste vom Sender bemerkt und erneut auf die Reise geschickt. Dagegen setzen Echtzeitapplikationen wie VoIP oder Video over IP auf dem verbindungslosen UDP-Protokoll auf. Dieser Übertragungsmechanismus verfügt über keine Kontroll- und Sicherungsmechanismen. Aus diesem Grund verschwinden verloren gegangene Pakete für immer und werden vom Sender nicht mehr erneut übertragen. Um einem Datenverlust aufgrund von UDP-Übertragungen entgegen zu wirken, sollte das Netzwerk so konzipiert sein, dass bei Überlastung die Pakete zwar verworfen werden, aber die den Datenstrom nutzende Applikationen über Maßnahmen zum Ausgleich der Paketverluste verfügen.
Eine Möglichkeit zur Reduzierung der Paketverluste besteht in der Implementierung einer Priosierung in Form von von Ende-zu-Ende QoS-Mechanismen. Durch die Priorisierung werden die Pakete nach bestimmten Eigenschaften vom Eingangs-Port der Koppelkomponente markiert. Die nachfolgende Switch/Routing-Logik kann anhand dieser Markierungen entscheiden, welche Pakete bei Überlast verworfen werden können. In der Regel werden Echtzeitapplikationen so markiert, dass diese bei der Übermittlung über Switches/Router über eine hohe Priorität verfügen und diese nicht verworfen werden. Außerdem werden diese Pakete in den Eingangswarteschleifen von den Queueing-Mechanimen so sortiert, dass diese möglichst unverzögert übertragen werden.
Bei einer korrekt implementierten Priorisierung können Echtzeitapplikationen über hoch ausgelastete Netzwerke problemlos funktionieren. Treten trotz korrekter Priorisierung Paketverluste auf, haben diese unterschiedliche Auswirkungen auf die Echtzeitapplikationen. Bei VoIP gehen durch Paketverluste bestimmte Sprachinformationen verloren. Diese wirken sich in Form eines Knackens oder Rauschens beim Empfänger aus. Paketverluste bei der Übermittlung von Videoströmen resultieren in Bildfragmenten und die Brillanz der dargestellten Bilderfolge leidet darunter. Man unterscheidet zwischen folgenden Arten von Paketverlusten:
- Einzelne und sporadische Paketverluste und
- Bursts an Paketverlusten.
Bild 2: Im Gleichschritt: Die PESQ-Werte der verschiedenen Codes verhalten sich bei Paketverlusten ähnlich
Fehler abschätzen
Bei VoIP werden darüber hinaus die Pakete zusätzlich mit einem RTP-Header versehen. Dadurch lassen sich die einzelnen Pakete den jeweiligen Streams zuordnen. Außerdem erhält der Kommunikationsprozess die Möglichkeit zur Feststellung der aufgetretenen Paketverluste. Da die Codecs unterschiedlich auf Paketverluste reagieren, müssen die Paketverluste bei VoIP auf andere Art und Weise kompensiert werden.
Hier kommt die so genannte Packet Loss Concealment-Technik (PLC) zur Unterdrückung der Auswirkung von Paketverlusten zum Einsatz. Kurzzeitige Aussetzer im digitalen Datenstrom lassen sich damit überbrücken. Die Aufgabe der PLC-Technik beim Empfänger 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 Verlusts sowie der Menge verfügbarer Information von den umliegenden Sprachrahmen. Das Ersetzen verlorener Sprachrahmen wird im Falle stark komprimierender Sprachcodecs noch dadurch erschwert, dass es aufgrund der Abhängigkeiten zwischen aufeinander folgenden Rahmen zu Fehlerfortpflanzung über die verlorenen Rahmen hinaus kommt.
Das einfachste PLC-Verfahren ersetzt die verlorenen Daten durch Stille. Aufwändigere Verfahren halten den letzten übertragenen Ton oder versuchen den Ton zu interpolieren. Ältere Systeme nutzen die so genannte Waveform-Substitution, wodurch die verloren gegangenen Signale durch künstlich erzeugte Ersatzsignale aufgefüllt werden. Dieses Verfahren führt bei hohen Paketverlusten jedoch oft zu einer unnatürlichen Stimme. Neuere Algorithmen interpolieren die entstandenen Signallücken und erzielen eine bessere Klangqualität. Diese geht jedoch auf Kosten der hierfür notwenigen Rechenkapazitäten. Im Allgemeinen können Aussetzer mit einer Länge von bis zu 30 ms beziehungsweise mit einer Verlustrate von bis zu 20 Prozent überbrückt werden, ohne dass der Empfänger dies wahrnimmt.
Analyse des VoIP-Traffics
Mit Hilfe eines VoIP-Analysators wird die Anzahl der verlorenen gegangenen Pakete angezeigt und diese in Echtzeit visualisiert. Durch eine genaue Ursachenforschung können auf Basis der aufgezeichneten VoIP-Pakete die notwendigen Maßnahmen eingeleitet werden, um die Paketverluste im Netzwerk zu reduzieren. In Bild 2 sind die Auswirkungen von Paketverlusten auf unterschiedliche Codecs dargestellt. Als Referenz haben wir den PESQ-Algorithmus gewählt. In unserem Test wurden über eine LAN-Strecke VoIP-Telefonate simuliert. Auf dem Testnetz traten unterschiedlich hohe Paketverluste auf.
Um die Paketverluste in einem Netzwerk zu analysieren, benötigen Sie einen VoIP-Paketanalysator. Diesen schließen Sie an einen Test Access Points oder einen Mirror Port auf einem Switch an. Gleichzeitig speisen Sie mit Hilfe eines VoIP-Analysators echte Telefonate (und unter Umständen auch andere Verkehrstypen) in das Netzwerk ein. Der VoIP-Analysator filtert aus den Daten die entsprechenden VoIP-Daten aus und wertet diese empfangenen Datenströme aus. Bei der Analyse werden die empfangenen RTP-Streams bewertet. Tauchen Fehler in den VoIP-Streams auf, wertet der Analysator diese aus und zeigt die Paketverluste an. Auf Basis der aufgezeichneten VoIP-Pakete können Sie die Ursachen für die Paketverluste im Netzwerk ermitteln und die notwendigen Gegenmaßnahmen einleiten.
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Mathias Hein/dr/ln
