بخشی از مقاله
بررسی نحوه عملکرد رمزگشاهاي صوتی در زمان ترافیک VOIP و خطوط بیسیم
با کمک RSVP
چکیده:
VOIP، موضوع جالب از تحقیق و پژوهش هم در اینترنت و هم در صنعت ارتباط از راه دور شده است. افزایش فوق العاده اي در محبوبیت خدمات VOIP نتیجه رشد عظیم در دسترسی پهناي باند است. در ارتباط سیمی به خوبی ارتباط بیسیم انتظار می رود که VOIP به طور کامل جایگزین روش هاي سنتی تلفنی بشود. براي ارایه یک سخنرانی باکیفیت خوب از طریق برنامه هاي کاربردي VOIP پارامترهاي QOS خاص باید تجزیه و تحلیل شود. این پارامترهاي QOS به ما در ارزیابی عملکرد پروتکل هاي شبکه هاي مختلف مثل برنامه هاي صوتی و... کمک می کند. شماري از تکنیکهاي QOS مانند INTSERV,DIFFSERV,RSVP براي کیفیت خوب در شبکه ها بر اساس IP به تصویب رسیده است. در این مقاله سهم اصلی ما تجزیه و تحلیل و ارزیابی عملکرد طرح هاي مختلف صوتی با استفاده از RSVP در شبکه هاي بیسیم بر اساس VIOP است. مدل شبکه طراحی شده در این مقاله بر اساس نسخه علمی OPNET ITGURU است.
کلمات کلیدي
VOIP وWLANs وQOSو Intserv وDiffServ و.RSVP
-1 مقدمه
طی سالهاي اخیر استفاده از شبکه هاي بیسیم افزایش زیادي یافته است. شبکه هاي محیط محلی بیسیم تأثیر شگرفی بر محیط مخابراتی داشته اند. بخشها و دفاتر شرکتی به سمت شبکه WLANs پیش می روند، حتی اکثر مردم (مصرف کنندگان) تجهیزات WLAN را در خانه هاي خود براي شبکه بندي کامپیوتر، لپ تاپ و وسایلشان به کار می برند. البته سیستم WLAN فضاهاي عمومی و محیط هاي تجاري را نیز پوشش داده است.
نصب WLANsتقریباً راحت و آسان بوده و سرعت آن نیز بالا است و البته هزینه اش زیاد نیست. WLANs این امکان را فراهم می آورد که برخی از دستگاه هاي شبکه از جایی به جاي دیگر منتقل شده و شبکه از محدوده کابلها فراتر رود. اگرچه انتخاب WLANs براي استفاده در دانشکده ها، دانشگاه ها، فرودگاه، رستوران و دیگر بازارهاي شرکتی شبکه اي با اطلاعات متمرکز بوده است؛ لیکن در تجهیزات چند رسانه اي نیز از آنها بسیار استفاده شده است. بنابراین، از شبکه هاي بیسیم فقط براي تبادل یک متن ساده یا اطلاعات ساده دیگر استفاده نمی شود بلکه براي انتقال شبکه هاي صوتی و تصویري بسیار پیشرفته نیز از آنها استفاده می گردد. این امر موجب شد تا VOIP یا تلفن صوتی مبتنی بر اینترنت، روي کار آید.[1]
اصطلاح VOIP در مورد انتقال صوت از طریق شبکه هاي IP استفاده می شود. شبکه هاي IP مثل اینترنت VOIP سیگنال صوت را از تلفن شما به سیگنال دیجیتال منتقل می کند. سیگنال دیجیتالی که در اینترنت سیر می کند آنگاه آن را به پایانه دیگري منتقل می سازد و شما با گرفتن یک شماره تلفن معمولی می تواند با هر کسی که بخواهید صحبت نمایید. به بیان ساده VOIP انتقال مکالمات صوتی از طریق شبکه هاي IP است. اگرچه پروتکل اینترنت در ابتدا براي شبکه بندي اطلاعات طراحی شده ولی با نصب تلفن VOIP بر روي تلفن به همراه یک آداپتور استفاده هاي بیشتر و مؤثرتري از آن به عمل آمد. شما قبل از استفاده از دستگاه تلفن ساده یک صداي دیجیتال را می شنوید.[1]
VOIP این مکان را فراهم آورده تا با استفاده از تلفن معمولی از کامپیوترمستقیماًزنگ (تلفن) بزنید. یکی از مزایاي بزرگ VOIP یا تلفن اینترنتی این است که دیگر نیازي به دستگاه شارژ از طریق سرویس تلفن معمولی نیست که هزینه ها را بالا می برد. تلفن VOIP (صوت) شبکه تلفن Public سوئیچ مسیر جنبی کرده و صوت را در شبکه خصوصی انتقال می دهد. بطور کلی منظور از صوت در پروتکل اینترنت استفاده از اینترنت براي برقراري ارتباط تلفنی است. در خدمات VOIP کاربر باید فقط هزینه شارژ اتصال اینترنتی معمول را بپردازد بدون اینکه در نظر گرفته شود چه زمان و از کجاي جهان دارد زنگ (تلفن) می زند. با انتقال اطلاعات صوتی، به کیفیت صوت نیز باید توجه کرد بطوریکه IP براي انتقال بسته اطلاعاتی طراحی شده است نه بسته ي صوتی، بنابراین QOS بصورت امر بحرانی و مهم درآمده است. البته کاربرها (دستگاه هاي) زمان واقعی مثل صوت برخلاف تجهیزات اطلاعات نسبت به تأخیر زمانی، بسیار حساس هستند. بنابراین QOS در VOIP مسئله مهمی است و بسته هاي صوتی نباید دچار
تأخیر شوند یا در حین انتقال در شبکه دچار افت یا توقف گردند. سرویس VOIP خدماتی باکیفیت بالا در اختیار کاربرانش باید قرار دهد، کیفیتی مثل خدمات PSTN و یا حتی بهتر. بنابراین تجهیزات VOIP براي اینکه رضایت مشتري (کاربر) را جلب نماید باید QOS قوي داشته باشند. کیفیت VOIP خدمات بر اساس پارامترهاي مختلفی اندازهگیري می شود، نظیر تأخیر، حرکت نامنظم اتفاقی، افت بسته، صوت (اکو) و ظرفیت پذیرش با کنترل مقدار و میزان این پارامترها در دامنه (میزان) معقول و لازم می توان VOIP QOS را ارتقاء بخشید.[1,2] در قسمت بعد راجع به فاکتورهاي مختلف QOS که به انتقال صوت مربوط هستند صحبت خواهیم کرد.
-2 پارامترهاي QOS
پارامترهاي بسیاري وجود دارد که به ما در بررسی کیفیت برنامه هاي VOIP کمک می کند. بعضی از این پارامترها عبارتند از:
پهناي باند: پهناي باند براي برنامه VOIP کلیدي براي کیفیت صداست. پهناي باند مترادف با سرعت اتصال استفاده می شود. اگر چه از لحاظ منحنی آنها دقیقا یکسان نیست. پهناي باند در واقع یک طیف از فرکانس هاست که از طریق اطلاعات منتقل می شود. وابستگی به پهناي باند یکی از اشکالات اصلی VOIP است.[3]
توان عملیاتی: توان عملیاتی اشاره به این دارد که چه مقدار اطلاعات را می توان از منبع به مقصد در مقدار ثابتی از زمان منتقل کرد.توان عملیاتی به پهناي باند بستگی دارد. توان عملیاتی یک اندازهگیري رخ داده توسط نرمافزار می باشد.
ارسال مجدد تلاش: امکان خرابی بسته در روند انتقال با توجه به عوامل مختلف مانند سر و صدا و... وجود دارد.بتابراین مجددا بسته هایی براي تحویل دقیق مورد نیاز است.اما این ارسال ثابت است و در صورتی که عدم ارسال بسته ها اتفاق بیافتد نتیجه افت آنها خواهد بود.
تأخیر متغیر و ثابت: دو نوع تمایز از تأخیر به نام ثابت و متغیر وجود دارد.اجزاي تأخیر ثابت براي تأخیر شبکه ثابت بوسیله شبکه زمانی که سیگنال هاي نوري در مسیر به گیرنده ارسال شده اند ساخته شده است. براي شبکه هاي بالا که شامل بسیاري از گره هاي ترانزیت براي ارتباط است. تأخیر شبکه می تواند بسیار بزرگ باشد. بنابراین لازم است که از طرحهایی با تأخیر کمتر استفاده شود. تأخیرهاي متنوع از صف بندي تأخیر در بافرهاي متصل در شبکه گسترده بیسیم بالا می رود. این بافرها تأخیر متنوعی ایجاد می کنند که در سراسر شبکه با عصبانیت سخن گفتن نامیده می شود. ازدحام بر سراسر نهفتگی بسته در حمل و نقل از مبدأ به مقصد تأثیر می گذارد.نشان دادن مکانیزم هاي QOS بر تأخیر متغیر شبکه تأثیر می گذارد.
تأخیر پیوسته: به طور کلی، منظور از تأخیر پیوسته طول مدت زمانی است که براي رسیدن به مقصد صرف می شود. در شبکه هاي کامپیوتري، تأخیر پیوسته میزان زمانی است که از رأس سیگنال براي انتقال از فرستنده به گیرنده در یک محیط صرف میشود. وقتی تأخیر پیوسته به 150 میلی ثانیه می رسد، بر طرفینی که در حال مکالمه تلفنی هستند نیز تأثیر خواهد گذاشت و آنها هم متوجه این تأثیر می شوند. اگر تأخیر پیوسته در حدود 400 میلی ثانیه باشد امکان برقراري یک مکالمه نرمال و معمول وجود دارد. تأخیر بر کیفیت مکالمه تأثیر می گذارد ولی بر سیگنال هاي صوتی هیچ تأثیري ندارد. تأخیر صوت را متأثر نمی سازد و نمی تواند به کانال صوتی نفوذ نماید.
بار شبکه: انتقال و ارسال مجدد بسته ها می تواند بار شبکه را افزایش دهد. بنابراین، بار شبکه تعیین کننده بار کلی در WLAN است از جمله بار کاربرد یا ارسال مجدد کاربردهاي مختلف تأثیرات مختلفی بر بار شبکه دارند. بار شبکه نیز بستگی دارد به نوع و اندازه اطلاعات بار در کاربردها و تجهیزات در زمان واقعی مثل اطلاعات صوتی و تصویري ممکن است در مقایسه با سایر انواع اطلاعات بسیار زیاد باشد.
وضوح: منظور از وضوح به طور کلی هموار بودن سیگنال هاي صوتی، روشنی و واضح بودن و عدم وجود پیچش و قابل فهم و درك بودن است. در یک محیط VOIP، در اثر تأخیر افت بسته و حرکت کنترل نشده وضوح دچار مشکل می شود. Codecsها یا رمزگشاهایی که در کانال صوتی استفاده می شوند می توانند به وضوح ضربه ي شدیدي وارد کنند.
-3 رمزگشاهاي :VOIP
رمزگشا اصطلاحی است که براي تبدیل سیگنال هاي آنالوگ بصورت دیجیتال استفاده می شود، این اصطلاح همچنین در مورد رمزگذار- رمزگشا واژگانی بکار می رود. البته رمزها و کدهاي زیادي براي متن، تصویر و صوت وجود دارد. رایجترین رمزگشاها که در مورد VOIP بکار می رود عبارتند از: G711 ، G722 ، G723 ، G726 ، G729 و...ما در بررسی هاي خود تعدادي از G7XX مربوط به استانداردهاي ITU-T را براي تراکم صوتی و تراکم زدایی صوتی بکار برده ایم.[5]
جدول (1) رمز گشایی صوتی
در جدول شماره 1 تعدادي برنامه ي متراکم ساز می بینیم اما بیشتر رمزگشاهاي صوتی که به کار رفته G711 هست که براي VOIP بکار رفته است.
رمزگشاي G711 PCM مشهورترین رمزگشا است. G711 مدولاسیون کد (رمز) پالس لگاریتمی را با هشت نمونه بیت براي سیگنالهاي فرکانس صوت نشان می دهد.نمونه آن ضریب ثانیه/نمونه 8000 یا 64kbps کانال است. باکیفیت ترین رمزگشاي صوتی براي VOIP رمزگشاي G711 است. ولی از آنجایی که این رمزگشا از متراکم سازي استفاده نمی کند در خطوط ISDN و شبکه Public-Switch به کار می رود. اصوات که از آن ساطع می شود، درست شبیه یک تلفن عمومی یا تلفن ISDN است. اما این رمزگشا نسبت به سایر رمزگشاها از پهناي نوار بیشتري برخوردار است، بیش از 84kbps درست مثل تمام .TCP/IP به هر حال، با افزایش پهناي باند broadband مسئله اي پیش نخواهد آمد.[4]
رمزگشاي صوتی بعدي G722 نام دارد. که یک رمزگشاي استاندارد ITU است و ضریب اطلاعات آن 48 kbps، 56، 64 بوده و 7KHz صوت با پهناي باند ایجاد می کند. کیفیت صوتی آن نسبت به سایر رمزگشاهاي قدیمی از جمله G711 که پیشرفته نیستند.
G723.1 یک استاندارد ITU-T است و یک رمزگشاي صوتی در PSTN بوده که از طرح خطی برانگیخته شده کد(رمز) ریاضی استفاده می نماید و ضرب رمزگشایی آن 5/3 Kbit/s می باشد، و حداکثر تعداد چند فاز در 6/3 Kbit/s قرار دارد. Kbit/s 6/3 ، از کیفیت صوتی بسیار خوبی برخوردار است در حالیکه، ضریب بیت پایین تر کیفیت خوبی را با کارکرد بیشتر فراهم می آورد.
G726 یکی از کدگشاي صوتی مناسب است با 16 Kbit/s،24،32،40 که از تکنیک رمز برداري مدولاسیون کد پالس دیفرانسیل تطبیقی استفاده می کند.
G278 یک رمزگشاي صوتی ITU-T با 16Kbit/s است و از رمزگشایی طرح خطی تحریک کد با تأخیر کم استفاده می کند. این رمزگشا کیفیت صوتی بهتري داشته و طول باند آن کم است اما وقتی ترافیک زمینه اي وجود داشته باشد کیفیت آن بسیار ضعیف خواهد شد.
G729 نوعی کدگشاي استاندارد ITU است که از ضریب بیت پایین (8Kbps) برخوردار است و کیفیت صوتی آن بالاست و از CS-ACELP استفاده می کند. به هر حال این رمزگشا اگر در زمان پردازش CPU به کار رود هزینه استفاده آن بالا می رود، بنابراین بعضی از تلفنها و آداپتورهاي VOIP فقط به یک کانال در هر زمان دسترسی دارند. این رمزگشاها در مقادیر بزرگ و پیچیده ویژگی هاي خوبی را فراهم می کنند. اگر کاربر براي استفاده از تماس هاي سه شاخه تلاش کند یا از تماس هاي همزمان در هر دو خط از دستگاه دو خطه استفاده کند؛ باعث می شود که تماس از بین برود و کدG729 تنها رمزگشاي مورد قبول می باشد.
دیگر استاندارد مورد استفاده ما در این ارزیابی ETSI GSM میباشد. سیستم هاي GSM از پیشگویی کدگذاري خطی با انتشار امواج مخابراتی استفاده میکند. این یک رمزگشاي گویا و کامل می باشد که با سرعت 13kb/sec عمل می کند.بعنوان مقایسه شبکه تلفن عمومی هاي قدیمی از رمزگشاهاي 64kb/sec استفاده می کنند.
۴- THE E-MODEL
E-MODEL یک مدل آنالیزي در نظریه (G107) ITU-T و بعضی از دیگر نظریه هاي همسان ITU-T می باشد. این مدل یک مدیریت پایگاه داده براي هدف تخمین کیفیت آنلاین که بر پایه اندازهگیري ویژگی هاي شبکه و عوامل میزان کاربرد را؛ فراهم میکند. به عبارت دیگر و بطور ساده این مدل یک برنامه اي میباشد که به ما در تخمین کیفیت صدا در طول گفتگو تلفنی؛ کمک میکند. E-MODEL تأثیرات ترکیب شده ي نوسانات انتقال پارامترها را ارزیابی می کند که بر روي کیفیت مکالمه باندهاي تلفنی کمMODELارزتأثیر میگذارد. E- به اختلالات تلفنی باند؛اختلالات مربوط به کدگذاري پایین ابزارها و وسیله ها و اختلالات تلفنی مثل صدا و بوق و تأخیر را بررسی میکند. قانون کلی E-MODEL بر پایه و فرض اینکه این اختلال در انتقال می تواند تبدیل به یک عمل روانشناسی تبدیل شود، بنا گذاري شده است. خروجی اولیه E-MODEL توان انتقال فاکتورها می باشد و با R نمایش داده میشود.[6]
R=Ro-Is-Id-Ie-A
= Ro نسبت اساسی سیگنال و صدا بدون هیچگونه اختلالی
= Is اختلالات همزمانی(اختلال در اتصال، رسایی و اختلالات ناشی از پیچیدگی)
= Ie اختلال مربوط به تراکم روشها
= A ضریب خطا از هم پاشیدگی با توجه به وضعیت خاص(تغییرپذیري، سختی در رسیدن به موقعیت)
مقدار R میتواند بین 0 تا 100 باشد. اگر این مقدار 100 باشد یعنی عالی است و مقدار 0 یعنی نامرغوب است. نحوه محاسبه مقدار R اگر هیچ شبکه و تجهیزاتی وجود نداشته باشد با سیگنال پایه شروع می شود و کیفیت به حد عالی میرسد اما شبکه و تجهیزات بر روي سیگنال تأثیر میگذارد و کیفیت سیگنال را پایین می آورد.
عملکرد R را بیشتر میتوان به MOS (به معنی ثبت کردن نظریه) ترجمه کرد. متالوژي آزمایش، چگونگی دریافت واضح و رضایتبخش ارتباط هاي تلفنی را تعریف می کند و از وسایل ارتباطی آنها انتظار میرود که این کار را انجام دهند. روشها با نظریه ي هدف انجام کلی براي هرازهم پاشیدگی ممکن توصیف می شود: اتلاف، مسیر گردش نویزها، خطاهاي انتقال، نویزهاي
محیطی،رمزگذاري ناشی از اعوجاج و... .ارزیابی پردازنده بر پایه تست هاي فردیست. مقادیر انتقال داده شده زیر به کیفیت ارتباط بستگی دارد. کیفیت برابر است با: 5خوب4=متعادل3=ضعیف2=بد.1=
عملکرد R میتواند به پوسته MOS در طول این عبارت تبدیل شود:
MOS=1 + 0:035R + 7:10¡6R(R ¡ 60)(100 ¡ R)
ارتباط بین R-value وMOS و کیفیت استفاده کننده در این جدول نشان داده شده است.
جدول (2) رابطه R-value/MOS
-5 تکنیکهاي :QOS
دو تکنیک اصلی وجود دارد که به منظور تهیه کیفیت سرویسها بر پایه کاربرد شبکه آشکار میشود. این تکنیکها شامل سرویسهاي متمایز و جامع می باشد.[9]
مدلهاي DiffServ از یک حرکت بسیار انعطافپذیر در مورد طبقهبندي دیافراگم آن پیروي می کند. اعمال متمایزي باعث تهیه QOS میشود که متغیرهاي شبکه،با توجه به متفاوت بودن مدل سرویس با درخواست QOS متفاوت براي توزیع کردن تنظیم می شود. بسته هاي اطلاعاتی بوسیله علامتگذاري با کدهاي متفاوت خاص به ترتیب معین می شوند. DiffServ یک مقدار زیاد از مقیاس بزرگ را فراهم می کند که آن به منظور تعیین کیفیت خدمت که با یک تعریف خوب و کوچک از ساخت بلوكها و توانایی به هم پیوسته بودن را تعیین می کند.بنابراین این تکنیک مدیریت کیفیت هست که براي مدیریت هدف در هسته شبکه ها خیلی مناسب است.[13]
در IntServ، منابع شبکه بطور صریح، شناسایی و ذخیره می شوند و دیتاگرام طبق این وضعیت عمل می کند. جریان داده به تحمیل یک ذخیره ساده در یک مسیر پیوسته اختصاص داده میشود. IntServمعمولاً در بدست آوردن روترها یا گذرگاه و یا بکار
رفتن خدمات مختلف در مسیرهاي متفاوت عمل میکند. مدل QOS IntServ سه کلاس از سرویسهایی که بر پایه ي نوع کاربرد بر حسب نیازمنديها، تعریف می کنند.اینها کلاس خدمت، کلاس کنترل پردازش خدمت و کلاس بهترین تلاش خدمت تعریف می کند.[8] بنابراین بهترین مزیت IntServ این است که کلاس هاي متفاوتی از خدمت را که با کاربردهاي متفاوت با توجه به نیازهاي موجود مطابقت پیدا می کند را فراهم می کند. ساختار IntServ همچنین یک پسوند بخصوص براي بهترین مدل جریان، تلاش دارد. این به این معناست که توسعه پروتکل سیگنال قوي براي عمل کردن با مدلهاي IntServ چگونه در RSVP مورد استفاده قرار می گیرد. RSVP یک IETF به معنی پروتکل سیگنال که در سرویسهاي جامع((IntServ براي هدایت پاسخ هاي QOS به شبکه مورد استفاده قرار می گیرد. RSVP یک تکنیک کیفیت است که براي هدف کاربرد حساس مثل VOIP مورد استفاده قرار می گیرد. این سیستم از سیگنال هاي QOS استفاده می کند که سیگنال، QOS مورد نیاز براي شبکه را که در این تکنیک پروتکل، براي ترك کردن منبع ذخیره ها در هنگام تمام شدن RSVP مورد استفاده قرار می گیرد.[10] عملیات RSVP به طور کلی به ذخیره منابع پرداخته، بخصوص به ذخیره نودهایی که در امتداد مسیر پایان خط می پردازد، اگرچه از طریق مسیریاب غیرRSVP نیز می تواند عمل کند. RSVP یک پروتکل نرمافزاري بوده و در حالت per-flow عمل می نماید ولی در همین زمان باید با ارسال یک پیام جدید هرچند وقت یک بار تجدید شود. اگر این پیام جدید را دریافت نکند، اطلاعات ذخیره شده آن متلاشی می شود. میزبان یا کاربر نهایی نیز می تواند این پیام فاش شده را ارسال کرده و به مکالمه پایان دهد. بطور کلی شبکه مشتري (مصرف کننده) عبارت است از رسانه هاي مختلفی مثل Ethernet یا رسانه شبکه محلی حلقه اي (LAN) ، WLANs ، WANs و همگی از خطوط اجاره اي با سرعت بالا، خطوط مدرن و تکنولوژي ATMساخته شده اندRSVP .[12] نیز حد فاصل میان موارد مختلف را پر می سازد ازجمله سیستم عملیاتی و مکانیزم هاي QOS خاص رسانه. این سیستم باعث می شود که RSVP بتواند پیام هاي QOS را در شرایط غیر رسانه اي ساختار بندي کند و یک سیستم سیگنال رسانی مؤثر براي QOS پیوسته می باشد که در شبکه هایی که رسانه هاي مختلف کم لایه قرار دارند، عمل می نماید. در مدل شبکه ي ما، از تکنیک RSVP استفاده شده و تأخیر در شبکه پایین می آید و سرعت شبکه افزایش داده می شود. همانطور که کاربردها یا طرح VOIP نسبت به تأخیر بسیار حساس است. ما با کمک RSVP می توانیم میزان تأخیر را در وسایل خود کاهش دهیم.
-6 توصیف وضعیت مدل شبکه:
ما در روش شبیهسازي خود از OPNET IT Guru 9.1 براي مدلسازي شبکه استفاده می نماییم. OPNET IT Guru 9.1 یک شبیهساز سیستم ارتباطی قوي است که حاصل تکنولوژي OPNET می باشد. OPNET IT Guru 9.1 به ارزیابی و طراحی پروتکل ارتباطی و شبکه هاي ارتباطی کمک می کند و این کار را از طریق شبکه شبیهساز براي محیط بیسیم و سیمکشی شده انجام می دهد. دستگاه OPNET براي مشخص کردن مدلهاي شبکه واسط کاربر گرافیکی بصورت رتبهبندي شده تدارك دیده است و محیط شبکه اي مجاز را فراهم می آورد و این مدلها یک شبکه کامل هستند. از جمله مسیریاب هاي آن، سوییچها، پروتکل،
