Durchlaufzeit - Delay

Delay bezeichnet die Zeit, die ein Paket benötigt, um das Netzwerk zu durchqueren. Firewalls, Jitter-Buffer, Router und Switches - im Grunde jedes Element im Netzwerk - sorgt dafür, dass diese Verzögerungen immer etwas größer werden. Router Delay beispielsweise ist auch von der Konfiguration abhängig, von Access Listen, Queuing Methoden und Übertragungsarten. Delay hat einen erkennbaren Effekt auf die VoIP-Telefonie, kann aber innerhalb des firmen­eigenen Netzes (LAN und WAN) kontrolliert und beeinflusst werden, im Gegensatz zu einem öffentlichen Netz wie dem Internet. Sprache als Echtzeit-Kommunikation duldet in Netzen nur minimale Verzögerungen (Delay). Die ITU empfiehlt für exzellente Sprachqualität, den Delay der Sprachpakete unter 150 ms zu halten. G.711 hat den niedrigsten Packetization Delay. Die Tabelle zeigt, dass gute Kompression in Abhängigkeit vom Codec nicht nur mit schlechterer Sprachqualität, sondern auch mit erhöhtem Packetization Delay bezahlt werden muss.

Unterbrechnungsfreier Sprachfluss: Jitter Buffer

Jitter ist die durchschnittliche zeitliche Varianz in der Auslieferungszeit von Paketen. Um den Netzwerk-Jitter zu begrenzen, implementieren die Hersteller Jitter Buffer in ihre Endpunkte. Der Sinn des Jitter Buffers ist es, Pakete für eine gewisse Zeit zurückzuhalten, bevor sie dem Entkomprimierungsprozess zugeführt werden. Jitter Buffer sind auch in der Lage, die Pakete zu sortieren, falls sie in der falschen Reihenfolge eintreffen. Je nach der Größe des Jitter Buffers kann durch das Zurückhalten der Pakete Delay entstehen. Der Jitter Buffer sollte möglichst dynamisch angelegt sein.
 

Bitte kein Echo...

Echo entsteht durch nicht abgestimmte Impedanzen beim Übergang von der vieradrigen Vermittlungsstelle auf die zweiadrige lokale Schleife, oder wenn ein IP-Gespräch das LAN über eine schlecht administrierte, analoge Amtsleitung verlässt. Normalerweise hört nur der Sprecher sein Echo. Um es zu unterdrücken, setzt man Echo Entferner (Echo Canceler) ein, die die erhaltenen Sprachdaten mit den aktuellen Sprachmustern vergleichen. Sind diese identisch, wird das Echo entfernt.

Analog spricht mit digital: Transcoding

Transcoding nennt man die Konvertierung von Sprachsignalen, zum Beispiel von analog nach digital oder umgekehrt, sei es nun mit oder ohne Kompression. Jede Transcoding Episode führt zu einem Verlust an Sprachqualität. Deutlich hörbar ist es zum Beispiel, wenn ein Anruf über verschiedene Voice-Codecs geroutet wird. Wenn beispielsweise ein Mitarbeiter der Hauptgeschäftsstelle in der Zweigstelle anruft, wo dann eine Anrufweiterieitung zum zentralisierten Voice-Mail-System in der Hauptgeschäftsstelle erfolgt, also verschiedene Transcoding Sequenzen durchlaufen werden, verschlechtert sich die Sprachqualität hörbar. Intelligente Kommunikationsserver sind in der Lage, solche Situationen zu erkennen und - den Anforderungen entsprechend - den Pfad direkt zu setzen (Rerouting). In unserem Beispiel würde das Gespräch von der Hauptgeschäftstelle direkt zum Voice-Mail-System weitergeleitet werden, damit Transcoding-Sequenzen minimiert werden.

Jede Menge Warteschleifen

Weighted Fair Queuing (WFQ) ähnelt dem First-in/First-out Queuing (FiFo), außer dass es kleinen Flows und Paketen mit einem höheren Diffserv-Wert bzw. IP-TOS-Wert bevorzugte Behandlung gewährt. Diese Queuing-Strategie ermöglicht es, kompaktere Protokolle - zum Beispiel Telnet - oder höher priorisierte wie die IP-Telefonie zu bevorzugen. Dennoch werden deshalb natürlich keine Pakete verworfen. Aus diesem Grunde kann es trotzdem bei der IP-Telefonie zu Jitter und Delay kommen, weil beispielsweise auch niedrig priorisierte FTP-Daten irgendwann durch die Queues geschleust werden müssen.
 

Reden ist Bandbreite, schweigen nicht: Silent Suppression / VAD

Voice Activity Detection (VAD) - auch Silent Suppression genannt - ist ein Feature, um Bandbreite einzusparen. Während eines Gespräches spricht oft nur eine Person, so dass während der Übertragung 50% Stille herrscht. Voice Activity Detection überwacht das erhaltene Signal nach Sprachaktivität und verhindert, dass diese Stille übertragen wird. VAD kann auch benutzt werden, um während der Zeit, in der ein Gesprächsteilnehmer nicht spricht, sogenannte „Comfort Noise"- oder „Ambient Noise"-Pakete zu versenden, die durch den erheblich kleineren Payload Bandbreite einsparen. Ohne diese Illusion der konstanten Transmission würde der Gesprächspartner denken, die Leitung wäre tot. Der Haken an VAD ist der Algorithmus, der entdeckt, dass ein Teilnehmer nicht spricht. Wenn der Algorithmus zu aggressiv eingestellt ist, könnte es sein, dass der Anfang eines Wortes abgeschnitten wird. Anderseits verschwendet man viel Bandbreite, falls der Algorithmus nicht scharf genug greift. VAD bzw. Silent Sup-pression ist normalerweise in den IP-End-punkten eingebaut und wurde auch in den Sprachcodec G.729B implementiert.

Prioritäten: TOS Byte

Das Type of Service Feld (TOS) im IP-Paket, enthält drei so genannte Precederice-Bits, die eine Priorität bestimmen, sowie Flags, die generelle Anforderungen an die Güte der Übertragung stellen. Der Differentiated Service Standard, kurz Diffserv, veränderte die Bedeutung des TOS-Feldes und ist heutzutage die gängigere Methode, um Pakete auf Layer 3 zu priorisieren. Das TOS-Feld wird durch den Absender gesetzt und kann von den vermittelnden Komponenten sowie vom Zielsystem genutzt werden, um die Priorität dieses Paketes gegenüber anderen zu ermitteln. Die Precedence-Bits, Bits 0 bis 2, bilden ähnlich wie bei IEEE 802.1p bis zu 8 Prioritätsklassen ab.

Priority, Custom und Class Based Queuing: Gesteuertes Warten

Das Strict Priority Queuing unterteilt den Verkehr in mehrere Warteschlangen, die nach verschiedenen Prioritäten aufgeteilt werden. Dabei wird darauf geachtet, dass die Warteschlangen mit der höchsten Priorität immer vor den Warteschlangen mit niedrigerer Priorität bedient werden. Mit dieser Queuing-Methode kann es aber dazu kommen, dass normale Datenpakete komplett verworfen werden, wenn nur genügend telefoniert wird. Das landläufig als Custom Queuing bezeichnete Round Robin sortiert den IP-Verkehr in Queues, die zuvor konfiguriert werden. Round Robin ist nicht ohne Vorbehalte für die IP-Telefonie geeignet, da es nicht strikt genug Sprachpakete priorisiert. Das Class-Based Weighted Fair Queuing (CB-WFQ) mit Low Latency Queuing (LLQ), welches auch Class Based Queuing genannt wird, kombiniert alle oben genannten Queuing-Methoden.

Resource Reservation

Das Resource Reservation Protocol (RSVP) gehört zur Integrated Services Architecture (RFC 1633), auch IntServ genannt. Hiermit sollen über das Internet oder andere IP-basierende Netze hinweg Ressourcen reserviert werden, um ein „End-to-End"-QoS zu erreichen. Endgeräte stellen Bandbreitenanforderungen an das Netz. Jede Layer 3 Netzwerk-Komponente muss IntServ unterstützen. RSVP ist in zwei Stufen gegliedert (s. Abb. 1).

Abb. 1

Mit den Path-Messages wird ein Pfad zu dem Ziel gesucht. Jeder Router trägt sich als Hop in die Path-Message ein, so dass der Empfänger eine Liste von Routern erhält, über die der Pfad nun rückwärts aufgebaut und Bandbreite reserviert werden soll.

QoS

Quality of Service (QoS) priorisiert die Daten, die mit Class of Service markiert und in verschiedene Klassen eingeteilt wurden.

Überlastungsschutz: Random Early Detection

Wichtige Queue-Management-Techniken sind Random Early Detection (RED) und Weighted Random Early Detection. Sie verwerten Pakete zufällig aus der Queue, bevor es zu einem Engpass kommt. Wenn RED nicht konfiguriert ist, füllen sich die Buffer bei einem Engpass und alle nachfolgenden Pakete werden fallengelassen. Weil alle Pakete zur gleichen Zeit fallengelassen werden, fangen die TCP Hosts an, ihre Transmissionen zu reduzieren. Ist der Engpass überwunden, erhöhen alle TCP Hosts ihre Transmissionen wieder, was erneut einen Engpass verursacht. Dies führt zu Wellen von Engpässen und Perioden, die die Übertragungsverbindung häufig nicht voll ausnutzen und manchmal extrem überlasten. RED ermöglicht es also, die Übertragungsbandbreite besser auszunutzen, indem rechtzeitig vor einer Überlastung Pakete verworfen werden. WRED ermöglicht es, zwischen verschieden priorisierten Daten zu unterscheiden, und dass Standard IP-Pakete häufiger gedropt werden als Premium IP-Pakete. Trotzdem sollte man diese Techniken für Sprachdaten meiden, da Sprachpakete das Real Time-Protokoll verwenden und verlorene Pakete nicht erneut gesendet werden. Eine Implementierung von RED oder WRED kann also durch Paketverluste zu einer Reduzierung der Sprachqualität führen und bedarf einer sorgfältigen Erwägung und Analyse des Netzwerks.