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Estudo da Qualidade de Serviço de uma Aplicação

VoIP em Ambientes Wireless com Handoff

Patrícia Aloise Couto

Orientador: Prof. Dr. João Batista Bezerra

Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós - Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação da UFRN como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Ciências.

Número de ordem PPgEE: M259 Natal, RN, 19 Fevereiro de 2010.

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Estudo da Qualidade de Serviço de uma Aplicação

VoIP em Ambientes Wireless com Handoff

Patrícia Aloise Couto Dissertação de Mestrado Aprovada em 19 Fevereiro de 2010 pela banca examinadora composta pelos seguintes membros:

_______________________________________________ Prof. Dr. João Batista Bezerra (orientador) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DCA/UFRN

_______________________________________________ Prof. Dr. Sergio Vianna Fialho (Avaliador Interno) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .DCA/UFRN

_______________________________________________ Prof. Dr. Ricardo Alexsandro de Medeiros Valentim (Avaliador Externo). . . . . . IFRN

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Agradecimentos ___________________________________________________________________________ A Deus por todas as oportunidades que me foram concedidas. A minha família pelo apoio e incentivo durante toda esta jornada. Em especial aos amigos e colaboradores Ronaldo Maia de Medeiros, membro da diretoria de Redes da Superintendente de Informática - SINFO (UFRN) e a Rafael Marrocos Magalhães, aluno de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da UFRN, que contribuíram de maneira substancial na elaboração desse trabalho de pesquisa. Aos colegas que fizeram parte de todos os experimentos, Anderson Cláudio, Aluísio Igor, Bruno Ferreira e Grace Soares, membros da SINFO. Aos colegas Judson Andrade Borges, Analista de Suporte da Secretaria Municipal de Meio Ambiente e Urbanismo do Natal - SEMURB e Rodrigo Cesar da Silva Batista, Técnico de Informática da SEMURB, pela colaboração durante os momentos finais do desenvolvimento desse trabalho de pesquisa. Ao meu orientador João Batista Bezerra pela oportunidade de orientação oferecida e por acreditar na capacidade de realização desse trabalho me auxiliando sempre que possível. A Aluízio Ferreira da Rocha Neto, Superintendente da SINFO, por permitir a disponibilização de material e a infra-estrutura da SINFO, essenciais para o desenvolvimento desse trabalho. Ao desenvolvedor do Wimanager, Vinícius Samuel pelo auxílio nos momentos de dificuldade. Aos Professores Sergio Vianna Fialho, Pablo Javier Alsina, Andrés Ortiz Salazar, Marcos César Madruga Alves Pinheiro e Ronaldo Martins, pelo apóio acadêmico oferecido. Aos meus colegas da UFRN, Adriano Bresolin, Ricardo Valentim, Raimundo Viégas, Heliana, Sérgio Badiali, Marcone, Mônica, Marcelo Mariano (in memorian) que sempre me apoiaram no decorrer do curso e que nunca hesitaram em me ajudar nos momentos de dificuldade. Ao CNPq pelo financiamento durante parte do tempo de realização do Curso de Mestrado. Aos meus colegas internautas, Waldir Aranha Moreira Junior, Mestre em Ciências da Computação da Universidade Federal do Pará – UFPA; ao Profº Júlio César da Costa Ribas do CEFET- SC; ao Profº Júlio César Magro da Faculdade IBTA de Campinas; a Helio Waldman, Revisor de periódico da IEEE Transactions on Communications; a Fabiano Nunes Machado de Abreu e Souza, Especialista em telecomunicações; a Sandro Roberto Ferrari, Administrador de redes de computadores; ao Profº Arlindo Flavio da Conceição, do Departamento de Ciência e Tecnologia do campus São José dos Campos da Universidade Federal de São Paulo – UNIFESP. A Camila Soares Barbosa e Regiane Mendes Barbosa, Tecnólogas em Redes de Comunicação pelo Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás. A todos, os meus sinceros agradecimentos por me auxiliaram em várias pesquisas e dúvidas que surgiram no decorrer desse trabalho de pesquisa. Enfim, a todos os professores, funcionários e colegas dos programas de Pós-Graduação de Engenharia Elétrica e do DIMAp da UFRN, que contribuíram de forma direta ou indireta para a concretização desse trabalho.

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Resumo ___________________________________________________________________________

Este trabalho trata de estudos experimentais a respeito de conexões VoIP em redes WiFi 802.11b com mobilidade de um dos usuários envolvidos na conexão de voz e, por conseguinte, na presença de handoff. Os experimentos são realizados em ambientes indoor e outdoor com foco na medição dos parâmetros de desempenho usualmente tidos como indicadores da qualidade de serviço - QoS em aplicações VoIP: atraso, vazão, jitter, e perda de pacotes. Os parâmetros de desempenho são obtidos com o auxílio das ferramentas Ekiga, Iperf e Wimanager que possibilitam, respectivamente, simular uma conexão VoIP, injetar tráfego controlado em um ambiente de rede WiFi e medir a vazão, o jitter e a perda de pacotes. O atraso médio é obtido analiticamente a partir da vazão medida e do uso do conceito de tempo de transmissão virtual médio de um pacote de voz. A aferição da aceitação dos resultados é feita com base nos níveis de serviços tidos como adequados na literatura para cada uma das métricas obtidas nos experimentos.

Palavras-chave: VoIP em redes WiFi, handoff, estudos experimentais.

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Abstract ___________________________________________________________________________

This work deals with experimental studies about VoIP conections into WiFi 802.11b networks with handoff. Indoor and outdoor network experiments are realised to take measurements for the QoS parameters delay, throughput, jitter and packt loss. The performance parameters are obtained through the use of software tools Ekiga, Iperf and Wimanager that assure, respectvely, VoIP conection simulation, trafic network generator and metric parameters acquisition for, throughput, jitter and packt loss. The avarage delay is obtained from the measured throughput and the concept of packt virtual transmition time. The experimental data are validated based on de QoS level for each metric parameter accepted as adequated by the specialized literature.

Keywords: VoIP into WiFi networks, handoff, experimental performance metrics.

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Sumário

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Sumário i

Lista de Figuras iii

Lista de Tabelas iv

Lista de Símbolos e Abreviaturas v

Capítulo 1 ............................................................................................................................... 1

Introdução .............................................................................................................................. 1

1.1 Organização do Trabalho............................................................................................. 2

Capítulo 2 ............................................................................................................................... 3

Fundamentação do Estudo de Caso ..................................................................................... 3

2.1 Estado da Arte ............................................................................................................... 3

2.2 O Padrão 802.11 ........................................................................................................... 7

2.2.1 Serviços do Padrão 802.11 ...................................................................................... 10

2.2.2 Padrão 802.11b ........................................................................................................ 10

2.2.3 Qualidade de Serviço no padrão 802.11 .................................................................. 11

2.3 Mobilidade ................................................................................................................. 13

2.3.1 Handoff .............................................................................................................. 13

2.4 Voz sobre IP ............................................................................................................... 15

2.4.1 Codecs ................................................................................................................. 16

2.4.2 Protocolos VOIP ................................................................................................. 16

2.4.2.1 - Protocolos de Mídia .................................................................................... 17

2.4.2.2 - Protocolos de Sinalização ........................................................................... 18

2.4.2.3 - Protocolo de Inicialização de Sessão (SIP) ................................................ 18 2.6- Conclusão ................................................................................................................... 19

Capítulo 3 ............................................................................................................................. 20

Modelagem e Metodologia dos Experimentos .................................................................. 20

3.1 Problemas e Desafios de Uma Comunicação VoWiFi ............................................... 20

3.2 A Modelagem dos Experimentos ................................................................................ 21

3.2.1 Caracterização dos Ambientes para Realização dos Experimentos .................... 21

3.2.2 Os Softwares Ekiga, Wimanager, Scripts em Bash Shell, Cacti e o Iperf no

Ambiente dos Experimentos. ........................................................................................ 23

3.2.3 Estimativa do Atraso ........................................................................................... 29

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3.3 Metodologia dos Experimentos ................................................................................... 31

3.4 Conclusão .................................................................................................................... 34

Capítulo 4 ............................................................................................................................. 35

Experimentos e Análise dos Resultados ............................................................................ 35

4.1- Contextualizações dos Experimentos em Ambiente Indoor ...................................... 35

4.1.1- Experimentos no ambiente indoor sem tráfego controlado. .............................. 36

4.1.2- Ambiente Indoor Com Adição de Tráfego Controlado. .................................... 38

4.2 – Contextualização dos Experimentos em Ambiente Outdoor .............................. 41

4.2.1- Ambiente Outdoor sem Adição de Tráfego Controlado .................................... 42

4.2.2 - Ambiente Outdoor Com Adição de tráfego Controlado ................................... 44

4.3 – Contextualização dos Experimentos em Ambiente Outdoor no Automóvel ........... 48

4.4.1- Paradas do Automóvel no Instante de Handoff ................................................ 49

4.4.2- A Não Ocorrência de Paradas do Automóvel no Momento de Handoff. ........... 52

4.5 – Conclusão ................................................................................................................. 54

Capítulo 5 – Conclusão ....................................................................................................... 55

Referências Bibliográficas .................................................................................................. 57

Apêndice A ........................................................................................................................... 61

Informações Adicionais ....................................................................................................... 61

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Lista de Figuras

___________________________________________________________________________ Figura 2.1- Posição do IEEE 802.11 no modelo de referência OSI. .......................................... 8 Figura 2.2 - Topologia do padrão 802.11 no modo Infra-Estuturado......................................... 9 Figura 2. 3 - Processo de Handoff. ........................................................................................... 14 Figura 2.4- Protocolos VoIP. .................................................................................................... 17 Figura 2.5- Pilha de protocolos H.323 e SIP. .......................................................................... 18 Figura 2.6 - Estabelecimento de uma sessão com protocolo SIP. ............................................ 19 Figura 3.1- Ilustração do ambiente indoor para a realização dos experimentos. .................... 22 Figura 3. 2- Ilustração do ambiente outdoor para a realização dos experimentos. ................. 23 Figura 3.3 - Ilustração da Aplicação Ekiga. ............................................................................. 24 Figura 3.4 - Ilustração do Iperf em modo cliente. .................................................................... 25 Figura 3.5- Ilustração do Iperf em modo servidor. ................................................................... 25 Figura 3.6- Ilustração dos resultados exibidos pelo Cacti no AP da SINFO ........................ 26 Figura 3. 7– Ilustração dos resultados gerados pelo Wimanager. ............................................ 27 Figura 3. 8 – Modelo para o cálculo do atraso. ........................................................................ 29 Figura 3. 9 – Ambiente indoor sem adição de tráfego controlado. .......................................... 32 Figura 3.10 - Ambiente indoor com adição de tráfego controlado. ......................................... 32 Figura 3. 11- Ambiente outdoor sem adição de tráfego controlado. ....................................... 33 Figura 3.12–Ambiente outdoor com adição de tráfego controlado. ......................................... 33 Figura 3.13 –Ambiente outdoor dentro de um automóvel. ...................................................... 34 Figura 4.1- Atrasos indoor sem adição de carga controlada. .................................................. 37 Figura 4. 2- Jitter indoor sem adição de carga controlada. ...................................................... 37 Figura 4.3- Vazão indoor sem adição de carga controlada. ..................................................... 38 Figura 4. 4 - Perda de pacotes indoor sem adição de carga controlada. ................................... 38 Figura 4.5– Atraso indoor com adição de carga controlada. .................................................... 39 Figura 4. 6– Jitter indoor com adição de carga controlada. ..................................................... 40 Figura 4.7- Vazão indoor com adição de carga controlada. ..................................................... 40 Figura 4.8 - Perda de pacotes indoor com adição de carga controlada. ................................... 41 Figura 4.9 - Atraso outdoor sem adição de carga controlada. .................................................. 43 Figura 4.10 - Vazão outdoor sem adição de carga controlada. ................................................ 43 Figura 4.11- Atraso e a vazão em ambiente outdoor sem adição de carga controlada. ......... 43 Figura 4.12 - Jitter outdoor sem adição de carga controlada. .................................................. 44 Figura 4. 13–Perda de pacotes outdoor sem adição de carga controlada. ................................ 44 Figura 4.14- Trajetória percorrida caminhando com a estação móvel em ambiente outdoor. . 45 Figura 4. 15 – Atraso outdoor com adição de carga controlada. .............................................. 46 Figura 4 16–Vazão outdoor com adição de carga controlada. ................................................. 46 Figura 4. 17– Atraso e a vazão outdoor com adição de carga controlada. ............................... 47 Figura 4. 18- Jitter outdoor com adição de carga controlada. .................................................. 47 Figura 4.19 –Perda de pacotes outdoor com adição de carga controlada. ................................ 48 Figura 4.20- Trajetória do percurso completo realizado no automóvel. .................................. 49 Figura 4. 21 - Valores do atraso em relação à quilometragem ................................................. 50 Figura 4. 22 - Valores do jitter em relação à quilometragem. .................................................. 50 Figura 4 .23- Valores da vazão em relação à quilometragem. ................................................. 51

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Figura 4. 24- Valores da Perda de Pacotes em relação à quilometragem. ................................ 51 Figura 4 .25- Valores do atraso e da vazão em relação à quilometragem. ............................... 52 Figura 4 .26- Valores do atraso em relação à quilometragem. ................................................. 53 Figura 4. 27 - Valores do jitter em relação à quilometragem. .................................................. 53 Figura 4.28 - Valores da vazão em relação à quilometragem. ................................................. 53 Figura 4 .29- Valores da Perda de Pacotes em relação à quilometragem. ................................ 54

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Lista de Tabelas

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Tabela 2. 1- Descrição dos Cenários [Barbosa et al. 2009] ........................................................ 5 Tabela 2. 2 – Resumo dos padrões IEEE 802.11[Kurose & Ross 2006]. ................................. 8 Tabela 2.3- Limites aceitáveis dos parâmetros de desempenho com QoS segundo ................. 13

Tabela 3.1- Camadas e seus respectivos cabeçalhos. ............................................................... 30 Tabela 3.2 -Informações sobre o codec G.711. ........................................................................ 30 Tabela 4.1- Ambiente indoor sem adição de carga controlada. ............................................... 36 Tabela 4 .2 –Ambiente indoor com adição de carga controlada. ............................................. 39 Tabela 4 .3 - Ambiente outdoor sem adição de tráfego controlado. ........................................ 42 Tabela 4. 4 - Testes realizados outdoor com adição de carga controlada. ............................... 45 Tabela 4.5- Métricas de desempenho parando o automóvel no momento de handoff ............. 49 Tabela 4 .6 - Métricas de desempenho não parando o automóvel no momento de handoff ..... 52

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Lista de Símbolos e Abreviaturas __________________________________________________________________________ ACK Acknowledgement message AP Access Point BSS Basic Service Set CODEC Compression and Decompression Components dB Decibéis ESS Extended Service Set IAPP Inter Access-Point Protocol IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IETF Internet Engineering Task Force IP Internet Protocol ITU-T International Telecommunication Union Telecommunication Branch PSTN Public Switched Telephone Network QoS Quality of Service RTP Real Time Protocol RTCP Real Time Transport Control Protocol SDP Session Description Protocol TCP Transport Control Protocol UDP User Datagram Protocol VoD Video on Demand VoIP Voice Over IP VoWiFi VoIP Over WiFi Wi-Fi Wireless Fidelity

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Capítulo 1

Introdução ___________________________________________________________________________

O desenvolvimento tecnológico vivenciado na última década na área de integração de serviços de comunicação sobre redes de comunicação de dados é uma realidade na qual tem se destacado a tecnologia de voz sobre IP – VoIP. Ela vem se apresentando como uma alternativa de baixo custo aos serviços de comunicação de voz tradicionalmente ofertados através das redes públicas de telefonia. É uma tecnologia à disposição dos usuários, integrando voz e dados num mesmo equipamento terminal, abrindo um novo horizonte para novas aplicações nas redes de computadores.

A disseminação de VoIP é atual e uma das aplicações que mais cresceram em utilização nos últimos anos, motivada principalmente pela redução de custos de telefonia para empresas e consumidores residenciais. Além disso, a convergência do serviço de voz com a rede de dados abre espaço para uma grande variedade de inovações que podem revolucionar a maneira como pessoas e empresas encaram a comunicação [Barbosa et al. 2009].

Em uma comunicação utilizando VoIP, um quesito de extrema importância se refere aos fatores que influenciam a percepção da qualidade da voz, são eles: o codec de voz utilizado, a variação do atraso (jitter), o atraso fim-a-fim e a perda de pacotes. Esses parâmetros determinam a qualidade de voz que trafega sobre IP, determinando a inteligibilidade ou não da comunicação, entre a codificação e decodificação do sinal [Almeida 2008].

Apesar de se basearem em um rede que não oferece garantias, as aplicações VoIP alcançam bons resultados, considerando o custo-benefício entre o preço e os padrões de qualidade oferecidos pelo sistema telefônico convencional, o que tem sido o principal motivo da grande difusão dos aplicativos de VoIP e da contínua evolução no acesso ao serviço público de telefonia [Barbosa et al. 2009]. Paralelamente à popularização de VoIP, a utilização das redes locais sem fio baseadas no padrão IEEE 802.111 cresceu gradualmente, se tornando o padrão de fato, equipando dispositivos móveis tais como notebooks, palmtops, telefones celulares, entre outros. Essas redes evoluíram não apenas em termos de capacidade de transmissão, mas também em termos de confiabilidade e área de cobertura. Atualmente é comum se encontrar áreas urbanas cobertas por pelo menos uma alternativa de conectividade sem fio [Almeida 2008]. Segundo Krob et al. (2007), um dos principais desafios a ser trabalhado pela comunidade científica na utilização dessas redes refere-se à mobilidade das estações usuárias, especificamente quando uma estação muda de um Access Point - AP para outro, ocasião em que o sistema de comunicação controla a operação de handoff. É dentro dessa perspectiva que têm sido realizadas muitas pesquisas como, por exemplo, o trabalho de Conceição et al. (2008) que faz “um levantamento dos principais problemas e restrições da transmissão de voz sobre redes 802.11”. Por outro lado, tanto a academia quanto a indústria propuseram extensões às especificações originais de IEEE 802.11 com intuito de melhorar o seu 1 Conjunto de padrões definidos pelo IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) para redes locais (LAN).

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desempenho e adequá-lo aos requisitos das aplicações de tempo real. Em conseqüência, atualmente uma das soluções apresentadas para os problemas de handoff em redes 802.11, é o padrão de transmissão sem fio 802.11r, formalmente aprovado e publicado pelo IEEE em 2008, no qual são estabelecidos padrões de segurança e de qualidade da conexão, possibilitando a redução pela metade do tempo de transição do processo de handoff [PCWORLD 2009].

Apesar da solução proposta para os problemas de handoff em aplicações VoWiFi, o fato é que para cada aplicação em perspectiva se faz necessário a realização de estudos específicos, incluindo a realização de experimentos. É dentro desse contexto que se insere o presente trabalho tendo em vista uma possível utilização em serviços de vigilância móvel no âmbito da UFRN. Para isso, são realizados experimentos que buscam avaliar o comportamento das comunicações VoIP em redes 802.11b com handoff, isto é, com mobilidade em pelo menos um dos lados da conexão VoIP. Os experimentos com as comunicações VoWiFi são concretizados em dois ambientes da UFRN, um denominado de indoor e o outro de outdoor, ambos com equipamentos 802.11b, nos quais busca-se avaliar o desempenho dos parâmetros de QoS, escolhidos como objeto de estudo: o atraso, o jitter, a vazão e a perda de pacotes, para o serviço VoWiFi2. Esses parâmetros são medidos através das ferramentas Ekiga, Iperf e Wimanager que possibilitam, respectivamente, simular uma conexão VoIP, injetar tráfego controlado em um ambiente de rede WiFi e medir a vazão, o jitter e a perda de pacotes. Já o atraso médio é obtido analiticamente a partir da vazão medida e do uso do conceito de tempo de transmissão virtual médio de um pacote de voz. A verificação da aceitação dos resultados é feita com base nos níveis de serviços tidos como adequados na literatura para cada uma das métricas obtidas nos experimentos. Por fim, diante dos resultados alcançados nos experimentos, analisa-se a porcentagem de usabilidade do padrão 802.11b em cada ambiente proposto nesse trabalho.

1.1 Organização do Trabalho

O trabalho está dividido em cinco capítulos. No segundo capítulo é feita uma revisão bibliográfica com o objetivo de apresentar os fundamentos teóricos necessários à formulação da temática do objeto em estudo enfatizando o padrão 802.11b, o serviço VoIP e o handoff. O capítulo 3 apresenta a modelagem e a metodologia utilizadas para a realização dos experimentos, bem como os ambientes de execução dos testes. No capítulo 4 são apresentados os resultados dos experimentos e a análise de desempenho dos mesmos, sendo feitas comparações desses resultados com os parâmetros de qualidade de voz tidos como ideais por especialistas da literatura. O quinto capítulo apresenta as conclusões finais onde são ressaltadas considerações relativas à proposta do trabalho, assim como os resultados alcançados e as perspectivas para trabalhos futuros.

2 Refere-se ao serviço de voz sobre redes sem fio.

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Capítulo 2

Fundamentação do Estudo de Caso __________________________________________________________________________

Este capítulo está organizado em quatro seções nas quais são apresentados os fundamentos teóricos que dão suporte ao objeto de estudo desse trabalho. A seção 2.1 sintetiza os estudos realizados em dois artigos, onde um aborda sobre o problema da análise de desempenho de aplicações VoIP em ambientes sem fio com handoff, enquanto o outro trata da avaliação do desempenho de aplicações VoIP ponto - a - ponto. Na seção 2.2 é feita uma síntese do padrão 802.11 no modo infra-estruturado com suas extensões e características, sendo enfatizado o padrão 802.11b por ser o padrão utilizado nos experimentos a serem utilizados como campo de estudo. A seção 2.3 provê embasamento aos capítulos 3 e 4 fazendo uma breve explanação dos aspectos relevantes da mobilidade, principalmente no que se refere ao processo de handoff em redes 802.11. Na seção 2.4 é feita a caracterização do serviço VoIP, sendo destacados as características e categorias dos codecs, dando ênfase ao codec utilizado nos experimentos desse trabalho, assim como os protocolos necessários a uma comunicação VoIP.

2.1 Estado da Arte

A utilização de serviços de voz sobre redes de dados sem fio vem se difundindo nos ambientes empresariais e residenciais, inclusive com mobilidade que introduz novos problemas no sistema de protocolos que controla a comunicação e por essa razão tem sido objeto de muitas pesquisas. Para os propósitos do presente trabalho são destacadas as pesquisas de Conceição et al. (2009) e de Barbosa et al. (2009) que abordam respectivamente o problema da análise de desempenho da qualidade de serviço de aplicações VoIP em redes sem fio com handoff, enquanto a outra, trata da avaliação do desempenho de aplicações VoIP ponto- a - ponto. A publicação de Conceição et al. (2009), faz uma avaliação da comunicação de voz sobre redes IEEE 802.11. Para isso, caracteriza empiricamente os problemas de transmissão, mencionando situações em que a implantação de VoWiFi é viável, utilizando as tecnologias atualmente disponíveis. Os dois principais problemas enfatizados no trabalho foram a longa duração das migrações (handoffs) e a ocorrência de tráfegos em rajada3. Para a análise dos tráfegos de VoWiFi foram utilizados programas geradores de tráfego nas linguagens C e Java simulando o tráfego de uma sessão VoIP. Os programas transmitem fluxos bidirecionais de pacotes à taxa de 50 pacotes por segundo; ou seja, um pacote a cada 3 A ocorrência de uma rajada caracteriza-se pelo fato de vários pacotes de voz ficarem bloqueados na rede por algumas centenas de milissegundos e então serem entregues praticamente ao mesmo tempo. A entrega de pacotes em rajada também pode ser acompanhada de perdas de pacotes, mas não necessariamente [Conceição et al. 2006].

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20ms. Foi simulada uma sessão de VoIP de 24 Kbps. Os programas geradores de tráfego, a cada pacote recebido, registraram a perda de pacotes e o atraso. Para evitar que as especificidades de um ou outro dispositivo Wi-Fi atrapalhassem as medições, foram executados os geradores de tráfego utilizando diferentes interfaces em cinco redes IEEE 802.11 diferentes. A perda de pacotes foi detectada comparando-se o número de seqüência de dois pacotes consecutivos (o número de seqüência está registrado no cabeçalho do Real Time Protocol - RTP de cada pacote). Para obter o atraso de entrega de um pacote enviado do computador “A” para o computador “B”, foi utilizado um programa que converte as marcas de tempo feitas em um computador “A” para o referencial de tempo de um computador “B”. Para fazer essa conversão, foram sincronizados os relógios de maneira similar ao protocolo RTP atualizando o clock drifting4. Para implementar esse mecanismo, foi necessário estender o protocolo RTP, adicionando dois campos: o last received timestamp e o last received sequence number. Foram observados durante os experimentos dois obstáculos para a implantação de VoWiFi: o handoff e o tráfego em rajadas. Durante os experimentos foi verificado que o handoff em redes IEEE 802.11b não é suficientemente suave, a ponto de não ser percebido durante a execução de uma chamada de voz. Foi notificada também, a alta incidência de tráfego em rajadas em todos os experimentos. Diante da análise dos experimentos, Conceição et al. (2009), concluiu que as rajadas podem ser originadas por diferentes fatores, como por exemplo: os scannings, as interferências externas, as interrupções de processamento e a carga excessiva da rede. Em relação ao handoff, foi analisado que as durações deles variavam em função dos ambientes onde foram executados, observando uma variação significativa de uma execução para outra entre 4.25 segundos e 16.19 segundos. Ainda foi evidenciado que a utilização de VoWiFi é viável, desde que durante uma chamada, a mobilidade seja baixa, a qualidade do sinal seja suficientemente alta e a capacidade de transmissão da rede não seja excedida. O trabalho de Barbosa et al. (2009), avalia o comportamento e o desempenho de aplicações VoIP Ponto - a - Ponto, como o Skype e o Google Talk quando submetidas a condições variadas da rede, pontuando suas qualidades e deficiências. Nesta pesquisa, foram considerados diferentes valores para a capacidade de enlaces

críticos, como o atraso e perda de pacotes, além de assumir a qualidade do áudio recebido como parâmetro de desempenho. Isso foi observado através do algoritmo Perceptual Evaluation of Speech Quality - PESQ5 usado para inferir o valor do Mean Opinion Score - MOS6 baseando-se na comparação entre o áudio enviado e recebido, além do grau de impacto que cada parâmetro da rede oferece para a qualidade do áudio recebido. 4 São marcações de tempo feitas em computadores diferentes que podem divergir ao longo do tempo. 5 O PESQ é um método objetivo automatizado para avaliação da qualidade do áudio recebido que faz uma predição do MOS equivalente. 6 O MOS foi padronizado pelo International Telecommunication Union (ITU-T) para fazer uma abordagem de avaliação subjetiva computando a média das notas individuais atribuídas por um grande número de pessoas que ouvem um áudio resultante de um processo de codificação e decodificação, onde a nota varia de 1 (ruim) a 5 (excelente).

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Nos experimentos realizados, o tráfego gerado do emissor para o receptor é capturado para computar a vazão e a variação do atraso (o jitter). Ele é definido sobre dois pacotes quaisquer contidos em um fluxo, sendo calculado pela diferença entre os atrasos unidirecionais. Para calculá-lo foi desenvolvida uma ferramenta em C++ usando o libpcap7, denominada de IPstat. Essa ferramenta tem como entrada dois arquivos gerados pelo TCPDump8 e pelo Ethereal9. O primeiro arquivo contém os pacotes capturados na máquina que originou o fluxo e o segundo possui os pacotes capturados na máquina que recebeu o fluxo de voz. Para calcular a vazão baseada no tráfego capturado, foi adotado o TcpStat10. A avaliação de desempenho das aplicações foi feita em um ambiente de rede controlado conforme apresentado na Tabela 2.1. Os cenários “A”, “B” e “C” foram estabelecidos com o objetivo de analisar o impacto da variação das condições da rede na qualidade das sessões de áudio e no comportamento das aplicações. Cada cenário considerou um mesmo áudio de 60 minutos dividido em 60 replicações de um minuto cada.

Tabela 2. 1- Descrição dos Cenários [Barbosa et al. 2009]

O cenário “A” tratou da qualidade das sessões de áudio e o comportamento das

aplicações quando a rede apresentou enlaces críticos de diferentes capacidades. Os valores:

7 É uma biblioteca necessária para prover interface para outras ferramentas que capturam pacotes da rede tal como TCPdump. 8 O TCPdump é nativo no Linux, faz monitoramento de tráfego em redes Ethernet, colocando a placa de rede em modo promiscuo. 9

O Ethereal é um analisador de protocolos de rede, que ao contrário do TCPdump executa em modo gráfico. 10 O TcpStat é uma ferramenta para analisar o comportamento do tráfego em uma rede, como o volume de tráfego na rede, o número de pacotes capturados, a quantidade de pacotes por segundo, tamanho médio dos pacotes; entre outras medidas.

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20kbps, 30kbps, 40kbps, 50kbps e 100kbps, representaram a capacidade residual de um caminho, também chamada de banda disponível. Como nesse cenário o objetivo foi verificar o impacto da variação da capacidade, foi adotado para todas as capacidades analisadas um atraso de 10ms e perda de pacotes nula. No cenário “B” foi analisado o impacto do atraso na qualidade da sessão de áudio e no comportamento das aplicações. Os valores de atraso de 1ms, 10ms, 100ms e 1000ms, se referiram ao atraso em um sentido (one way delay). O atraso em um sentido é de 100ms e o round trip time - RTT é de 200ms. A capacidade residual foi fixada em 100kbps, pois se constatou que nenhuma das aplicações envia fluxos com vazão acima desse valor. A perda de pacotes foi configurada em 0% para todos os experimentos deste cenário. No cenário “C” foi verificado a qualidade da sessão de áudio e o comportamento das aplicações sob diferentes taxas de perda de pacotes, como: 0%, 1%, 5%, 10% e 20%. Nesse cenário, a capacidade e o atraso são fixados em 100kbps e 10ms, respectivamente. Antes de iniciar a conversa, no processo de estabelecimento de uma chamada entre dois usuários, o Skype investiga as condições de rede e determina se a comunicação será de forma direta ou através de uma terceira máquina que realizará o papel de intermediar a sessão de áudio. Uma vez que o caminho da comunicação é escolhido (direto ou indireto), ele permanece durante toda a chamada, mesmo que as condições de rede mudem. Percebeu-se também que os comportamentos dos fluxos enviados pelo Skype mudam à medida que as condições de rede variam. Em todos os cenários, apesar do número médio de pacotes enviados ser constante, outras características do fluxo transmitido pelo Skype muda, como por exemplo, os tamanhos médio, máximo e mínimo dos pacotes. O Google Talk se comporta de forma oposta ao Skype. No momento que a aplicação percebe que as condições de rede são adversas, mesmo que a chamada esteja em curso, a triangulação11 ocorre. Entretanto, as características de transmissão do fluxo nunca variam. Em todos os cenários, o Google Talk transmite o fluxo de áudio a uma média de 25kbps, com muita variabilidade. Portanto, ambas as aplicações se adaptam dinamicamente a variações nas condições de rede, onde o Skype se adapta mudando as características de transmissão do fluxo de voz (provavelmente mudando o codec, ou alterando parâmetros do codec), e o Google Talk se adapta realizando uma triangulação na comunicação, procurando caminhos melhores para comunicação. Em condições ideais de rede, com atraso mínimo, taxa de perda de pacotes nula e banda disponível suficiente, o Skype apresentou uma qualidade de áudio melhor que o Google Talk, pois atingiu valores maiores do MOS de 3.9 contra 3.4, sofrendo menos degradação que o áudio transmitido pelo Google Talk. Entretanto, quando submetido a condições de rede muito abaixo do aceitável (e.g. perdas acima de 40% e capacidade residual inferior a 20kbps), o Google Talk tem a vantagem de mudar o caminho da comunicação durante a chamada, ao contrário do Skype, que desliga a chamada. Em cenários onde se varia a capacidade residual, deduziu-se que o Google Talk é menos sensível ao jitter do que o Skype. Quando submetido à perda de pacotes, foi observado que o mecanismo de adaptação do Google Talk demora a reagir. Os resultados apresentados por Barbosa et al. (2009), revelam indícios de que o jitter da rede tem impacto direto sobre a qualidade das sessões de áudio e sobre a política de adaptação das aplicações. 11 Mudança do caminho da comunicação durante a chamada.

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Os trabalhos de Conceição et al. (2009) e o de Barbosa et al. (2009), foram baseados em simulações do tráfego de sessões VoIP para análise de desempenho entre comunicações VoIP. O primeiro utilizou programas geradores de tráfego nas linguagens C e Java enquanto o segundo usou um áudio de 60 minutos dividido em 60 replicações de um minuto cada para simular o tráfego de sessões VoIP. O método de simulação é uma das maneiras de se obter análises de desempenho referente à qualidade de serviço de aplicações VoIP. Contudo, para que o usuário tenha contato com a situação real12 dos experimentos nos ambientes pré-determinados, é necessário além dos resultados obtidos mediante ferramentas específicas para tal fim, a percepção do comportamento das ligações VoIP, seja na presença ou ausência de ruídos como também possíveis quedas nas conexões. Isso é importante para fazer um comparativo do que foi percebido pelos usuários durante os experimentos e o que foi obtido pelas ferramentas utilizadas. O presente trabalho de pesquisa, revela a análise da qualidade de uma aplicação VoIP em redes sem fio com handoff, através da avaliação de métricas de desempenho de QoS, como: o atraso, o jitter, a vazão e a perda de pacotes. Essa avaliação é feita utilizando tráfego de VoIP em tempo real, ou seja, através de dois usuários usando a aplicação Ekiga como meio de comunicação VoIP. Em relação à pesquisa de Conceição et al. (2009), o presente trabalho contribui com a verificação do comportamento das comunicações VoWiFi em ambientes distintos das redes sem fio da UFRN, ou seja, ao ar livre dessa instituição em redes 802.11b e dentro de um de seus departamentos com rede 802.3. Sendo esses experimentos realizados por duas estações em comunicação VoWiFi, tanto com “tráfego forçado” (com injeção de tráfego controlado pelo experimentador), como também com “tráfego natural” (sem a perturbação de qualquer tráfego proposital controlado pelo experimentador da rede). Outro fator de contribuição, diz respeito a experimentos realizados dentro de um dos automóveis da UFRN em mobilidade ao ar livre desse estabelecimento. A análise acontece para verificar o desempenho das comunicações VoWiFi em velocidades no intervalo de 10Km à 40Km. No trabalho de Barbosa et al. (2009), a avaliação de desempenho das aplicações foi feita em um ambiente de rede controlado onde tanto os valores das métricas de desempenho de QoS, como a capacidade residual (banda disponível) foram pré-estabelecidas antes da iniciação dos experimentos. Já a presente pesquisa realiza a análise de desempenho de aplicações VoIP em ambiente não controlado, ou seja, em dias e horários diferentes, com diferentes condições de rede e conseqüentemente com a obtenção de valores diferenciados das métricas de desempenho de QoS em cada experimento realizado.

2.2 O Padrão 802.11

Em 1990, o Institute of Electrical and Electronics Engineers13 - IEEE constituiu um comitê para a definição de um padrão para conectividade sem fio no qual fosse possível a interoperabilidade entre os diferentes fabricantes. Em 1997, após sete anos de pesquisa e desenvolvimento, este grupo formulou um padrão para equipamentos de rádio e redes, atuando na banda de freqüência não - licenciada de 2,4 Ghz com taxas de 1 e 2 Mbps

12 Processo de estabelecimento de uma chamada entre dois usuários em tempo real. 13 Institute of Electrical and Electronics Engineers" dos Estados Unidos, é o grupo que lidera a padronização de redes locais (LANs) e Metropolitanas (MANs) a nível mundial.

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[Tanembaum 2003]. Devido aos usuários reclamarem que o padrão era muito lento, foi iniciado o trabalho para a elaboração de padrões mais rápidos. Uma divisão se desenvolveu dentro do comitê, resultando em dois novos padrões publicados em 1999. O padrão 802.11a utilizando uma faixa de freqüências mais larga funcionando em velocidades de 54 Mbps e o padrão 802.11b utilizando a mesma faixa de freqüências que o 802.11, mas empregando uma técnica de modulação diferente para alcançar 11 Mbps. Em seguida o comitê 802 apresentou outra variante, o 802.11g, que utilizando a técnica de modulação do 802.11a, mas empregando a faixa de freqüências do 802.11b [Tanembaum 2003]. A Tabela 2.2, apresenta um resumo das principais características desses padrões.

Tabela 2. 2 – Resumo dos padrões IEEE 802.11[Kurose & Ross 2006]. Padrão Faixa de freqüência Taxa de dados

802.11b 2.4 – 2.485 GHz até 11 Mbps

802.11a 5.1 – 5.8 GHz até 54 Mbps

802.11g 2.4 – 2.485 GHz até 54 Mbps

A Figura 2.1 ilustra a posição do IEEE 802.11 no modelo de referência Open Systems Interconnection - OSI.

Figura 2.1- Posição do IEEE 802.11 no modelo de referência OSI.

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Os padrões 802.11 podem operar em dois modos: o infra-estruturado no qual as estações se comunicam através de pontos de acesso e no modo ad-hoc, onde as estações se comunicam entre si sem a presença de pontos de acesso [Tanembaum 2003]. O padrão também define uma arquitetura para as redes sem fio baseada na divisão da área coberta pela rede em células, que é composta pelos elementos ilustrados na Figura 2.2, para o modo infra-estruturado [Bonilha et al. 2008]:

Figura 2.2 - Topologia do padrão 802.11 no modo Infra-Estuturado.

• Access Point (AP): responsável pela coordenação da comunicação entre as estações dentro da sua BSS ou entre outras BSS.

• Basic Service Set (BSS) – Consiste de uma AP conectada a uma rede cabeada e a um ou mais clientes wireless. Quando um cliente quer se comunicar com outro ou com algum dispositivo na rede cabeada ou na rede wireless deve usar a AP para isso. O BSS compreende uma simples célula ou área de Rádio Freqüência e tem somente um identificador (SSID). Para que um cliente possa fazer parte da célula ele deve estar configurado para usar o SSID do Ponto de Acesso [Farias 2009].

• Stations (STA): estações de trabalho que se comunica entre si dentro de uma célula; • Distribution System (DS): corresponde à infra-estrutura necessária para a interconexão

dos pontos de acesso. Normalmente esta interconexão é feita a partir da rede cabeada, mas também pode ser feita através de um enlace sem fio, chamado WDS (Wireless Distribution System);

• Extended Service Set (ESS): representa um conjunto de estações formado pela união de várias BSS conectadas por um sistema de distribuição. Uma ESS é constituída por dois ou mais pontos de acesso conectados na mesma rede cabeada que pertencem ao mesmo segmento lógico (sub rede).

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2.2.1 Serviços do Padrão 802.11

O padrão 802.11 estabelece que cada LAN sem fio compatível deve fornecer nove serviços. Esses serviços estão divididos em duas categorias: cinco serviços de distribuição e quatro serviços da estação. Os serviços de distribuição se relacionam ao gerenciamento da associação a células e a interação com estações situadas fora da célula. Em contraste, os serviços da estação se relacionam às atividades dentro de uma única célula [Tanenbaum 2003]. Os cinco serviços de distribuição são fornecidos pelas estações-base e lidam com a mobilidade das estações à medida que elas entram e saem das células, conectando-se e desconectando-se das estações-base. Esses serviços são apresentados a seguir [Tanenbaum 2003]: 1. Associação – Esse serviço é usado pelas estações móveis para conectá-las às estações-base. 2. Desassociação – A estação móvel ou a estação-base pode se desassociar, interrompendo assim o relacionamento. Uma estação deve usar esse serviço antes de se desligar ou sair. 3. Reassociação: É quando um cliente volta a se associar em um AP no qual ele estava associado, depois, por exemplo, de sair brevemente da sua área de cobertura. 4. Distribuição: Esse serviço determina como rotear quadros enviados ao AP. Se o destinatário for local para o AP, os quadros poderão ser enviados diretamente pelo ar. Caso contrário, eles terão de ser encaminhados pela rede fisicamente conectada. 5. Integração: se um quadro precisar ser enviado por meio de uma rede que não seja 802.11, com um esquema de endereçamento ou um formato de quadro diferente, esse serviço cuidará da conversão do formato 802.11 para o formato exigido pela rede de destino. Os quatro serviços restantes são serviços intracélula (ou intracelulares, isto é, se relacionam a ações dentro de uma única célula) [Tanembaum 2003]. Eles geralmente são usados depois que ocorre a associação, e são descritos a seguir: 1. Autenticação: como a comunicação sem fio pode ser enviada ou recebida facilmente por estações não autorizadas, uma estação deve se autenticar antes de ter permissão para transmitir dados. 2. Desautenticação: quando uma estação autenticada anteriormente quer deixar a rede, ela é desautenticada. Depois da desautenticação, a estação não pode mais utilizar a rede. 3. Privacidade: para que as informações enviadas por uma LAN sem fio sejam mantidas confidencias, elas devem ser criptografadas. 4. Entrega de dados: a transmissão de dados é o objetivo, e assim o 802.11 oferece naturalmente um meio para transmitir e receber dados.

2.2.2 Padrão 802.11b

A Lan sem fio 802.11b tem uma taxa de dados de 11 Mbps, operando na faixa de freqüência não licenciada de 2,4 a 2, 485 GHz, competindo por espectro de freqüência com telefones e fornos de microondas de 2,4 GHz [Kurose & Ross 2006]. O aspecto positivo é poder operar em faixa de freqüência não licenciada, além do baixo custo dos dispositivos e

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um alcance teórico de 100 metros, isso sem considerar o uso de antenas14 de amplificação de sinal, que, dependendo da potência do transmissor e do receptor, pode chegar a quilômetros de distância.

O protocolo de acesso ao meio é o carrier sense multiple access with collision avoidance - CSMA/CA, definido no padrão original. Devido ao overhead do protocolo CSMA/CA, na prática, a vazão máxima do 802.11b que uma aplicação pode obter é aproximadamente 5.9 Mb/s utilizando TCP e 7.1 Mb/s com UDP [Conceição 2009]. O padrão 802.11b é normalmente usado em uma configuração de ponto - multiponto, em que um ponto de acesso se comunica através de uma antena omnidirecional15 com um ou vários clientes que estão localizados em uma área de cobertura ao redor do ponto de acesso.

2.2.3 Qualidade de Serviço no padrão 802.11

A qualidade de serviço – QoS para o padrão 802.11 foi incorporada com o surgimento do padrão 802.11e, referindo-se à capacidade da rede fornecer serviço de encaminhamento de dados de forma consistente e previsível, possibilitando que qualquer elemento de rede, seja uma aplicação, um host16, um roteador, ou outro dispositivo, possa ter algum nível de garantia que satisfaça suas exigências de serviço. É a introdução da QoS que possibilita a integração de serviços de voz e vídeo em ambientes originalmente projetados para transportar dados, por exemplo os serviços VoIP.

O estudo dos fatores impactantes na qualidade da telefonia IP, como o atraso, o jitter e a perda de pacotes, tornam-se cada vez mais necessários, pelo fato das aplicações VoIP serem sensíveis a esses parâmetros. Em seguida, são discutidos alguns aspectos relacionados a esses parâmetros. Nas redes IEEE 802.11, o atraso fim a fim, pode ser definido como a diferença de tempo entre o instante em que o transmissor envia o primeiro bit do pacote e o instante que o receptor recebe este bit [Souza et al. 2009], ou seja, é o tempo necessário para que uma mensagem de voz seja transmitida do emissor para o receptor. Se o atraso é longo, a conversação é comprometida e a comunicação pode tornar-se não natural, não interativa, apresentando cortes na comunicação [Conceição 2009]. De acordo com a recomendação ITU-T17 [ITU-T G.114 2003], os atrasos totais no sistema entre 0 e 150 ms são aceitáveis para a maioria das aplicações. De 150 até 400 ms deve-se estar atento ao impacto do tempo de transmissão na qualidade da aplicação. Superior a 400 ms de forma geral é inaceitável para aplicações em rede. O atraso fim - a - fim é composto pelo somatório do atraso de propagação, do atraso de empacotamento, assim como o atraso de codificação de sinal [Souza et al. 2009].

O jitter, ou variação do atraso, é a diferença entre o atraso do pacote atual e o do próximo pacote, ou seja, é a diferença “D” correspondente ao espaço de tempo entre a chegada de um par de pacotes, comparado com os tempos estampados neste par de pacotes

14 As antenas wireless são periféricos utilizados para substituir as antenas originais dos equipamentos e servem para aumentar o ganho em dBi, melhorando a propagação de sinais, a estabilidade da conexão, a distância e o raio de cobertura . 15 É uma antena que pode receber ou transmitir sinais de todas as direções. 16 Host: Computador ligado a uma rede física. O tamanho de um host varia desde um computador pessoal até um supercomputador. Quando armazena arquivos e permite acesso de usuários, é designado como servidor. 17 A União Internacional das Telecomunicações é a agência especializada no domínio das Telecomunicações.

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no momento do envio, como apresentado na equação 2.1. Logo, seja Si o timestamp RTP do pacote i, e Ri o tempo de chegada em unidades de timestamp RTP do pacote i, então para dois pacotes i e j, D pode ser expresso como:

(2.1) O jitter entre chegadas (J) é calculado continuamente por uma equação filtrada desta

diferença. Quando cada pacote i for recebido da fonte, calcula-se a diferença “D” em relação ao pacote prévio (i-1) em ordem de chegada (não necessariamente em ordem de seqüência). A origem do jitter no sistema está associada ao comportamento aleatório do tempo de enfileiramento dos pacotes nos roteadores. Variações de atraso podem ser piores para a qualidade de serviço do que o próprio atraso, pois o jitter pode causar a chegada dos pacotes fora de ordem. Apesar de o RTP possibilitar que aplicações façam o reordenamento usando as informações de número de seqüência e timestamp, o overhead em reordenar esses pacotes não é irrelevante, especialmente quando se está lidando com restrições de tempo estreitas como as da tecnologia VoIP [Linhares 2008]. Em redes IEEE 802.11, podem ocorrer variações extremamente altas no atraso, as quais possuem impacto relevante na qualidade da voz transmitida [Conceição 2009]. Isso pode fazer com que pacotes cheguem e sejam processados fora da seqüência. Para Szigeti &

Hattingh (2004), o jitter não pode ser superior a 30ms, já para Percy (2003), a variação de atraso máximo nunca deve exceder 40 ms.

A vazão em uma rede é a taxa efetiva de bits por segundo, ou seja, indica o balanço entre a quantidade de dados que entra na rede e as perdas internas, por unidade de tempo. A vazão, na maioria das redes, sofre variações no decorrer do tempo. Em algumas situações, a vazão pode se alterar rapidamente, devido a falhas nos nós da rede ou devido ao congestionamento, quando grandes fluxos de dados são introduzidos na rede [Redin 2005]. A perda de pacotes é a porcentagem de pacotes transmitidos pelo host de origem que não chegaram ao host de destino, ou seja, é a quantidade de pacotes não entregues. Segundo Alves (2008), os pacotes podem ser perdidos devido a diversos fatores, como: os períodos de picos e congestionamentos na rede; ao aumento excessivo do tráfego na rede; atrasos excessivos, que podem ser provocados devido a problemas físicos nos equipamentos de transmissão, além de possíveis imperfeições nas transmissões. Já para Redin (2005), as principais causas das perdas de pacotes são devido ao congestionamento, ao tamanho dos pacotes, à capacidade das filas e à mobilidade das estações.

A perda de pacotes é calculada no lado do receptor como a razão entre a quantidade de pacotes perdidos e a quantidade de pacotes transmitidos, em cada intervalo de tempo. O Transmission Control Protocol – TCP se recupera dessa situação através da detecção e reenvio dos pacotes perdidos [Ribas 2002], em ordem e livres de erros. Este procedimento não é adequado para aplicações de tempo real, como aplicações VoIP, pois são extremamente sensíveis ao atraso [Marcelino 2003]. Nessas aplicações é usado o User Datagram Protocol – UDP, que é mais rápido, pois seu cabeçalho é menor do que o TCP e exige menos poder computacional para ser processado, pois não garante a entrega e nem o seqüenciamento dos pacotes, além de não usar mecanismos de confirmação [Pereira et al. 2009]. A taxa de perda de pacotes considerada aceitável para aplicações VoIP varia muito na literatura, como mostra a Tabela 2.3. Para Lustosa [Lustosa et al. 2004], a taxa ideal é na

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razão de até 3%; já para Szigeti et al. (2004), o melhor é que não ultrapasse 1%. Segundo Boger (2008), o limite não pode exceder 5%. Estudos realizados na Universidade da Califórnia, em Berkeley, determinaram que a perda de pacotes tolerável variasse entre 1% e 3%, se tornando intolerável se mais de 3% dos pacotes forem perdidos [Chuah 2007]. Em redes IEEE 802.11, elas normalmente são menores que 1% [Conceição 2009]. Porém, se uma unidade móvel se afasta da área de cobertura de um AP, essa taxa pode crescer abruptamente, impossibilitando a conectividade e a comunicação [Arranz 2001], pois quanto maior a perda de pacotes, menor é a eficiência da rede [Redin 2005].

Tabela 2.3- Limites aceitáveis dos parâmetros de desempenho com QoS segundo pesquisadores da literatura acadêmica.

Métricas de

Desempenho

Limite 1 Limite 2

Atraso até 150ms _____ Jitter 30ms 40ms

Perda de Pacotes Entre 1% e 3% Até 5%

2.3 Mobilidade

A mobilidade é uma das mais importantes características de redes sem fio e fundamental no contexto do presente trabalho. Ela pode ser apresentada sem transição18, com transição entre BSS19 e com transição nas ESS20 [ANSI21/IEEE 802.11 1999]. O parâmetro crucial na caracterização do desempenho de sistemas com mobilidade em redes sem fio ou mesmo em comunicação em redes de satélites é o handoff que é caracterizado a seguir. 2.3.1 Handoff

O processo de handoff no contexto de redes sem fio ocorre quando uma estação móvel realiza uma transição entre dois pontos de acesso. O momento de handoff é percebido quando a qualidade do sinal da conexão entre uma estação móvel e um AP, baixa até um determinado limite e, conseqüentemente, a estação móvel inicia o scan (busca) por outros pontos de acesso. Essa busca é feita através de funções de rastreamento, permitindo que a estação móvel selecione o AP com a melhor qualidade de sinal dentre aqueles encontrados na sua área de alcance [Albuquerque 2005]. Essa procura é feita enviando um pedido de adesão à célula desse novo AP, e este envia a resposta de adesão, para que a estação possa pertencer a essa nova BSS [Garcia 2009].

18 As estações se movimentam somente dentro da sua BSS local. 19 As estações migram entre BSS diferentes dentro do mesmo ESS. 20 Ocorre quando uma estação móvel transita entre a área de cobertura de duas BSS diferentes que também pertencem a ESS diferentes. 21 American National Standards Institute, ou Instituto Nacional Americano de Padrões, trata de uma organização fundada em 1918 que coordena o desenvolvimento de padrões voluntários adotados internacionalmente, tanto nos setores privado como públicos. É o membro americano do ISO.

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A migração consiste em um processo seqüencial composto das fases de busca (scanning), autenticação e associação [Conceição et al. 2009], conforme ilustrado na Figura 2.3.

Figura 2. 3 - Processo de Handoff.

A transição entre BSS é iniciada pela estação em movimento, na qual é avaliada a

potência do sinal, iniciando, se necessário, um processo de busca (scan). Dentre as fases, a de scan é a mais demorada, podendo consumir cerca de 90% do tempo total de migração [Velayos & Karlsson 2004].

Para que uma estação possa ser capaz de utilizar uma rede sem fio é necessário que ela esteja associada22 a um AP, mas antes dessa associação na maioria das vezes ela deve apenas comprovar sua autorização de acesso através da autenticação23, quando exigida. O IEEE 802.11 requer uma autenticação bem sucedida antes que uma estação possa estabelecer uma associação com um AP, garantindo uma associação segura para que as mensagens possam ser entregues aos seus destinos corretamente [Andrade et al. 2007].

22 Associar significa que a estação sem fio cria um enlace virtual entre ela mesma e o AP [kurose & Ross, 2006]. Esse serviço é usado pelas estações móveis para conectá-las ao AP. Em geral, ele é usado imediatamente após uma estação se deslocar dentro do alcance de rádio do AP. Ao chegar, ela anuncia sua identidade e seus recursos. O AP pode aceitar ou rejeitar a estação móvel [Tanembaum 2003]; 23 Autenticação: como a comunicação sem fio pode ser enviada ou recebida facilmente por estações não autorizadas, uma estação deve se autenticar antes de ter permissão para transmitir dados [Tanembaum 2003].

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No processo de handoff, diferentes camadas da arquitetura da rede podem ser

afetadas. Quando o handoff ocorre entre pontos de acesso que pertencem a sub-redes diferentes, são necessárias alterações em configurações da camada de rede, além do suporte dado pela camada MAC [Albuquerque 2005]. Porém se o handoff ocorre entre pontos de acesso que fazem parte de uma mesma sub-rede, as alterações ficam restritas à camada Media Access Control (MAC), sendo suportadas pelos serviços definidos no padrão IEEE 802.11 [ANSI/IEEE Std 802.11 1999]: associação, reassociação24 e desassociação.

O tempo gasto pelo mecanismo de suporte ao processo de handoff, para a manutenção da conexão das estações móveis, pode ser visto como um dos principais fatores que afetam a qualidade do serviço oferecida aos usuários em redes 802.11.

As aplicações com requerimentos de QoS exigem que o tempo de interrupção seja o menor possível, considerando que o atraso afeta diretamente as aplicações multimídia como videoconferência e VoIP. O gerenciamento do handoff é a chave para tratar os problemas de transparência no deslocamento dos dispositivos, pois impacta diretamente na qualidade, confiabilidade e segurança da comunicação [Krob et al 2007].

2.4 Voz sobre IP

A tecnologia VoIP consiste na utilização das redes de dados para a transmissão de sinais de voz em tempo real na forma de pacote, sendo considerada como uma tecnologia emergente, baseada em padrões abertos que possibilita o tráfego de voz através da Internet. A Internet é utilizada como meio de transmissão, onde podem ser feitas ligações telefônicas através de softphones25 e/ou hardphones26.

A voz passa por um processo de digitalização e codificação para posteriormente seus pacotes serem empacotados utilizando o protocolo IP para serem transmitidos em uma rede que emprega o TCP/IP [Barbosa 2008]. Inicialmente os pacotes de voz analógicos provenientes de hardphones ou softphones, são convertidos e compactados em pacotes digitais, através de codecs para em seguida serem transmitidos pela rede de dados privada ou pela rede pública (Internet). Ao atingir seu destino, esses pacotes são descompactados e convertidos novamente em pacotes de voz analógicos [Sato 2009].

Para que haja comunicação e processamento, todos os sinais analógicos devem ser convertidos para um formato digital. A conversão analógico-digital envolve cinco etapas distintas: filtragem, amostragem, compressão, quantificação e codificação [Barbosa 2009]. A filtragem é usada para limitar a máxima freqüência do sinal de voz a ser aceita. A base do processo de amostragem é conceituada no teorema de Nyquist27. Após a amostragem são 24 Reassociação : É quando um cliente volta a se associar em um AP no qual ele estava associado, depois, por exemplo, de sair brevemente da sua área de cobertura. 25 SoftPhone é um aplicativo multimídia que é executado em um PC, tanto para Windows como para Linux, que permite fazer ligações telefônicas através de uma rede IP. 26 HardPhone é um equipamento que utiliza uma rede TCP/IP para fazer ligações. 27 O teorema de Nyquist diz que a capacidade de um canal será (idealmente) ao dobro da largura de banda, vezes o logaritmo do número de níveis discretos [Dantas, 2005].

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feitas a compressão e a quantificação. A quantificação é um processo de atribuição de valores discretos. A codificação da voz é feita a partir de codecs que convertem sons analógicos em digitais e vice-versa, além de efetuarem compressão e descompressão do sinal digital [Oliveira 2005]. 2.4.1 Codecs

Os Codecs são dispositivos conversores analógico/digital usados na compactação e descompactação de vários tipos de dados. Os codecs podem ser classificados em duas grandes categorias: os de forma de onda e os paramétricos. Os codificadores de forma de onda fornece um sinal codificado o mais próximo possível do sinal analógico original. Por sua vez, os codificadores paramétricos modelam o sistema que gera o sinal de voz original e enviam apenas parâmetros deste modelo. Muitos dos codificadores paramétricos se baseiam em predição linear (Linear Prediction Code - LPC) para alcançar altas taxas de compressão. Em contrapartida, as altas taxas de compressão tornam os codecs mais complexos e requerem um armazenamento para o processamento da voz codificada. O padrão G.711 do ITU-T, conhecido como Pulse Code Modulation- PCM, é segundo Souza et al. (2009), um padrão de codificação de voz baseado na forma de onda e para a digitalização da voz esse é o padrão mais usado. Através dele obtêm-se 8000 amostras/segundo e cada amostra codificada por uma seqüência de 8 bits, i.e., cada amostra pode ter 1 entre 256 valores possíveis. A freqüência de amostragem obedece ao teorema de Nyquist para que o sinal possa ser restaurado com perfeição no processo de decodificação. A taxa de saída deste codificador, desconsiderando qualquer “overhead”, é, portanto, 64 kbit/s [Souza & Bueno 2006]. Segundo Souza et al. (2009), a vantagem desse codec é sua velocidade, reduzindo o atraso fim a fim dos pacotes de voz e sua desvantagem é o maior uso de largura de banda. A recomendação G.711 da ITU – T padronizou duas versões do G711: a ȝ-law e A-law, que representam respectivamente o PCMU e o PCMA. A diferença principal entre as duas está na faixa de freqüência que ambas trabalham, a PCMU trabalha igualmente numa faixa maior de freqüências, enquanto que o PCMA tem um desempenho melhor nas baixas freqüências, possuindo as mesmas características relacionadas ao G.711. O codec utilizado em todos os experimentos desse trabalho foi o PCMU, cuja sua categoria se classifica no codificador Pulse Code Modulation - PCM, de forma de onda e de excelente qualidade de reprodução da voz [Conceição et al. 2009]. 2.4.2 Protocolos VOIP

A transmissão de voz codificada em uma rede com o protocolo IP possui

características importantes a serem consideradas. Como o IP, por si só, não oferece nenhuma

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garantia de qualidade de serviço, categorizado como tráfego de melhor resultado (best-effort), outros protocolos e soluções complementares devem ser agregados na formação da solução final, para permitirem um resultado comparável com o observado na rede de telefonia convencional [Fernandes 2007].

Os principais protocolos empregados no serviço VoIP são divididos de acordo com a sua finalidade. Esses protocolos são: os de sinalização, de gateways e os de mídia [Barbosa 2006]. A Figura 2.4 mostra os protocolos envolvidos na telefonia IP, separados por finalidade.

Figura 2.4- Protocolos VoIP.

2.4.2.1 - Protocolos de Mídia

São protocolos utilizados para o transporte de mídias, como o protocolo RTP, que é

um protocolo para transmissão de dados em tempo real, tais como áudio e vídeo. O RTP é um protocolo que oferece funções de transporte de rede fim a fim direcionadas para aplicações que transmitem fluxos de dados em tempo real, através de serviços de rede unicast e multicast. Esse protocolo não trata da reserva de recursos e não garante qualidade de serviço para serviços de tempo real, mas atribui esses requisitos para serviços tais como os oferecidos pelas arquiteturas IntServ28 e DiffServ29 [Colcher et al. 2005]. O transporte de dados é complementado por um protocolo de controle (Real- time transport Control Protocol - RTCP) para permitir o monitoramento da entrega de dados de forma escalável em redes multicast e oferecer funcionalidades mínimas de controle e 28 A arquitetura de serviços integrados - IntServ : é uma estrutura desenvolvida pela IETF para oferecer garantias de qualidade de serviço específicas às sessões de aplicações individuais [Kurose & Ross 2006]. 29 Arquitetura de serviços diferenciados – Diffserv tem o objetivo de prover a capacidade de manipular diferentes classes de tráfego de modos diferentes dentro da internet [Kurose & Ross 2006].

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identificação. Ambos os protocolos, RTP e RTCP, constituem-se em elementos centrais da maioria (senão todas) das arquiteturas e serviços VoIP [Colcher et al. 2005].

2.4.2.2 - Protocolos de Sinalização

Antes de ser iniciado o tráfego dos pacotes de voz pela rede, é necessário o

estabelecimento da conexão entre os pontos pretendidos e ainda o controle dessa conexão, bem como, ao finalizá-la, deve ser sinalizada a liberação da rede. Dessa maneira, é preciso que haja “obediência” a um conjunto de regras, já que a comutação é por pacote. São encarregados desse controle os protocolos de sinalização.

Os principais protocolos de sinalização existentes e que possuem maior destaque são: o H.323, desenvolvido pelo ITU-T e o Session Initiation Protocol - SIP desenvolvido pela Internet Engineering Task Force – IETF [Souza 2007].

Nesse trabalho, será dada ênfase ao protocolo SIP, pelo fato de ser mais moderno, de fácil compreensão, de conexão simples, e ser menos complexo que o H323, sendo assim adotado em todos os experimentos desse trabalho através da aplicação Ekiga. Na Figura 2.5, é apresentada a pilha de protocolos distribuídas nas camadas do modelo OSI, tanto para o protocolo de sinalização SIP como para o H323.

Aplicação

Apresentação

Sessão

Transporte

Rede

Enlace

Física

H.323H.323 SIPSIP

Sinal de Áudio Sinal de Vídeo

G.711 G.728

G.722 G.729

G.723.1

H.261

H.263

Dados

T.127

RTCP RAS RTP

T.126

T.124

T.125 /T.122

X.224.0

Serviços Suplementa.

H.450.3 H.450.2

H.450.1

UDP TCP

Controle

H.245 H.225

H.235

SIP

SDP

UDP TCP

RTCP RAS RTP

Sinal De

Áudio/ Vídeo

Figura 2.5- Pilha de protocolos H.323 e SIP.

2.4.2.3 - Protocolo de Inicialização de Sessão (SIP)

É um protocolo de sinalização de telefonia IP usado para estabelecer, modificar e finalizar conferências e ligações VoIP [Tanembaum 2003], negociando os termos e as condições de uma sessão, definindo, por exemplo, os tipos das mídias e os padrões de

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codificação utilizados na sessão, além de auxiliar na localização dos participantes das mesmas [Colcher et al. 2005].

O SIP é um protocolo baseado em uma arquitetura cliente/servidor operando sobre TCP ou UDP, sendo mais comum sobre UDP. Tem por objetivo principal, localizar e convidar usuários para participar da conexão. Dessa maneira, torna-se o responsável pelo gerenciamento de uma chamada, incluindo as tarefas de início e término, podendo haver inclusão ou exclusão de participantes, tanto em transmissão unicast quanto em multicast [Barbosa 2006].

Durante o processo de estabelecimento de uma sessão, é necessário negociar a mídia a ser utilizada (voz, dados ou vídeo) e as respectivas informações para a transmissão dessa mídia, como o padrão do codec e o protocolo de controle para transmissão. Enquanto o SIP especifica o processo para o anúncio da descrição das informações de uma sessão, o Session Description Protocol - SDP especifica apenas o formato para descrição dessas informações [RFC 3261].

Cada cliente é uma entidade que pode requisitar ou receber respostas. Essas “transações” ou “pedidos” provocam uma ou mais respostas, até que ocorra uma mensagem final. As mensagens SIP são codificadas no formato texto e, basicamente, são pedidos (requisições / requests) ou respostas (responses), como apresentado na Figura 2.6 [Souza 2007].

Figura 2.6 - Estabelecimento de uma sessão com protocolo SIP.

2.6- Conclusão

Foi apresentada uma breve explanação sobre os fundamentos teóricos e a concepção da formulação do problema de comunicação VoWiFi, além de algumas linhas de pesquisas na área, dentre as quais se destacam: “ o problema da análise de desempenho da qualidade de serviço de aplicações VoIP em redes sem fio com handoff ” e “ A avaliação do desempenho de aplicações VoIP ponto - a - ponto”. O texto segue adiante com a apresentação da modelagem e da metodologia utilizadas para a realização dos experimentos, bem como os ambientes de execução dos testes.

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_________________________________________________________________________ Capítulo 3 Modelagem e Metodologia dos Experimentos _________________________________________________________________________ Neste capítulo são apresentados os problemas inerentes à comunicação VoWiFi e que, mesmo com as restrições é possível seu uso prático como solução alternativa a problemas específicos de comunicação. Dentro dessa perspectiva, o serviço de vigilância móvel da UFRN se apresenta como um potencial usuário de VoWiFi. Assim, se faz necessário a realização de experimentos destinados a realizar medidas em parâmetros de desempenho já mencionados nos capítulos antecedentes e, para isso, são apresentadas a modelagem e a metodologia adotada para a concretização dos experimentos, assim como os locais de realização dos testes, as ferramentas e os equipamentos utilizados na sua efetivação.

3.1 Problemas e Desafios de Uma Comunicação VoWiFi

O problema da mobilidade ou da migração das conexões de serviços de voz sobre redes sem fio não passa despercebido pelo usuário como bem ressalta Conceição (2009). Em decorrência, existem vários esforços com o objetivo de otimizar o processo de migração de conexões entre redes IEEE 802.11 [Velayos & Karlsson 2004], principalmente na fase de busca das redes eventualmente ativas e do processo de handoff em decorrência da viabilidade da efetivação de uma migração.

Em uma rede 802.11 convencional a duração de um handoff varia em função do ambiente onde será executada a operação de permuta de rede, podendo afetar o tempo de retardo de maneira imprevisível [Conceição 2009], comprometendo aplicações multimídia como VoIP, que é uma aplicação sensível ao atraso. Isso pode afetar uma ligação VoIP de forma significativa, ocasionando uma comunicação de má qualidade.

Além dos problemas relacionados à execução do handoff, pode ser destacada a alta incidência de tráfegos em rajada que não são exclusividades das redes sem fio, pois também podem ocorrer em redes cabeadas, mas são mais comuns nas redes sem fio [Conceição et al. 2009]. A ocorrência de rajadas deve-se a um conjunto de fatores, tais como: scannings, interferências externas, interrupções de processamento, entre outros [Conceição et al. 2009].

Além dos dois problemas supracitados, também se pode mencionar outros que podem dificultar uma implantação de VoWiFi, como as interferências. Para Conceição et al. (2009) as redes IEEE 802.11b e 802.11g são particularmente susceptíveis a interferências externas porque utilizam a mesma freqüência (2.4GHz) de alguns outros dispositivos, tais como fornos de microondas, telefones sem fio e dispositivos bluetooth. Além disso, a propagação do sinal é afetada por fatores como a disposição física de objetos, a orientação das antenas e inclusive as condições climáticas. A força do sinal pode variar significativamente, mesmo em períodos curtos de tempo devido à mobilidade e ao efeito multi-path30 [Conceição et al. 2009]. Segundo Bezerra et al. (2006), são tantos os fatores capazes de afetar e interferir negativamente em uma conexão IEEE 802.11, que é muito difícil prever e dimensionar essas interferências. 30 Efeito multi-path , ocorre quando o sinal do transmissor chega ao receptor por mais de um caminho - sinal direto e refletido (Audilist.org, 2007).

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É importante ressaltar que os problemas até aqui mencionados não podem ser considerados separadamente, pois eles podem acontecer simultaneamente, por vezes tornando-se ainda piores. Por exemplo, conforme menciona Conceição et al. (2009), as rajadas podem ficar mais intensas com o aumento do tráfego e da mobilidade, já os scannings são mais freqüentes em ambientes com maior incidência de interferências. Para aqueles autores, ao se utilizar VoIP para realizar uma ligação telefônica, mesmo em uma rede cabeada, muitos usuários não ficam satisfeitos com a qualidade da ligação. Os atrasos, o eco e as ligações interrompidas desagradam quem está acostumado com a qualidade da PSTN. Com redes sem fio, o problema pode ser ainda maior, pois existe concorrência no acesso ao meio com outras aplicações, interferências no ambiente, como por exemplo, utilização do forno de microondas, outras redes sem fio, além de problemas de propagação e atenuação do sinal, que dependem muito do ambiente no qual a rede se encontra.

Respeitadas as restrições inerentes ao sistema, naturalmente a qualidade de VoWiFi é inferior à de VoIP. Apesar disso, se considera o problema sob a perspectiva de quem não dispõe outra alternativa. Uma conexão sem fio pode se tornar muito atrativa para muitos usuários, fazendo com que VoWiFi seja uma evolução natural de VoIP, assim como ocorreu com outras tecnologias [Conceição 2009]. Este aspecto é a razão da motivação para a realização do presente trabalho, tendo em vista o interesse da administração da UFRN em avaliar a possibilidade de utilizar essa tecnologia no âmbito dos serviços internos de comunicação e em especial na atividade de vigilância patrimonial realizada com unidades fixas e móveis.

3.2 A Modelagem dos Experimentos

A motivação para este trabalho, conforme já mencionado, diz respeito à possibilidade de se utilizar na UFRN comunicações entre estações por meio de aplicações VoIP em sua estrutura de redes sem fio.

Em condições ideais, um trabalho dessa natureza teria que ser experimental em sua inteireza. Entretanto, pelas dificuldades e limitações na infra-estrutura disponível para a montagem dos experimentos resta à alternativa de se utilizar simulações por software e, no que for possível, a utilização dos equipamentos que podem ser disponibilizados para a realização dos experimentos.

A seguir é apresentada a concepção dos experimentos destinados a obter a medição dos parâmetros tidos como adequados para avaliar o desempenho dos sistemas em estudo.

3.2.1 Caracterização dos Ambientes para Realização dos Experimentos

Os experimentos objeto de análise no presente trabalho levam em consideração dois ambientes. O primeiro, denominado de indoor é constituído por redes, espaços e equipamentos localizados na SINFO. O segundo, denominado de outdoor, além de ser constituído por redes do ambiente indoor, utiliza espaços e redes externas ao prédio da SINFO, nomeadamente as redes e instalações do NEPEGN.

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Especificamente, no ambiente indoor os experimentos são realizados entre redes cujos pontos de acesso se localizam na sala da Diretoria de Redes e no Auditório da SINFO, conforme ilustrado na Figura 3.1. A infra-estrutura disponível na sala da Diretoria de Redes é constituída por um ponto de acesso de modelo 8750 da 3COM, um Pentium IV de 3 GHz, com placa de rede de 100 Mbps e um servidor VoIP Pentium IV com CPU DUAL Core de 3 GHz em cada núcleo. No Auditório da SINFO, os experimentos foram estabelecidos com um AP de modelo 7760 da 3COM com conexão de alimentação Power Over Eternet31 - POE, com porta Ethernet.

Ao realizar os experimentos em ambiente outdoor é utilizado na estação móvel um cartão wireless de modelo IEEE 802.11b PC Card proxim 8420-WD e uma antena externa do Kit Orinoco, para um melhor desempenho durante os experimentos.

As especificações do cartão wireless e dos pontos de acesso utilizados para realização dos experimentos são detalhadas no apêndice desse trabalho de pesquisa. Além disso, também são apresentados os parâmetros mínimos necessários na interface wireless das estações para que estas, enquanto estejam fisicamente na área do campus da UFRN, possam se conectar em algum dos pontos de acesso de modelo 8750 da 3COM.

Figura 3.1- Ilustração do ambiente indoor para a realização dos experimentos.

O ambiente outdoor é caracterizado pelo espaço ao ar livre no campus central da UFRN entre os departamentos da SINFO e do NEPEGN, ambos possuem pontos de acesso de modelo 8750 da 3COM, conforme apresentados na Figura 3.2.

31 O Power Over Ethernet ou POE é um padrão que permite transmitir energia elétrica usando o próprio cabo de rede, juntamente com os dados [Morimoto 2007].

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Figura 3. 2- Ilustração do ambiente outdoor para a realização dos experimentos.

Nos ambientes indoor e outdoor são utilizados nos experimentos além de uma estação fixa como já mencionada, uma estação móvel, caracterizada por um laptop Positivo Mobile de modelo V25, com processador Intel celeron M360, com Sistema Operacional Windows XP e suporte a wireless 802.11a, b e g, bem como os módulos de software Ekiga, Wimanager, Scripts em Bash Shel e Iperf, responsáveis respectivamente pelas conexões VoWiFi, medição dos parâmetros de desempenho, pela análise de desempenho e pela injeção de tráfego no sistema. As Figuras 3.3, 3.4, 3.5 e 3.6, ilustram o contexto da montagem dos experimentos nos ambientes indoor e outdoor cujos componentes de software são caracterizados a seguir.

3.2.2 Os Softwares Ekiga, Wimanager, Scripts em Bash Shell, Cacti e o Iperf no

Ambiente dos Experimentos.

A finalidade do software Ekiga na estruturação dos experimentos é proporcionar a

geração de uma conexão VoIP. Trata-se de um aplicativo da classe softphone, de licença gratuita, que opera nos ambientes Windows e Linux e possui suporte aos protocolos de sinalização Session Initiation Protocol – SIP e H.323.

A aplicação Ekiga disponibiliza em cada conexão VoIP um temporizador para a duração de chamadas e uma lista de codecs, dos quais o PCMU é o codec utilizado nos experimentos. Além desses recursos o Ekiga faz a verificação da porcentagem da perda de pacotes, dos pacotes atrasados e dos pacotes fora de ordem, em cada conexão VoIP. A Figura 3.3 ilustra uma janela do Ekiga onde esses parâmetros de desempenho são fornecidos.

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Figura 3.3 - Ilustração da Aplicação Ekiga.

Em se tratando de gerador de tráfego necessário para a realização de uma das metas do presente trabalho, é utilizado o software Iperf, gerando tráfego entre estações no modo cliente/servidor através de portas entre essas estações [ANSI/IEEE 802.11 1999]. Essa ferramenta é capaz de usar tanto o protocolo UDP, quanto TCP e pode lidar com múltiplas conexões simultâneas. No caso desse trabalho de pesquisa é usado o protocolo UDP, por ser mais viável a aplicações de tempo real, como o VoIP. São ilustrados nas Figuras 3.4 e 3.5, a injeção de tráfego de 100kbps pela estação cliente para a estação servidora, durante o tempo de 900 segundos. É utilizado esse tempo, devido à distância a ser percorrida em todos os experimentos.

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Figura 3.4 - Ilustração do Iperf em modo cliente.

De acordo com a linha de comando: iperf -c 10.3.128.178 -u -b 100k -t 900 apresentada na Figura 3.4, é observada a injeção de tráfego de 100kbps durante o tempo de 900 segundos da estação cliente de endereço IP 10.3.128.235 para a estação servidora de endereço IP 10.3.128.178, sendo utilizado durante todo o tempo dessa simulação o protocolo UDP.

Figura 3.5- Ilustração do Iperf em modo servidor.

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Na Figura 3.5, através da linha de comando: iperf –s –u –i 1 a estação servidora recebe da estação cliente o tráfego de 100kbps, mostrando seus resultados no intervalo de 1 (um) em 1 (um) segundo.

Com o objetivo de monitorar o tráfego de rede durante os experimentos outdoor foi utilizado o software Cacti. Essa ferramenta tem o objetivo de coletar e exibir informações sobre o estado dos elementos de uma rede de computadores através de gráficos. É Similar à ferramenta Multi Router Traffic Grapher - MRTG, no uso da monitoração de tráfego de rede onde gera páginas HTML com gráficos de dados coletados a partir do protocolo SNMP ou scripts externos. A Figura 3.6, apresenta o tráfego do ponto de acesso da SINFO monitorado pelo Cacti, durante um dos experimentos realizados em ambiente outdoor.

Figura 3.6- Ilustração dos resultados exibidos pelo Cacti no AP da SINFO

Pode-se perceber nos gráficos apresentados na Figura 3.6, que o maior tráfego monitorado no AP_SINFO 8750, se concentrou no intervalo entre 8:10 horas e 8:50 horas.

Outra ferramenta presente nos ambientes destinados à realização dos experimentos do presente trabalho é o analisador de desempenho de aplicações VoIP, o Wimanager, desenvolvido no Ponto de Presença da Rede Nacional de Ensino e Pesquisa do Rio Grande do Norte – PoP-RN, pelo aluno do Curso de Engenharia da Computação da UFRN, Vinícius Samuel Valério de Souza, sob orientação do Professor Dr. Sergio Vianna Fialho.

Esse aplicativo tem como propósito no presente trabalho, analisar o desempenho das conexões VoWiFi, fornecendo os valores para o jitter, a vazão e a perda de pacotes, além de fornecer o codec utilizado durante as conexões, que no caso dos experimentos em questão é utilizado o codec PCMU em todas as conexões VoWiFi.

Segundo Souza (2008), o Wimanager funciona sobre chamadas VoIP que fazem uso do RTP e do SIP, trabalhando tanto em ambientes Wireless como em ambientes Ethernet. Essa ferramenta foi desenvolvida na linguagem de programação C++, sendo sua interface gráfica desenvolvida no QT Desiger 3, uma ferramenta livre para desenvolvimento de interfaces gráficas para aplicações em C/C++. Seus parâmetros de desempenho são analisados a partir da captura dos pacotes usando a biblioteca libpcap e sua execução é inicializada a partir de privilégios de administrador do sistema (superusuário).

O Wimanager calcula a quantidade de pacotes perdidos analisando o número de seqüência dos pacotes (presente no cabeçalho RTP) para saber se o pacote recebido obedece à seqüência e para saber qual o número do próximo pacote que deve ser recebido [Souza 2008].

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O cálculo utilizado para se obter a porcentagem de pacotes perdidos de acordo com Souza (2008) é representado pela expressão 3.1:

Taxa = 100*(NPerd/NTotal) (3.1) , onde a “Taxa” representa a taxa de pacotes perdidos em porcentagem, o NPerd, indica

o número de pacotes perdidos, e o NTotal equivale ao número de pacotes enviados. Com relação à expressão 3.1, se for considerado a transmissão de 10 (dez) pacotes

durante uma determinada conexão VoWiFi e se nessa conexão forem perdidos 5 (cinco) pacotes, isso irá representar a perda de 50% dos pacotes durante essa comunicação VoWiFi .

De acordo com Souza (2008) para calcular a vazão, o Wimanager utiliza o seguinte cálculo:

V = N/T (3.2), onde “V” representa a vazão, o “N”, indica o número de bits recebidos com sucesso pelo receptor e o “T”, indica a unidade de tempo usada para medir o tempo gasto durante a transmissão. Isso pode ser exemplificado da seguinte forma: cada pacote enviado ao destino leva consigo um número seqüencial (seq) para identificação, sendo considerado P1 = pacote 1, P2 = pacote 2, P3 = pacote 3, etc. Uma aplicação VoIP receberia em um dado instante t1 = 0s, o pacote P1 com seq = 127, em um instante t2 = 2s o pacote P3 com seq = 129, totalizando três pacotes enviados do emissor. Diante desse contexto é perceptível que o pacote P2 com seq = 128 não foi recebido, logo foi perdido durante a transmissão, portanto, a vazão encontrada é igual a um pacote por segundo. Segundo Souza (2008), o Wimanager calcula o jitter baseado na RFC 1889, conforme ilustrado na equação 2.1. A Figura 3.7 ilustra o modo como o aplicativo gera os parâmetros de QoS, a partir do monitoramento de uma chamada SIP efetuada pelo Ekiga.

Figura 3. 7– Ilustração dos resultados gerados pelo Wimanager.

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Segundo Souza (2008), para o funcionamento inicial desse aplicativo é necessário estabelecer configurações prévias pelo usuário, como:

X Informar a interface de rede a ser monitorada, para que o sistema procure-a entre as disponíveis na máquina, para que ela seja colocada em modo promíscuo. Caso não encontre essa interface, será dada uma mensagem de erro que informará a inexistência dessa interface de rede;

X O IP a ser monitorado durante a análise de desempenho, que consiste no IP do host de recepção da comunicação VoIP;

X A escolha do nível de exibição do processo de medição dos parâmetros de desempenho VoWLAN, que consiste na geração de relatórios, onde o sistema avalia o nível de detalhamento previamente escolhido e a partir disso realiza a descrição do pacote capturado através do terminal de descrição. Esses níveis de detalhamento são classificados como: Mínimo, Médio e Máximo. O Mínimo apresenta informações relativas apenas à medição dos parâmetros que medem a qualidade de uma chamada VoWLAN. O Médio oferece todas as informações presentes no nível Mínimo somadas com as descrições dos cabeçalhos de todos os pacotes de voz capturados. O Máximo provê informações presentes no nível Médio, acrescidas da descrição dos valores presentes nos cabeçalhos de todos os pacotes capturados, sendo eles pertencentes ao serviço VoWLAN ou não;

X Opcionalmente, o usuário pode efetuar o modo de execução controlado, determinando a quantidade de pacotes que ele deseja que seja monitorada;

X A escolha de quais parâmetros devem ser mostrados na tela da ferramenta, assim como em qual grandeza esses parâmetros devem ser exibidos, sejam eles em milissegundos, segundos ou em minutos.

Para otimizar a análise dos parâmetros de desempenho obtidos pelo Wimanager foi

utilizado um conjunto de scripts em Liguagem Bash Shell, desenvolvido pelo aluno de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da UFRN, Rafael Marrocos Magalhães, com o intuito de automatizar o tratamento dos resultados provenientes do Wimanager. Essa ferramenta classifica cada pacote gravado no arquivo de log do Wimanager em um tipo específico, como: o jitter, a vazão e a perda de pacote. A saída fornecida por um dos scripts é então utilizada pelo software analisador (Excel, Matlab, ou outro), a fim de gerar estatísticas e gráficos de auxílio às interpretações do fluxo de rede e serviços da mesma. Conforme visto no capítulo anterior, as aplicações de tempo real, como as aplicações VoIP, são sensíveis ao atraso. Diante do propósito desse trabalho, essa métrica de desempenho é imprescindível para a análise de desempenho das comunicações VoWiFi. Em virtude do analisador de desempenho Wimanager não analisar o “atraso” dessas comunicações, essa medida é obtida através da definição do jitter e seus respectivos cálculos baseado na RFC 1889, contextualizado na seção seguinte.

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3.2.3 Estimativa do Atraso

Segundo apresentado na seção anterior, a ferramenta Wimanager a ser utilizada nos

experimentos fornece, entre os parâmetros de desempenho fixados como de interesse do presente trabalho, a vazão, o jitter, e o percentual da perda de pacotes. Entretanto, não fornece o atraso que precisa ser obtido a partir dos outros parâmetros. Uma possível abordagem para obtenção do atraso é através de cálculos baseados no cálculo do jitter fundamentado na RFC 1889, conforme ilustrado na Figura 3.8, onde o Ti, Tj, Tk, representam os atrasos para os pacotes i, j, k, enquanto o Si, Sj e Sk indicam simultaneamente o timestamp RTP, dos pacotes i, j e k. Os Ri, RJ e Rk representam o tempo de chegada em unidades de timestamp RTP do pacote i, j e k.

Figura 3. 8 – Modelo para o cálculo do atraso.

No item (b) é apresentada uma sistematização de uma solução para obter o atraso associado a cada medida de vazão, onde os pacotes mesmo tendo comprimentos distintos, podem ser pensados todos iguais com um tamanho médio de duração Ts segundos, sendo observado no item (a) que os pacotes têm comprimentos diferentes. Segundo a RFC 1889, os

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pacotes possuem timestamps diferentes, onde o timestamp enquanto unidade de medida está vinculada à taxa de amostragem. Assim, nessas condições, a taxa de transmissão em um canal ideal (sem atrasos) seria tx = m/Ts (bits, por segundo), sendo “m” o número de bits contidos nos “Ts” segundos. Isto é, Ts é o tempo de transmissão de um pacote. Como os canais, por várias razões, não são ideais, pode-se associar para cada pacote idealizado (tamanho médio) um tempo de transmissão virtual, “Tv”. Assim, a taxa de transmissão nesse canal imperfeito é S = m/Tv (bits/seg), sendo S < tx, onde S, com as considerações feitas, representa, então, a vazão do canal. Como em “Tv”, temos duas parcelas, “Ts” e o atraso, “T” segundos, então S = m/(Ts +T) bits por segundo. Assim, conhecidos, “m” e “Ts”, é possível obter “T”, o atraso médio associado à vazão. O “m” e o “Ts”, podem ser obtidos respectivamente a partir do tamanho de um pacote VoWiFi e do tempo de transmissão desse pacote de acordo com o codec utilizado na conexão VoWiFi. Segundo Moreira et al. (2009), para se obter o tamanho do pacote de voz de uma conexão VoWiFi, é necessário considerar o somatório dos tamanhos dos cabeçalhos dos protocolos envolvidos na conexão, juntamente com o tamanho do payload do codec usado nas conexões VoWiFi. Essas considerações são apresentadas respectivamente nas Tabelas 3.1 e 3.2, referentes ao codec PCMU, que é uma das versões do G.711 conforme foi explanado no item 2.4.1, referente a esse trabalho de pesquisa.

Tabela 3.1- Camadas e seus respectivos cabeçalhos.

Cabeçalhos Tamanho (bytes)

Ethernet camada 2 26

WiFi camada 2 (com FCS) 34

IP 20

UDP 8

RTP 12

Tabela 3.2 -Informações sobre o codec G.711.

G.711

Bit Rate 64 Kbit/s

Payload de voz 160 bytes

PPS 50

Diante do contexto das Tabelas 3.1 e 3.2, de acordo com Moreira et al. (2009), para se obter o tamanho de um pacote de voz de uma conexão VoWifi, é necessário realizar o somatório do cabeçalho da camada 2 do WiFi, com os cabeçalhos dos protocolos IP, UDP e RTP, juntamente com o payload de voz do codec da conexão VoWiFi. Para se obter o tempo de transmissão de um pacote, também será considerado o tempo de transmissão do codec da conexão VoWiFi. Em se tratando do presente trabalho, a referência utilizada é o codec G.711, obtendo-se um tamanho de 234 (de duzentos e trinta e quatro) bytes, o equivalente a 1.872 (mil oitocentos e setenta e dois) bits.

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Segundo Moreira et al. (2009), para se obter o quanto é consumido do link pelo codec G.711 no padrão 802.11 é necessário a partir da camada 2 IEEE 802.11 e dos cabeçalhos IP, UDP e RTP, calcular a equação 3.4.

Banda consumida = [(74 bytes + 160 bytes) * 8 bits por byte] * 50 pps32 (3.4) Banda consumida = 93600 bit/s = 93,6 Kbit/s. Onde a partir do valor da banda consumida é possível obter o tempo de duração de um pacote VoWiFi, de acordo com os seguintes procedimentos: Se 160 bytes equivalem a 1,25 Kbits, ou seja, 160 bytes * 8 bits /1024 = 1,25 Kb, considerando a banda consumida pelo 802.11 igual a 93,6 Kbit/s da Equação 3.4, a duração para transmitir este pacote é efetuada, dividindo 1,25 Kbits por 93,6 Kbps , que corresponde a 0,013s ou 13,33 ms.

3.3 Metodologia dos Experimentos

Os ambientes indoor e outdoor são realizados em dias e horários diferentes, sendo configurados de acordo com as especificidades de cada experimento. No ambiente indoor, a proposta é a montagem de um ambiente de referência em condições próximas a ideal, supondo o mínino de efeitos externos que possam interferir nos resultados do objeto em estudo. No ambiente outdoor a finalidade é obter resultados de acordo com a realidade desses ambientes na UFRN, levando em consideração todos os possíveis fatores externos que possam interferir de forma significativa nas análises da pesquisa em questão. Os experimentos em ambiente indoor são realizados em duas etapas em ambiente não controlado, ou seja, sem o domínio da situação do tráfego da rede no período dos experimentos. A primeira etapa é executada com o auxílio do softphone Ekiga entre uma estação fixa em rede FastEthernet localizada na Diretoria de Redes da SINFO e uma estação em mobilidade em rede 802.11b deslocando-se entre a sala da Diretoria de Redes e o AUDITÓRIO da SINFO, conforme ilustrado na Figura 3.9. A estação em mobilidade utiliza além da ferramenta Ekiga, o Sistema Operacional Windows XP. A estação fixa utiliza softphone Ekiga, o Sistema Operacional Linux e o analisador de desempenho Wimanager. O uso do Sistema operacional Linux se deve ao fato do aplicativo Wimanager ser projetado para ser executado apenas nesse sistema.

32 Pacotes por segundos.

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Figura 3. 9 – Ambiente indoor sem adição de tráfego controlado.

A segunda etapa dos testes é concretizada da mesma forma que a primeira. O diferencial é que nessa etapa os experimentos são executados através da injeção de tráfego no sistema por meio do gerador de tráfego, Iperf, conforme é apresentado na Figura 3.10. O Iperf injeta tráfego a partir da estação móvel no modo cliente em destino à estação fixa em modo servidor.

Figura 3.10 - Ambiente indoor com adição de tráfego controlado.

Os experimentos em ambiente outdoor são executados em duas fases nas redes da SINFO, assim como nas redes externas ao prédio da SINFO, especificamente as redes e instalações do NEPEGN. Nesse ambiente são realizadas comunicações VoWiFi através da aplicação Ekiga entre uma estação móvel na rede 802.11b e uma estação fixa em rede FastEthernet. A primeira fase desses testes representa os experimentos realizados caminhando com a estação móvel entre os departamentos do NEPEGN e da SINFO. A segunda fase indica os

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experimentos executados com a estação móvel dentro de um automóvel de vigilância da UFRN em mobilidade. A primeira fase é dividida em duas etapas. A primeira etapa trata da análise de desempenho das comunicações VoWiFi através da ferramenta Wimanager sem injeção de tráfego controlado como se apresenta na Figura 3.11, enquanto que a segunda etapa representa os experimentos executados com a injeção de tráfego controlado, segundo ilustração da Figura 3.12. O objetivo dessas etapas é verificar, no ambiente outdoor, qual a influência do aumento do tráfego na rede concorrendo com a comunicação VoWiFi.

Figura 3. 11- Ambiente outdoor sem adição de tráfego controlado.

Figura 3.12–Ambiente outdoor com adição de tráfego controlado.

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A segunda fase dos experimentos outdoor refere-se aos mesmos experimentos realizados na primeira etapa da primeira fase dos testes realizados em ambiente outdoor, onde não ocorre à injeção de tráfego controlado. Nessa fase, a estação móvel participa dos experimentos dentro de um automóvel em mobilidade. Isso pode ser observado na Figura 3.13.

Figura 3.13 –Ambiente outdoor dentro de um automóvel.

O objetivo desses experimentos realizados dentro de um automóvel é verificar o impacto na qualidade da comunicação VoWiFi considerando velocidades do automóvel variando no intervalo de 10km a 40km entre os departamentos da SINFO e do NEPEGN. É considerado esse intervalo pelo fato de serem as velocidades utilizadas pelos vigilantes da UFRN em condições normais de trabalho, ou seja, sem nenhuma situação de emergência. Ao final dos experimentos concretizados nos ambientes indoor e outdoor são obtidas as métricas de desempenho, capturadas pelo Wimanager, que são armazenadas em arquivos do tipo “.txt” e em seguida processadas pelos Scripts em Bash Shell e transformadas no padrão Comma-separated values – CSV, para que possam ser interpretadas pelo Microsoft Office Excel e, em seguida, comparadas com os parâmetros ideais de QoS presentes na literatura para uma comunicação VoIP.

3.4 Conclusão

Neste capítulo foram relatados os problemas inerentes à comunicação VoWiFi e seu uso prático como solução alternativa a problemas específicos de comunicação. Partindo desse princípio foram abordadas a modelagem e a metodologia adotadas para a efetivação dos experimentos, assim como os locais de realização dos testes, as ferramentas e os equipamentos utilizados para a execução dos mesmos. No capítulo seguinte, são apresentados os resultados dos experimentos, assim como a análise de desempenho desses resultados, fazendo comparações deles com os parâmetros de qualidade de voz tidos como ideais por especialistas da literatura.

35

___________________________________________________________________________

Capítulo 4

Experimentos e Análise dos Resultados ___________________________________________________________________________

O capítulo 3 tratou da modelagem e da metodologia utilizadas na preparação e elaboração dos experimentos que têm por objetivo a obtenção dos parâmetros de desempenho tidos como relevantes em conexões VoWiFi e também escolhidos para avaliação no contexto desse trabalho, quais sejam: o atraso, o jitter, a perda de pacotes e a vazão.

Neste capítulo, são apresentados o detalhamento e a contextualização dos experimentos realizados para a obtenção dos referidos parâmetros de desempenho. A análise dos resultados é obtida, dentro das restrições em que os experimentos foram realizados, seguindo o planejamento estabelecido no capítulo anterior, onde houve a caracterização de duas classes, indoor e outdoor e em cada classe, com e sem a inserção de carga controlada.

4.1- Contextualizações dos Experimentos em Ambiente Indoor

Os experimentos no ambiente indoor foram realizados dentro da Superintendência de Informática da UFRN, sendo estabelecidas comunicações VoWiFi entre estações localizadas nas células UFRN_SINFO33 e UFRN_AUDITÓRIO34 onde foram realizadas em duas etapas.

A primeira etapa dos experimentos foi executada considerando-se as redes em seu estado estimado “tráfego natural”. Conforme já delineado no Capítulo 3 (Seção 3.2.2), para a obtenção das métricas de desempenho de qualidade de serviço de uma comunicação VoWiFi nos experimentos desse trabalho, foram utilizados, o softphone Ekiga para estabelecer conexões VoWiFi entre uma estação fixa e outra em mobilidade, como também o uso de cálculos matemáticos baseados no cálculo do jitter, para obtenção dos atrasos de pacotes durante as comunicações VoWiFi. Além do emprego dessa aplicação VoIP e da realização desses cálculos, também foram usados o analisador de desempenho Wimanager, verificando o comportamento de cada comunicação VoWiFi através dos parâmetro de desempenho de qualidade de serviço (vazão, jitter e perda de pacotes). Esses experimentos foram realizados analisando, tanto o “tráfego natural” da rede, como o tráfego forçado” que foi gerado pelo gerador de tráfego Iperf.

Também, pelas razões já mencionadas com relação à previsão da carga natural, como os experimentos são realizados em dias distintos e muitas vezes distantes no tempo, com o fim de facilitar a análise dos dados é feita uma ordenação em relação a uma das métricas, tendo sido escolhido o jitter como parâmetro de ordenação dos resultados obtidos. Essa escolha decorre de sua interconexão direta com o atraso e deste com a vazão.

A segunda etapa dos experimentos indoor difere da primeira apenas pela injeção do “tráfego forçado” que é gerado pelo gerador de tráfego Iperf, conforme ilustrado na Figura 3.10. O Iperf injeta tráfego a partir da estação móvel no modo cliente com destino à estação fixa operando em modo servidor.

33 AP localizado dentro da sala de gerência de redes da SINFO. 34 AP localizado dentro do auditório da SINFO.

36

Consideradas as duas etapas foram realizados 41 (quarenta e um) testes. Entretanto,

como nem todos os testes foram bem sucedidos no sentido de que durante o tempo de deslocamento entre as duas células (ocorrência de handoff), a conexão VoWiFi não sofreu descontinuidade.

Considerado este critério, apenas 21 (vinte um) testes foram considerados para fins de caracterização de resultados, sendo 10 (dez) referentes ao “tráfego natural” e 11 (onze) com injeção de “tráfego forçado”.

De acordo com o número total de experimentos e o número de experimentos aceitáveis, pode-se dizer que, a porcentagem de disponibilidade desse serviço no ambiente indoor é de 50%. A seguir são apresentados os dados obtidos nas duas etapas dos experimentos indoor.

4.1.1- Experimentos no ambiente indoor sem tráfego controlado.

Através do analisador de desempenho Wimanager e da estimativa do atraso a partir do cálculo do jitter, foram obtidos os resultados apresentados na Tabela 4.1 e ilustrados nas Figuras 4.1, 4.2, 4.3 e 4.4.

Tabela 4.1- Ambiente indoor sem adição de carga controlada.

Teste Atraso(ms) S (kbps) - Vazão Jitter (ms) Perda de Pacotes (%)

T1 8,86 84,23 2,60 1,65 T2 10,91 77,13 3,94 4,98 T3 10,30 79,12 4,04 6,05 T4 9,18 83,06 4,17 0,18 T5 10,74 77,67 4,39 2,51 T6 10,10 79,79 4,71 5,97 T7 13,83 68,84 4,76 0,74 T8 8,85 84,28 5,60 0,10 T9 10,54 78,33 5,70 2,64 T10 11,53 75,20 10,12 10,13

A Tabela 4.1, é distribuída em 10 (dez) experimentos, onde são referenciados os atrasos, o jitter, a vazão e a perda de pacotes. Conforme já explicitado e detalhado no Cap. 3 (Seção 3.2.2), os “atrasos” foram obtidos a partir do cálculo do jitter. A “vazão”, o “jitter”, e a “perda de pacotes”, foram obtidos através da ferramenta Wimanager, em dias diferentes, conforme ilustrado na Tabela 4.1. Os resultados desses testes foram plotados conforme apresentado nas Figuras 4.1, 4.2, 4.3 e 4.4.

37

0

2

4

6

8

10

12

14

16

T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10

Experimentos

Atr

aso(m

s)

Atraso(ms)

Figura 4.1- Atrasos indoor sem adição de carga controlada. De acordo com a Figura 4.1, os valores do atraso, estão de acordo com a recomendação ITU-T35 [ITU-T G.114 2003], onde os atrasos totais no sistema são aceitáveis para a maioria das aplicações no intervalo de 0 e 150 ms. Como os experimentos foram realizados em uma Local Área Network - LAN e em ambiente indoor em uma distância percorrida aproximada de 35 metros é previsível que os resultados para o atraso sejam bem abaixo do limite estabelecido pelo ITU-T.

0

2

4

6

8

10

12

T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10

Experimentos

Jitter

(m

s)

Jitter (ms)

Figura 4. 2- Jitter indoor sem adição de carga controlada.

A análise dos resultados indica que o jitter máximo foi de 10,12 ms (teste T10), abaixo do valor máximo tido como aceitável na literatura que é de 40 ms, segundo Percy [Percy 2003]. 35 A União Internacional das Telecomunicações é a agência especializada no domínio das Telecomunicações.

38

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10

Vazã

o(k

bps)

S (kbps)

Figura 4.3- Vazão indoor sem adição de carga controlada.

Na Figura 4.3 os valores referentes à vazão estão dentro dos padrões de qualidade de serviço de voz, pois ao comparar esses resultados com os apresentados nos testes referentes ao atraso apresentados na Figuras 4.1 é perceptível que quanto maior são os valores desse parâmetro, menores são os apresentados pela vazão e vice-versa.

0

2

4

6

8

10

12

T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10

Experimentos

Per

da

de

Pac

ote

s (%

)e

Perda de Pacotes (%)

Figura 4. 4 - Perda de pacotes indoor sem adição de carga controlada.

Segundo os valores apresentados na figura 4.4 a maioria dos experimentos apresentaram resultados abaixo de 5%, que segundo Boger (2008) é o limite para se obter uma qualidade de voz “confortável” em uma comunicação VoWiFi.

4.1.2- Ambiente Indoor Com Adição de Tráfego Controlado.

Essa seção trata dos experimentos realizados em ambiente indoor com injeção de tráfego controlado concorrendo com o tráfego da comunicação VoWiFi e do “tráfego natural” da rede. A Tabela 4.2, apresenta os resultados desses experimentos.

39

Tabela 4 .2 –Ambiente indoor com adição de carga controlada.

Carga Atraso(ms) Jitter(ms) S (kbps) - vazão Perda de Pacotes(%)

100 Kbps 10,30 8,59 79,12 6,10 200 Kbps 11,16 8,07 76,34 6,87 300 Kbps 9,16 4,85 83,13 2,61 500 Kbps 9,04 9,49 83,57 0,77 700 Kbps 9,02 2,96 83,62 0,049 900 Kbps 8,96 6,25 83,86 1,21

1Mbps 8,52 7,63 85,55 0,074 2 Mbps 11,51 12,12 75,26 3,29 3 Mbps 8,99 6,56 83,76 1,027 5 Mbps 9,61 6,56 81,50 1,11 10Mbps 9,73 3,75 81,092 1,96

A Tabela 4.2 é representada por 5 (cinco) colunas, sendo distribuída por 11(onze) experimentos ordenados crescentemente a partir da coluna de “Cargas”, com objetivo de facilitar as análises dos experimentos. Essa coluna representa a adição de tráfego controlado em cada ligação VoWiFi. As colunas do “Atraso”, do “Jitter”, da “vazão” e da “perda de pacotes”, representam os parâmetros de desempenho de QoS analisados em cada comunicação VoWiFi, indicando respectivimente, os atrasos em milisegundos - “ms”; a variação do atraso, em “ms”; a quantidade de pacotes por unidade de tempo, em “Kbps” e a quantidade de pacotes perdidos em porcentagem. As Figuras 4.5, 4.6, 4.7, 4.8 e 4.9 apresentam os resultados desses testes plotados em gráficos. O eixo “x” representa cada experimento realizado juntamente com as cargas injetadas no sistema e o eixo “y”, representa os valores do atraso em cada carga injetada no sistema.

0

2

4

6

8

10

12

14

100 kb

ps

200 kb

ps

300 kb

ps

500 kb

ps

700 kb

ps

900 kb

ps

1Mbp

s

2 Mbp

s

3 Mbp

s

5 Mbp

s

10Mbp

s

Cargas injetadas nos Experimentos

Atr

aso(m

s)

Atraso(ms)

Figura 4.5– Atraso indoor com adição de carga controlada.

Conforme ilustrado na Figura 4.5, pode-se observar que os resultados dos valores do atraso não ultrapassaram os 150ms, valor máximo recomendado pelo ITU-T36 [ITU-T G.114 36 A União Internacional das Telecomunicações é a agência especializada no domínio das Telecomunicações.

40

2003], para se obter comunicações VoWiFi audíveis e compreensíveis. Também não houve diferença significativa entre os valores do atraso, no que se trata da injeção de tráfego controlado dentro do intervalo de cargas conforme mostra a Figura 4.5. Esses resultados indicam que o intervalo de cargas injetadas, não foi prejudicial nas comunicações VoWiFi.

0

2

4

6

8

10

12

14

100 kb

ps

200 kb

ps

300 kb

ps

500 kb

ps

700 kb

ps

900 kb

ps

1Mbp

s

2 Mbp

s

3 Mbp

s

5 Mbp

s

10Mbp

s

Cargas Injetadas nos Experimentos

Jitter

(ms) Jitter(ms)

Figura 4. 6– Jitter indoor com adição de carga controlada.

Todos os valores do jitter ilustrados na Figura 4.6, ficaram abaixo de 40ms, valor máximo tido como aceitável na literatura por Percy (2003).

70

72

74

76

78

80

82

84

86

88

100 kb

ps

200 kb

ps

300 kb

ps

500 kb

ps

700 kb

ps

900 kb

ps

1Mbp

s

2 Mbp

s

3 Mbp

s

5 Mbp

s

10Mbp

s

Cargas Injetadas nos Experimentos

Vazã

o(k

bps)

S (kbps) - vazão

Figura 4.7- Vazão indoor com adição de carga controlada.

Diante das Figuras 4.5 e 4.7 é notório que quando os valores do “atraso” estão elevados, os valores da vazão estão reduzidos e vice-versa.

41

0

1

2

3

4

5

6

7

8

100 kb

ps

200 kb

ps

300 kb

ps

500 kb

ps

700 kb

ps

900 kb

ps

1Mbp

s

2 Mbp

s

3 Mbp

s

5 Mbp

s

10Mbp

s

Cargas Injetadas nos Experimentos

Perd

a d

e P

acote

s(%

)

Perda de Pacotes(%)

Figura 4.8 - Perda de pacotes indoor com adição de carga controlada.

A maioria dos experimentos apresentaram resultados abaixo de 5%, que segundo Boger (2008) é o limite para se obter uma qualidade de voz “confortável” em uma comunicação VoWiFi.

Os resultados apresentados nas Figuras de 4.5 à 4.8, mostraram que a inserção de cargas nos experimentos tiveram pouca influência nos resultados, dessa forma não acarretando diferenças notáveis na rede sem fio e por conseqüência nas ligações VoWiFi. Isso significa que provavelmente o serviço VoIP só comece a ser comprometido a partir de valores superiores a 10 Mbps.

4.2 – Contextualização dos Experimentos em Ambiente Outdoor

Os experimentos em ambiente outdoor são executados em duas fases nas redes da SINFO, assim como nas redes externas ao prédio da SINFO, especificamente as redes e instalações do NEPEGN. Nesse ambiente são realizadas comunicações VoWiFi através da aplicação Ekiga entre uma estação móvel na rede 802.11b e uma estação fixa em rede FastEthernet. Além dessa ferramenta são utilizados o Wimanager, verificando o comportamento de cada comunicação VoWiFi através dos parâmetros de desempenho de qualidade de serviço (vazão, jitter e perda de pacotes). Também foram realizados cálculos matemáticos baseados no cálculo do jitter, para obtenção dos atrasos de pacotes durante a comunicação VoWiFi. Como os experimentos outdoor foram realizados em horários de expediente normal de trabalho na UFRN, foi necessário o uso do Cacti em cada teste, com o fim de monitorar a taxa de tráfego dos pontos de acesso de uso nos experimentos, visto que outras fontes de cargas estavam concorrendo com a aplicação VoIP. Porém só foi considerado como parâmetro nos resultados dos experimentos, o tráfego do AP UFRN_SINFO, devido a estação móvel ter permanecido a maior parte do tempo da comunicação VoWiFi na área de abrangência pertencente a esse ponto de acesso. Esses experimentos foram realizados analisando tanto o “tráfego natural” da rede, como em “ tráfego forçado” gerado pelo tráfego do Iperf .

42

Foram realizados 254 (duzentos e cinqüenta e quatro) experimentos em ambiente

outdoor, no entanto nem todos os testes foram bem sucedidos. Analisando esse critério, apenas 27 (vinte e sete) testes foram considerados para fins de caracterização de resultados, sendo 10 (dez) referentes ao “tráfego natural”, 11 (onze) com injeção de “tráfego forçado” e 06 (seis) realizados dentro do automóvel.

De acordo com o número total de experimentos realizados e o número de experimentos bem sucedidos, pode-se dizer que, a porcentagem de disponibilidade desse serviço no ambiente outdoor é de aproximadamente 11%. A seguir são apresentados os dados obtidos nas duas fases dos experimentos outdoor.

4.2.1- Ambiente Outdoor sem Adição de Tráfego Controlado

Através do analisador de desempenho Wimanager e cálculos do atraso, foram obtidos os resultados dos testes nos experimentos realizados caminhando com a estação móvel sem a injeção de “tráfego forçado”, conforme apresentado na Tabela 4.3. Como os experimentos são realizados em dias distintos e muitas vezes distantes no tempo, com o fim de facilitar a análise dos dados é feita uma ordenação em relação a uma das métricas, tendo sido escolhido o jitter como parâmetro de ordenação dos resultados obtidos. Essa escolha decorre de sua interconexão direta com o atraso e deste com a vazão.

Tabela 4 .3 - Ambiente outdoor sem adição de tráfego controlado.

Testes Cacti Atraso(ms) Jitter (ms) S (kbps) - Vazão Perda de pacotes (%)

T1 0,8 Mbps 16,87 3,15 61,91 22,61

T2 0,8 Mbps 10,50 3,44 78,46 6,64

T3 1,2 Mbps 19,92 5,36 56,25 52,13

T4 2 Mbps 11,98 5,74 73,87 11,32

T5 1,2 Mbps 17,74 6,58 60,18 42,22

T6 0,9 Mbps 16,75 6,68 62,17 45,32

T7 0,95 Mbps 36,76 9,78 37,35 55,83

T8 1,9 Mbps 14,27 23,32 67,76 17,81

T9 2 Mbps 48,25 25,27 30,38 34,15

T10 1,5 Mbps 42,78 25,95 33,34 30,30

A Tabela 4.3, se subdivide em 6 (seis) colunas, distribuídas em 10 (dez) experimentos, fazendo referência ao fluxo das cargas dos pontos de acesso envolvidos nos testes em cada experimento, além de referências ao “atraso” em “ms”, ao “jitter” em “ms” , a “vazão” em “kbps” e a “perda de pacotes” em “%” . Os resultados desses testes são plotados em gráficos, de acordo com as Figuras 4.9, 4.10, 4.11, 4.12 e 4.13.

43

0

10

20

30

40

50

60

0,8 Mbp

s

0,8 Mbp

s

1,2 Mbp

s

2 Mbp

s

1,2 Mbp

s

0,9 Mbp

s

0,95

Mbp

s

1,9 Mbp

s

2 Mbp

s

1,5 Mbp

s

Experimentos

Atr

aso(m

s)

Atraso(ms)

Figura 4.9 - Atraso outdoor sem adição de carga controlada.

0102030405060708090

0,8 Mbp

s

0,8 Mbp

s

1,2 Mbp

s

2 Mbp

s

1,2 Mbp

s

0,9 Mbp

s

0,95

Mbp

s

1,9 Mbp

s

2 Mbp

s

1,5 Mbp

s

Experimentos

Vaz

ão(k

bps)

S (kbps) - Vazão

Figura 4.10 - Vazão outdoor sem adição de carga controlada.

0102030405060708090

0,8 Mbp

s

0,8 Mbp

s

1,2 Mbp

s

2 Mbp

s

1,2 Mbp

s

0,9 Mbp

s

0,95

Mbp

s

1,9 Mbp

s

2 Mbp

s

1,5 Mbp

s

Experimentos

Val

ore

s das

Mét

rica

si Atraso(ms)

S (kbps) - Vazão

Figura 4.11- Atraso e a vazão em ambiente outdoor sem adição de carga controlada.

44

Na Figura 4.11 pode-se observar em praticamente todos os experimentos que quanto

maior são os valores apresentados pelo “atraso”, menores são os valores indicados pela “vazão” e vice-versa.

0

5

10

15

20

25

30

0,8

Mbps

0,8

Mbps

1,2

Mbps

2

Mbps

1,2

Mbps

0,9

Mbps

0,95

Mbps

1,9

Mbps

2

Mbps

1,5

Mbps

Experimentos

Jitter

(m

s) Jitter (ms)

Figura 4.12 - Jitter outdoor sem adição de carga controlada.

Perda de pacotes (%)

0

10

2030

40

50

60

0,8 Mbp

s

0,8 Mbp

s

1,2 Mbp

s

2 Mbp

s

1,2 Mbp

s

0,9 Mbp

s

0,95

Mbp

s

1,9 Mbp

s

2 Mbp

s

1,5 Mbp

s

Experimentos

Per

da

de

pac

ote

s (%

)(

Perda de pacotes (%)

Figura 4. 13–Perda de pacotes outdoor sem adição de carga controlada.

Pode-se observar nas Figuras de 4.9 a 4.13 que as cargas nos pontos de acesso da SINFO monitorados pelo Cacti, não foram fatores impactantes na variação das métricas de desempenho, pelo fato dos resultados dessas métricas serem bem variados, independentes das cargas presentes nos pontos de acesso supracitados.

4.2.2 - Ambiente Outdoor Com Adição de tráfego Controlado

Nos resultados desses experimentos foi verificado através do analisador de desempenho Wimanager, a influência da adição de tráfego controlado, como também do tráfego presente no ponto de acesso da SINFO presente nos experimentos, monitorado pelo Cacti, como pode ser verificado na Tabela 4.4.

45

Tabela 4. 4 - Testes realizados outdoor com adição de carga controlada.

Cacti (Mbps) Cargas Atraso(ms) Jitter (ms) S (kbps) - Vazão Perda de Pacotes (%)

1,55 100Kbps 18,90 6,51 58,03 32,81

1,08 200 Kbps 18,66 26,08 58,47 37,64

0,5 300 Kbps 27,34 5,9 45,99 13,4

0,75 500 Kbps 17,61 18,75 60,45 27,27

1,07 700 Kbps 12,21 22,64 73,22 7,99

2,03 900 Kbps 16,76 16,69 62,15 30,88

1,04 1Mbps 20,42 12,22 55,41 37,6

2,02 2 Mbps 30,02 9,98 43,15 60,3

0,5 3 Mbps 16,23 20,88 63,27 23,41

2 5 Mbps 19,05 22,55 57,76 34,95

3 10Mbps 27,71 16,26 45,58 54,05

De acordo com a Tabela 4.4 as cargas adicionadas na rede entre 100kbps a 2Mbps são condizentes com o que foi verificado através do Cacti, isso supondo que esses valores foram adicionados na rede, junto com outras possíveis cargas geradas por outras fontes, como por exemplo, outras estações. Porém a estação móvel, não conseguiu adicionar na rede as cargas referentes à 3Mbps, 5Mps e 10Mbps completamente. Isso pode ter ocorrido devido ao afastamento da estação móvel da sua área de cobertura, pois na medida em que essa estação ia se distanciando da sua área de abrangência, conseqüentemente a sua taxa de transmissão também ia diminuindo. Foi observado durante a trajetória percorrida que a taxa de transmissão variava muito, chegando momentos de decréscimo de 6Mbps, 5,5Mbps, 2Mbps até 1Mbps, sendo impossível injetar tráfego na rede maior que sua taxa de transmissão. A distância aproximada do percurso desses experimentos foi em torno de 75,38 metros, conforme é apresentado na Figura 4.14, obtido através do google maps.

Figura 4.14- Trajetória percorrida caminhando com a estação móvel em ambiente outdoor.

46

Pode-se observar nas Figuras de 4.15 a 4.19 as distribuições das métricas de desempenho, com adição de cargas em “Kbps” e “Mbps”, juntamente com os resultados apresentados pelo monitoramento do Cacti em “Mbps” em cada teste efetuado.

05

101520253035

100Kbps

200

Kbps

300

Kbps

500

Kbps

700

Kbps

900

Kbps

1M

bps

2 M

bps

3 M

bps

5 M

bps

10M

bps

1,55 1,08 0,5 0,75 1,07 2,03 1,04 2,02 0,5 2 3

Injeção de tráfego juntamente com os valores apresentados pelo Cacti em Mbps

Atr

aso(m

s))

Atraso(ms)

Figura 4. 15 – Atraso outdoor com adição de carga controlada.

Os experimentos referentes à Figura 4.15, indicaram que os valores dos atrasos estão dentro do limite recomendado pelo ITU-T37 [ITU-T G.114 2003], para se obter comunicações VoWiFi audíveis e compreensíveis.

01020304050607080

100Kbps

200

Kbps

300

Kbps

500

Kbps

700

Kbps

900

Kbps

1M

bps

2 M

bps

3 M

bps

5 M

bps

10M

bps

1,55 1,08 0,5 0,75 1,07 2,03 1,04 2,02 0,5 2 3

Injeão de Tráfego juntamente com os valores apresntados pelo Cacti em Mbps

Vazã

o (K

bps)

Vazão (Kbps)

Figura 4 16–Vazão outdoor com adição de carga controlada.

37 A União Internacional das Telecomunicações é a agência especializada no domínio das Telecomunicações.

47

01020304050607080

100Kbps

200

Kbps

300

Kbps

500

Kbps

700

Kbps

900

Kbps

1M

bps

2 M

bps

3 M

bps

5 M

bps

10M

bps

1,55 1,08 0,5 0,75 1,07 2,03 1,04 2,02 0,5 2 3

Experimentos

Val

ore

s das

Mét

rica

si

Atraso(ms)

S (Kbps)-Vazão

Figura 4. 17– Atraso e a vazão outdoor com adição de carga controlada.

Os valores do “atraso” e da “vazão” estão coerentes como ilustrados na Figura 4.17, pois à medida que uma dessas medidas está com seus valores em declínio a outra está com seus valores em ascendência e vice e versa. Durante os experimentos, as comunicações VoWiFi foram em sua maioria razoáveis, apresentando alguns momentos de falhas na conversação, possivelmente nos momentos próximos a ocorrência do handoff.

05

1015202530

100K

bps

200

Kbps

300

Kbps

500

Kbps

700

Kbps

900

Kbps

1M

bps

2 M

bps

3 M

bps

5 M

bps

10M

bps

1,55 1,08 0,5 0,75 1,07 2,03 1,04 2,02 0,5 2 3

Injeção de tráfego juntamente com valores apresentados pelo Cacti em Mbps

Jitter

(m

s)

Jitter (ms)

Figura 4. 18- Jitter outdoor com adição de carga controlada. Conforme a Figura 4.18, o jitter, apesar de ter apresentado em alguns momentos resultados elevados, esses não chegaram a ultrapassar 40ms, que segundo Percy (2003), é o limite máximo admitido para se obter uma comunicação VoIP confortável.

48

010203040506070

100K

bps

200

Kbps

300

Kbps

500

Kbps

700

Kbps

900

Kbps

1M

bps

2 M

bps

3 M

bps

5 M

bps

10M

bps

1,55 1,08 0,5 0,75 1,07 2,03 1,04 2,02 0,5 2 3

Injeção de tráfego juntamente com os valores apresentados pelo Cacti em Mbps

Per

da

de

Pac

ote

s (%

)t Perda de Pacotes (%)

Figura 4.19 –Perda de pacotes outdoor com adição de carga controlada.

De acordo com a Figura 4.19, as perdas de pacotes apresentaram valores bem elevados, pois segundo Boger (2008), para se conseguir uma comunicação VoIP de boa qualidade as perdas de pacotes não devem ultrapassar 5%. Esses resultados elevados podem ter sido ocasionados pelas quedas das conexões no momento de handoff, quando em ambiente outdoor verificou-se um tempo variando de 15 segundos a 20 segundos. Outro fator importante é que os pontos de acesso envolvidos nos experimentos do presente trabalho não possuíam suporte a QoS, contribuindo para possíveis atrasos na entrega de pacotes de voz e conseqüentemente perdas de pacotes. Mas apesar desses resultados, as comunicações VoWiFi antes da ocorrência do handoff, foram razoavelmente satisfatórias.

4.3 – Contextualização dos Experimentos em Ambiente Outdoor no Automóvel

Foram analisadas comunicações VoWiFi através de uma estação em mobilidade dentro de um veículo em mobilidade de duas maneiras. Uma foi realizada através de paradas do automóvel no momento de Handoff e a outra sem a ocorrência de paradas do automóvel no momento de Handoff. Esses experimentos tiveram o objetivo de verificar nessas duas maneiras o comportamento da comunicação VoWiFi, a partir da análise dos parâmetros de desempenho, sem a utilização de injeção de “tráfego forçado”. Em cada experimento essas comunicações tiveram um tempo de 2 a 5 minutos de duração em um percurso de 600 metros aproximadamente, com o automóvel em velocidades padronizadas no intervalo de 10km à 40km. Foram adotadas essas velocidades, pelo fato de serem as velocidades utilizadas pelos vigilantes do campus da UFRN em condições normais de trabalho, ou seja, sem considerar possíveis situações de emergência. Essa trajetória foi capturada pelo google maps, conforme ilustração da Figura 4.20.

49

Figura 4.20- Trajetória do percurso completo realizado no automóvel.

4.4.1- Paradas do Automóvel no Instante de Handoff

Nesses experimentos foi verificado o comportamento da comunicação VoWiFi, através da análise das métricas de desempenho (atraso, jitter, vazão e perda de pacotes) em cada velocidade aplicada no automóvel. São apresentados na Tabela 4.5 e nas Figuras de 4.21 a 4.25 os resultados das métricas de desempenho de cada experimento realizado, juntamente com as velocidades adotadas no automóvel e os valores do tráfego do AP da SINFO monitorados pelo Cacti em cada experimento realizado. Foram utilizados nesses experimentos apenas os resultados do AP da SINFO, pelo fato da estação móvel permanecer mais tempo nessa área de abrangência.

Tabela 4.5- Métricas de desempenho parando o automóvel no momento de handoff

Cacti Km/h Atraso(ms) Jitter (ms) Vazão (kbps) Perda de Pacotes (%) Duração do Handoff (s)

1,0 Mbps 10 KM 14,03 20,81 68,35 21,38 5seg

0,2 Mbps 20KM 20,21 22,50 55,77 39,70 5seg

0,4 Mbps 30KM 15,07 16,90 65,84 21,57 5 seg

0,4 Mbps 40KM 8,92 3,15 84,03 1,83 3 seg

De acordo com a Tabela 4.5, é perceptível que quanto maior é a velocidade do automóvel empregada nos experimentos, menores são os resultados do “atraso”, do “jitter” e da “perda de pacotes” e conseqüentemente maiores são os valores da vazão. Um dos fatores que podem ter contribuído para isso foi um menor tempo para ocorrência da migração na maior velocidade, comparada com o tempo de migração das

50

menores velocidades. As Figuras 4.21, 4.22, 4.23, 4.24 e 4.25 apresentam esses resultados ilustrados em gráficos para uma melhor visualização.

0

5

10

15

20

25

10 KM 20KM 30KM 40KM

1,0 Mbps 0,2 Mbps 0,4 Mbps 0,4 Mbps

Velocidades do automóvel e os valores do tráfego do AP da SINFO, monitorado pelo

Cacti.

Atr

aso

(ms)

Atraso(ms)

Figura 4. 21 - Valores do atraso em relação à quilometragem

0

5

10

15

20

25

10 KM 20KM 30KM 40KM

1,0 Mbps 0,2 Mbps 0,4 Mbps 0,4 Mbps

velocidades do automóvel e valores do tráfego do AP da Sinfo.

Jitt

er (

ms)

Jitter (ms)

Figura 4. 22 - Valores do jitter em relação à quilometragem.

51

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

10 KM 20KM 30KM 40KM

1,0 Mbps 0,2 Mbps 0,4 Mbps 0,4 Mbps

Velocidades do automóvel e valores do tráfego do AP da SINFO.

Vaz

ão(k

bp

s)

Vazão (kbps)

Figura 4 .23- Valores da vazão em relação à quilometragem.

Perda de Pacotes (%)

0

10

20

30

40

50

10 KM 20KM 30KM 40KM

1,0 Mbps 0,2 Mbps 0,4 Mbps 0,4 Mbps

Velocidades do automóvel e valores do tráfego do Ap da SINFO.

Per

da

de

Pac

ote

s(%

)s

Perda de Pacotes (%)

Figura 4. 24- Valores da Perda de Pacotes em relação à quilometragem.

Na Figura 4.25 pode-se observar que quanto maior são os valores apresentados pelo “atraso”, menores são os valores indicados pela “vazão” e vice-versa.

52

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

10 KM 20KM 30KM 40KM

1,0 Mbps 0,2 Mbps 0,4 Mbps 0,4 Mbps

Velocidades do automóvel e valores do tráfego do AP da SINFO.

Val

ore

s d

as M

étri

cas

Atraso(ms)

Vazão (kbps)

Figura 4 .25- Valores do atraso e da vazão em relação à quilometragem. 4.4.2- A Não Ocorrência de Paradas do Automóvel no Momento de Handoff

A realização dos experimentos sem parar o automóvel no momento de handoff, avalia o comportamento das métricas de desempenho de QoS em comunicações VoWiFi de acordo com essa situação. A execução dos testes considerou apenas as velocidades de 30km/h e 40km/h, devido a ocorrência de muitas falhas durante os experimentos, como desconexões tanto do softphone Ekiga, como das ligações VoWiFi. Outro fator de dificuldade foi à disponibilidade de pessoal da SINFO para a concretização dos testes. A Tabela 4.6 mostra os resultados dos experimentos juntamente com a duração do handoff e a monitoração do tráfego do AP da SINFO através do Cacti em cada experimento. A escolha da utilização dos resultados do tráfego do AP da SINFO, é pelo fato da maior parte do tempo das comunicações VoWiFi terem ocorrido na área de abrangência desse AP.

Tabela 4 .6 - Métricas de desempenho não parando o automóvel no momento de handoff

Cacti Km/h Atraso(ms) Jitter(ms) Vazão(kbps)

Perda de

Pacotes(%)

Duração do

Handoff

0,1 Mbps 30KM 12,40 6,54 72,67 14,48 116 seg

0,1 Mbps 40KM 9,83 4,10 80,70 5,43 84 seg De acordo com a Tabela 4.6, pode-se observar que a duração dos handoffs foi menor na maior velocidade, pois se passa pouco tempo sem conexão. Conseqüentemente o valor do “atraso”, do “jitter” e da “perda de pacotes” é menor, enquanto que o valor da “vazão” é maior. Isso pode ser explicado pelo fato da estação móvel entrar rapidamente na célula de melhor sinalização. Nas Figuras 4.26, 4.27, 4.28 e 4.29, são apresentados os resultados desses experimentos plotados através de gráficos.

53

0

2

4

6

8

10

12

14

30KM 40KM

0,1 Mbps 0,1 Mbps

Velocidades do automóvel e valores do tráfego do AP da SINFO.

Atras

o(m

s) Atraso(ms)

Figura 4 .26- Valores do atraso em relação à quilometragem.

0

1

2

3

4

5

6

7

30KM 40KM

0,1 Mbps 0,1 Mbps

Velocidades do automóvel e valores do tráfego do AP da SINFO.

Jitter

(ms) Jitter(ms)

Figura 4. 27 - Valores do jitter em relação à quilometragem.

Pode-se observar nas Figuras de 4.26, 4.27 e 4.29 que os valores das métricas de desempenho diminuem com aumento da velocidade. Isso pode ter ocorrido pelo fato de na maior velocidade se passar menos tempo na área sem “cobertura” de sinalização.

68

70

72

74

76

78

80

82

30KM 40KM

0,1 Mbps 0,1 Mbps

Velocidades do automóvel e valores do tráfego do AP da SINFO.

Vaz

ão(k

bps) Vazão(kbps)

Figura 4.28 - Valores da vazão em relação à quilometragem.

54

De acordo com os resultados apresentados nas Figuras de 4.26 a 4.29, é notório que os resultados da vazão em relação às outras medidas, são inversamente proporcionais, pois à medida que o atraso, o jitter e a perda de pacotes aumentam a vazão apresenta resultados baixos.

02468

10121416

30KM 40KM

0,1 Mbps 0,1 Mbps

Velocidades do automóvel e valores do tráfego do AP da SINFO.

Per

da

de

Pac

ote

s(%

)s

Perda de Pacotes(%)

Figura 4 .29- Valores da Perda de Pacotes em relação à quilometragem.

4.5 – Conclusão

Foram realizados 295 testes no total dos ambientes indoor e outdoor. Dentro desse número foram realizados 254 experimentos outdoor. Porém do número total de experimentos realizados em ambiente indoor e outdoor só foram considerados 48 experimentos, devido aos inúmeros problemas ocorridos durante os testes em ambiente outdoor, como freqüentes “quedas” nas conexões, gerando interrupções das ligações VoWiFi. Isso pode ser justificado pelo fato das redes IEEE 802.11 serem intrinsecamente variáveis devido ao grande número de fontes de interferências que podem prejudicar o seu desempenho.

Através dos experimentos foi verificado que as comunicações VoWiFi não foram transparentes ao usuário em nenhum dos ambientes de realização dos testes, visto que no ambiente outdoor caminhando com a estação móvel, o handoff teve um tempo de duração de 15 a 20 segundos, variando de um experimento para o outro. Já em ambiente indoor esse tempo variou de 5 a 10 segundos. Em se tratando dos experimentos realizados em automóvel, foram observadas diferenças significativas em relação aos tempos das migrações dos experimentos, variando de 3 a 116 segundos. Esse fato já era de se esperar, em decorrência do padrão 802.11b, não ser um padrão adequado para migrações entre células. Dentre os experimentos realizados nos ambientes indoor e outdoor apresentados nesse capítulo, os que apresentaram uma melhor conexão VoWiFi foram os realizados em ambiente indoor. Já os efetivados em ambiente outdoor, apresentaram comunicações VoWiFi relativamente satisfatórias.

55

______________________________________________________________________

Capítulo 5 – Conclusão

______________________________________________________________________

O objetivo do estudo desse trabalho de pesquisa, permitiu analisar o comportamento das comunicações VoWiFi em termos de QoS na infra-estrutura de redes sem fio da UFRN, considerando dois ambientes, denominados de indoor e outdoor. Durante o desenvolvimento do escopo desse trabalho, foi feita uma revisão bibliográfica apresentando a fundamentação teórica necessária para o embasamento da elaboração desse estudo de caso, além da análise de algumas das publicações existentes na literatura relacionadas com o tema proposto. Também foram enfatizados as concepções e características do padrão 802.11b, do serviço VoIP e do processo de handoff, sendo destacadas as fases para a ocorrência da migração (scanning , autenticação, associação e reassociação). Além disso, foram relatados os problemas e restrições presentes em uma comunicação VoWiFi. Apesar de todos os problemas e restrições apresentados no decorrer desse trabalho, foram realizados experimentos com intuito de analisar o desempenho das comunicações VoWiFi nos ambientes indoor e outdoor através de duas etapas, uma delas verificando esse desempenho por meio de “tráfego forçado” e a outra analisando o desempenho apenas com o “ tráfego natural”. Em seguida, foram apresentadas a modelagem e a metodologia utilizadas para a realização dos experimentos, bem como os ambientes de execução dos testes, as características e funcionalidades das ferramentas utilizadas, onde foram escolhidas devido as suas funcionalidades e gratuidade. Adiante, foram analisados os resultados dos experimentos, obtidos mediante as métricas de desempenho de QoS (atraso, jitter, vazão e perda de pacotes) em ambos os ambientes, com intuito de fazer comparações dos resultados com os parâmetros de qualidade de serviço de voz presentes na literatura. Dentro dessa avaliação comparativa pode-se concluir que os experimentos que apresentaram resultados mais próximos da qualidade de serviço dentro dos padrões recomendados pela literatura, foram os concretizados em ambiente indoor. Em todos os experimentos consolidados, nenhum deles foi transparente ao usuário, devido ao padrão 802.11b não ser um padrão recomendado para esse fim.

A percepção desses experimentos foi visualizada através da caracterização dos ambientes, apresentando os principais protocolos da pilha TCP/IP, específicos para as aplicações utilizadas durante os experimentos. Várias referências apresentadas no decorrer desse trabalho puderam constatar através de experimentos realizados, que o padrão 802.11b não é um padrão ideal para a mobilidade entre células, pois foi visto que um dos principais problemas é a migração entre BSS. Espera-se que esse trabalho de pesquisa possa servir de subsídio para a utilização da tecnologia VoIP em meio sem fio, no âmbito dos serviços internos de comunicação da UFRN, principalmente no que diz respeito a atividade de vigilância patrimonial realizada com unidades fixas e móveis.

56

Além disso, pretende-se contribuir para trabalhos futuros que venham avaliar o desempenho de serviços VoIP em que haja mobilidade das estações usuárias, possibilitando pesquisas que venham a obter comunicações VoWiFi transparentes ao usuário como as comunicações PSTN.

57

______________________________________________________________________

Referências Bibliográficas

______________________________________________________________________

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Tanenbaum, Andrew S. (2003). Redes de Computadores, Rio de Janeiro, RJ.

61

____________________________________________________________________ Apêndice A

Informações Adicionais ____________________________________________________________________ Os dois pontos de acesso utilizados nos experimentos nas células

UFRN_SINFO e UFRN_NEPEGN foram de modelo 8750 da 3COM. As especificações

desse AP são mostradas na tabela a seguir.

Dispositivo Especificações Valores

Access Point 3Com Wireless LAN Access Point 8750 (3CRWE875075A)

Potência da saída - 802.11a 17 dBm 20 dBm

Sensibilidade de recepção na interface 802.11a

− 66 dBm (54 Mb) − 73 dBm (36 Mb) − 82 dBm (12 Mb) − 84 dBm (6 Mb)

Potência da saída - 802.11g 17 dBm

Sensibilidade de recepção na interface 802.11g

− 73 dBm (54 Mb) − 80 dBm (36 Mb) − 85 dBm (24 Mb) − 86 dBm (12 Mb) − 88 dBm (11 Mb) − 92 dBm (5.5 Mb) − 94 dBm (2 Mb) − 96 dBm (1 Mb)

Antena Omni direcional Ganho 8 dBi38

Cabo 1,82 m (AP → antena) Perda 3 Db39

38 A expressão dBi, é para quantificar o ganho de uma antena, que é uma medida relativa. O “i” se refere apenas a uma antena isotrópica, que teoricamente é um transmissor ideal que irradia sinal em todas as direções com a mesma intensidade, com 100 % de eficiência em três dimensões. dBi é usado em Rádio Freqüência da mesma maneira que o decibel [Farias 2006].

39 Decibéis estão relacionados a watts por uma expressão logarítmica com base 10. É Usado para expressar sinais da ordem de 0.000000001 watts. Normalmente um receptor que é muito sensível a sinais de Rádio Freqüência deve ser capaz de captar sinais desta ordem. O decibel é usado como uma forma mais inteligível de expressar esses sinais, sendo utilizado pela indústria para medidas de potência [Farias 2006].

62

De posse dos dados da tabela acima, são especificados os parâmetros mínimos

necessários na interface wireless das estações para que estas enquanto estejam

fisicamente na área do campus da UFRN, possam se conectar em algum dos pontos

de acesso de modelo 8750. É determinada a seguir a fórmula do alcance em

quilômetros entre dois pontos wireless [Cabling News 2001]:

Alcance entre dois pontos = 2x Km, onde:

x = Potência do Emissor + |Sensibilidade do Receptor| + Σ ganho antenas – Σ perda cabos -100

6

O uso dessa fórmula será importante para a determinação de dispositivos, tais

como interfaces de rede e antenas, que deverão ser utilizados pelos clientes de forma

satisfatória. Vale observar também que deve ser feito o cálculo tanto do AP para o

cliente, como do cliente para o AP, visto que para cada um deles mudam os valores dos

transmissores e receptores [Medeiros 2006]. Como exemplos são especificados na

tabela a seguir, características do cartão e da antena externa utilizados nos experimentos

desse trabalho.

Dispositivo Especificações Valores

Cartão wireless Orinoco 11b 8420 com entrada para antena externa

Potência da saída 15 dBm

Sensibilidade de recepção

− 82 dBm (11 Mb)

− 87 dBm (5.5 Mb)

− 91 dBm (2 Mb)

− 94 dBm (1 Mb)

Antena Omni direcional Orinoco Range Extender com cabo acoplado de 1,5 m

Ganho Total 2,5 dBi

Com base nas especificações das tabelas supracitaas, são feitos os cálculos

referentes ao alcance entre um AP e uma estação comunicando-se a uma taxa de

transmissão de 11 Mbps (padrão 802.11b). Primeiro, será calculado o alcance para o AP

como transmissor e o cliente como receptor:

x = 17 + |-82| + 10,5 – 3 – 100 = 6,5 ≅ 1,08 6 6

63

21,08 ≅ 2,11 Km (alcance do AP para o cliente)

Agora será realizado o mesmo cálculo, sendo o cliente o transmissor e o AP o

receptor:

x = 15 + |-88| + 10,5 – 3 – 100 = 10,5 = 1,75 6 6 21,75 ≅ 3,36 Km (alcance do cliente para o AP)

Porém, é importante ressaltar que os valores obtidos são teóricos, e levam em

consideração uma visada direta sem obstáculos. Portanto, na prática, a tendência é que

este valor seja bem menor que o valor calculado teoricamente [Medeiros 2006].