Bandbreitenberechnungen in VoIP-Systemen...N B = 0,1 % B = 0,2 % B = 0,5 % B = 1 % B = 5 % B = 10 %...

Ein Arbeitspapier des VAF Bundesverband Telekommunikation e.V.

Bandbreitenberechnungen in VoIP-Systemen

Aktualisierte

und erweiterte

2. Auflage

Impressum

Bandbreitenberechnungen in VoIP-SystemenEin Arbeitspapier des VAF Bundesverband Telekommunikation e.V.

Autor: Prof. Dr. Gerd Siegmund, Stuttgart

Titelseitengestaltung: Uwe Klenner, Passau

Bildnachweis Titelseite: shutterstock

Herausgeber:VAF Bundesverband Telekommunikation e.V.Otto-Hahn-Str. 1640721 HildenTel.: 02103 700-250Fax: 02103 [email protected]

Copyright: VAF 2020Aktualisierte und erweiterte 2. AuflageErstauflage 2012

Alle Rechte, auch das der auszugsweisen Vervielfältigung, liegen beim VAF Bundesver-band Telekommunikation e.V.

Die Publikation wurde mit größtmöglicher Sorgfalt erstellt. Es wird aber ausgeschlossen, dass der Herausgeber Haftung für sachliche Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernimmt. Insbesondere liegt die Anwendung der in dieser Publikation enthaltenen Handlungsempfehlungen ausschließlich in der Verantwortung des Lesers beziehungs-weise Anwenders. Es wird darauf hingewiesen, dass immer die Umstände des Einzelfalls zu berücksichtigen sind.

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Inhaltsverzeichnis

1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2 Das Zeitmultiplexsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.1 TDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2 Verkehrsberechnungen (Erlang) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.3 Berechnung des Verkehrsangebots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

3 Grundlagen und Hintergrundinformationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.1 Auslastung des Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83.2 Laufzeitvarianzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.3 Das Internet ist anders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.4 Echtzeitkommunikation in IP-Netzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

4 Die Eigenschaften des Internet-Verkehrs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124.1 VoIP ist eine große Belastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124.2 Beurteilung der Netzbelastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154.3 Warteschlangen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154.4 Traffic Shaping. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .164.5 Verkehrsmischungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

5 Auslegung in VoIP-Systemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235.1 Berechnung der erforderlichen Bandbreite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235.2 Mischungen zwischen VoIP und der Datenkommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245.3 Wartezeitsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255.4 Die Strecke transportiert nur RTP-Pakete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265.5 RTP wird priorisiert übertragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285.6 QoS wird durch Überdimensionierung des Systems realisiert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305.7 Geschwindigkeitswechsel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335.8 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

6 Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346.1 Was zeigen die Ergebnisse? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346.2 Was passiert, wenn ...? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

7 Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377.1 QoS-Maßnahmen bei VLAN und MPLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377.2 Jitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407.3 Die genaueren Berechnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417.4 Quellen, Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

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Das Zeitmultiplexsystem

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1 Einführung

Private Kommunikationssysteme bzw. Telekommu-nikationsanlagen (TK-Anlagen, TK-Systeme) aktuellerBauart basieren auf dem Internetprotokoll (IP). DieseSysteme werden oft in bereits vorhandene Kunden-netze integriert, deren Eigenschaften mit wenigenAngaben als „VoIP-Ready“ deklariert werden. Mitden TK-Systemen werden jedoch erhöhte Anforde-rungen an diese Netze gestellt, um eine gewisseDienstqualität (Quality of Service – QoS) für dieSprachübertragung sicherzustellen. Zugleich wird dieBelastung dieser Netze durch die Pakete für dieSprachübertragung deutlich erhöht. Die Voice overIP (VoIP) Echtzeitkommunikation erzeugt relativ vie-le kleine (ca. 200 Byte) zusätzlichen IP-Pakete. DieAnzahl der transportierten Pakete beeinflußt dieNetzbelastung und diese die Qualität der Netze, ins-beondere auch die der Sprachübertragung. Für vieleAnwendungen wie Web-Aufrufe und eMail ist dasmeist kein Problem. Für die Echzeitübertragung wieSprache sind solche (auch nur geringen) Einschrän-kungen der Qualität unmittelbar spürbar. Die klassi-schen Datenanwendungen basieren meist auf demTransportprotokoll TCP, das im Fall von Fehlern oderPaketverlust eine Wiederholung der Pakete vorsieht.Echtzeitverbindungen basieren auf UDP, bei demkeine Wiederholungen möglich sind. Speziell dieSprachübertragung erfordert zudem einen vollstän-digen und regelmäßigen Empfang von IP-Paketen.Bei größeren Verzögerungen (ca. 150 ms – die ge-naue Zeit hängt von der Größe des Empfangsspei-chers ab) tritt ein Paketverlust ein, weil die Paketeeinfach zu spät den Empfänger erreichen. Solche Stö-rungen und Beeinflussungen der Übertragungsquali-tät durch Paketverlust treten typischer Weisesporadisch und kaum reproduzierbar auf. Eine einfa-che Mischung von Sprache und Daten in einem Netzbedeutet praktisch immer, dass es zu sporadischenStörungen in der Verständigung kommen kann – diesist auch praktisch unabhängig von der Übertragungs-geschwindigkeit des Netzes.

Viele Netze verfügen daher sinnvollerweise überspezielle QoS-Maßnahmen. Eine dieser Maßnahmenist die Priorisierung der Echtzeitinformationen ge-genüber den anderen IP-Paketen, ein Beispiel hierfürist Differentiated Services (DiffServ). Eine andereMöglichkeit ist die Einrichtung von VLAN und im Be-reich von Standortvernetzung zudem der Einsatz vonMPLS-Systemen (MPLS: Multiprotocol Label Swit-ching) oder Software-defined Networking (SDN).Mitunter trifft man auch auf die Ansicht, dass eineÜberdimensionierung der Netze für die Unterstüt-zung von Echtzeitdiensten völlig ausreichend sei.Welche Maßnahmen im Netz ergriffen wurden, istfür den Anbieter bzw. den Integrator der TK-Systemehäufig nicht ersichtlich. Dies zeigen auch Beispielevon typischen Ausschreibungstexten in diesem Be-

reich. In Ausschreibungen heißt es mitunter sogarnur „Das Netz ist VoIP-Ready“. Diese Aussage kannbedeuten, dass eine Priorisierung des VoIP-Verkehrsvorgenommen wird, dass VLAN- oder MPLS-Systemeeingesetzt werden oder dass Überkapazitäten imNetz für den zusätzlichen VoIP-Verkehr vorhandensind. Diese verschiedenen Maßnahmen sind aber ab-solut nicht gleichwertig. In den folgenden Berech-nungen wird gezeigt, dass auch eine deutlicheÜberdimensionierung Probleme bereiten kann oderdas eine vorhandene 2,048-Mbit/s-Strecke mit einerdurchschnittlichen Belastung von 5 % für die klassi-sche Datenkommunikation zwischen 7 und 24 VoIP-Kanäle transportieren kann, je nachdem, welcheMaßnahmen im Netz ergriffen wurden.

Dieses weite Spektrum zeigt, dass ohne Kenntnis derjeweiligen QoS-Maßnahmen oder ohne Beachtungder spezifischen Eigenschaften des Netzes Vorhersa-gen über die zu erwartenden Eigenschaften derVoIP-Installation bzw. Verkehrsberechnungen fürden konkreten Fall unmöglich sind. Dies gilt auch, ob-wohl selbst Installationen ohne QoS-Maßnahmen oftrecht gut funktionieren. Denn im laufenden Betriebdieser Systeme sind „unerwartet“ auftretende Stö-rungen in den Gesprächen durch stark verzögerteoder fehlende VoIP-Pakete vorprogrammiert. Alleindie Überdimensionierung eines Netzwerks kann kei-nen reibungslosen Betrieb garantieren. Etwas bessersieht es in Systemen mit einer strikten Bevorrechti-gung der VoIP-Pakete aus. Idealerweise sollten aberSDN, MPLS oder VLAN mit QoS-Maßnahmen aufHardwarebasis als Transportnetz eingesetzt werden.Für den Transport der VoIP- und der Daten-Paketewerden hier getrennte logische Kanäle verwendet.Durch den Einsatz dieser getrennten, virtuellen Ka-näle kann die größte Anzahl von VoIP-Kanälen in ei-nem gegebenen System unterstützt werden. Zudemzeigen die Berechnungen, dass nur mit dieser Tech-nik geringe Verzögerungszeiten bei Pakettransportzuverlässig eingehalten werden können.

2 Das Zeitmultiplexsystem

2.1 TDM

Seit der Einführung der digitalen Vermittlungstech-nik werden 64-kbit/s-Kanäle für die Übertragung derSprachinformationen im klassischen Fernsprechnetzverwendet. Die Sprachsignale werden mit dem Puls-codemodulationsverfahren alle 125 µs abgetastetund mit jeweils 8 Bit dargestellt. Durch die Abtastungim 8-kHz-Raster und die Darstellung mit 8 Bit mit ei-nem Codec ergibt sich eine Übermittlungsgeschwin-digkeit von 64 kbit/s. In der digitalen Vermittlungs-technik wird dieser Kanal, im ISDN auch als B-Kanalbezeichnet, den beiden Kommunikationspartnernfür die Dauer der Kommunikation exklusiv zur Verfü-gung gestellt.


Verkehrsberechnungen (Erlang)

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Abbildung 1: Codierung der Sprache nach G.711

Die Übertragung der Sprachinformation erfolgte imISDN mit Zeitmultiplexsystemen (Time DivisionMultiplex – TDM), bei denen mehrere 64-kbit/s-Ka-näle gleichzeitig übertragen werden. Beim Primär-multiplexsystem bilden beispielsweise 30 solcher 64-kbit/s-Kanäle plus einen Kanal für die Synchronisie-rung und ein Kanal zur Übertragung der Signalisie-rung (beide jeweils mit 64 kbit/s, zusammen also 32Kanäle mit jeweils 64 kbit/s), einen Übertragungs-rahmen.

In diesem Multiplex hat jeder einzelne Kanal einenfesten Zeitbereich mit konstanter Wiederholrate.Andere Kanäle können diesen nicht stören oder be-einträchtigen. Der Nutzen der Multiplextechnik liegtin der gemeinsamen Verwendung einer Übertra-gungsstrecke. Für jede der verschiedenen Übertra-gungen in einem Multiplex verhält es sich, als ob sieeine eigene Leitung (mit einer begrenzten Bandbrei-te) für die Übertragung exklusiv hätte (Abbildung 2).

2.2 Verkehrsberechnungen (Erlang)

Das klassische Kommunikationsnetz arbeitet nachdem Prinzip eines Verlustsystems: Sind noch genü-gend Leitungen oder Kanäle vorhanden, können die-se Verbindungen zugeordnet werden. Wenn alleKanäle belegt sind, kommt es zu Verlust, d. h., derVerbindungswunsch kann nicht erfüllt werden.

In der folgenden Abbildung ist dieses Verhalten derTDM-Systeme dargestellt. Solange noch freie Kanälezur Verfügung stehen, können diese auf Anfrage ver-geben werden – der Durchsatz kann entsprechendgesteigert werden. Wenn alle Kanäle vergeben sind(die normalisierte Belastung ist dann genau 1), wirdauch der maximal mögliche Durchsatz erreicht (dernormalisierte Durchsatz ist ebenfalls gleich 1). Eineweitere Steigerung der Belastung führt nicht zur ei-ner weiteren Durchsatzsteigerung [Sie09].

Abbildung 2: Nutzkanäle im ISDN

Tiefpass Abtaster Codierer

0100 11100101 00100101 01010011 01100010 11110001 10100010 1110

TiefpassHaltegliedDecodierer

0100 11100101 00100101 01010011 01100010 11110001 10100010 1110

001011110001101000101110

serielle Übertragung

Call Handling

Call Handling

Call Handling

Vermittlungsstelle

Vermittlungsstelle

Vermittlungsstelle

Session Control

RessourcenZuordnung

belegte Kanäle

freie Kanäle


Das Zeitmultiplexsystem


Abbildung 3: Mit der Belastung steigt der Duschsatzsolange noch freie Kanäle verfügbar sind

Die Verkehrstheorie ermöglicht mithilfe der Statistikdie Berechnung der notwendigen Kanäle oder Lei-tungen, die für eine bestimmte Verkehrsbelastung(das Verkehrsangebot) und einen bestimmten, ak-zeptablen Verlust (z. B. < 1 %) notwendig sind.

Als Beispiel ein Ausschnitt aus einem Ausschrei-bungstext:

Für ein TK-System mit 1000 Telefonen und einem Ver-kehrswert von 0,025 Erl (80 % intern, 20 % extern)und 1000 Telefonen mit einem Verkehrswert von0,030 Erl (50 % intern, 50 % extern)soll die Auslegungder externen Leitungen betrachtet werden. MachenSie einen Vorschlag für die externe Anbindung für ei-nen maximalen Verlust von 1 %. Das Netz ist VoIP-Ready.

Hinweis: Der Verkehrswert ist eine Zeiteinheit wirdaber in der Einheit Erlang, kurz Erl angegeben. AgnerKrarup Erlang war ein dänischen Mathematiker der sei-ne ersten Arbeiten zu der Warteschlangentheorie 1909veröffentlichte.

2.3 Berechnung des Verkehrsangebots

Zuerst kann das Verkehrsangebot durch die Teilneh-meranschlüsse ermittelt werden:

1000 · 0,025 Erl = 25 Erl und 1000 · 0,030 Erl = 30 Erl,das macht für die externe Kommunikation dann: 25Erl · 0,2 = 5 Erl und 30 Erl · 0,5 = 15 Erl. Zusammensind dies 20 Erl für die externe Kommunikation.

Dieses Verkehrsangebot ist unabhängig davon, obein TDM- oder VoIP-System ausgelegt werden soll.

Als Vergleichswert werden zuerst die benötigten Lei-tungen/Kanäle für ein TDM-System ermittelt. Für einVerkehrsangebot von 20 Erl sind 30 Leitungen (Kanä-le) erforderlich, dann bleibt der Verlust unter 1 % (s.folgende Tabelle, [Sie10]). Damit reicht für die exter-ne Anbindung in TDM-Technik genau ein Primärmul-tiplexsystem mit 30 Nutzkanälen.

Abbildung 4: Berechnungsbeispiel für ein Bündel

Tabelle 1: Verkehrstabelle (Ausschnitt)

Nor

mal

isie

rter

Normalisierte Belastung

0 0,5 1,0 1,5

1,0

0,5

0

Dur

chsa

tz

TK-System

Netz-Betreiber

1

2

3

2000

Bündel

Wie viele Kanäle bzw. Bandbreite sind/ist erforderlich?

A in Erlang

N B = 0,1 % B = 0,2 % B = 0,5 % B = 1 % B = 5 % B = 10 % B = 20 %

23 11,5 12,3 13,4 14,5 18,1 20,7 25,3

24 12,2 13,0 14,2 15,3 19,0 21,8 26,5

25 13,0 13,8 15,0 16,1 20,0 22,8 27,7

26 13,7 14,5 15,8 17,0 20,9 23,9 28,9

27 14,4 15,3 16,6 17,8 21,9 24,9 30,2

28 15,2 16,1 17,4 18,6 22,9 26,0 31,4

29 15,9 16,8 18,2 19,5 23,8 27,1 32,6

30 16,7 17,6 19,0 20,3 24,8 28,1 33,8

31 17,4 18,4 19,9 21,2 25,8 29,2 35,1

32 18,2 19,2 20,7 22,0 26,7 30,2 36,3


Berechnung des Verkehrsangebots


3 Grundlagen und Hintergrund

Die ISDN-Zeiten sind vorbei. ISDN wurde in den 80erJahren eingeführt erreichte ab ca.2014 das Ende sei-ner geplanten 30-jährigen Betriebszeit. Für die altenISDN-Systeme bekommt der Netzanbieter keine Er-satzteile mehr und die laufenden Systeme verlierendie einst so hohe System-Verfügbarkeit. Die Nachfol-ger basieren auf dem Internetprotokoll, weil die mei-sten der transportieren Informationen auf diesemProtokoll basieren. Anders als typische Internet-An-wendungen (World Wide Web oder eMail) erfordertdie Übertragung von Sprache besondere Maßnah-men für den Transport, weil das Internet für solcheEchtzeitanwendungen nicht ausgelegt wurde. Das In-ternet basiert auf dem Transport von Paketen, dievon den jeweiligen Quellen spontan und mit unter-schiedlicher Länge und Intensität erzeugt werden. In-nerhalb des Netzes werden diese Paketenacheinander transportiert und werden in Eingangs-speichern der verschiedenen Netzelemente zwi-schengespeichert. Sie verweilen dort, bis sie durchdas Netzelement bearbeitet und weiter transportiertwerden. Die Wartezeit in diesen Zwischenspeichernhängt von der Auslastung der Systeme und damit vondem Verkehr anderer Kommunikationenbeziehun-gen ab. Damit hängt die Laufzeit jedes einzelnen Pa-ketes durch das Netz von der augenblicklichenVerkehrsbelastung im Netz ab. Diese Paketlaufzeiten(Delay) können von Paket zu Paket sehr starkschwanken (das wird als Jitter bezeichnet).

Laufzeitmessungen in lokalen Netzen können immernur Augenblickswerte ergeben, sie treffen keine Aus-sagen zu dem zukünftigen Verhalten des Netzes. Dasbedeutet, das ermittelte Durchschnittswerte sich beiwiederholten Messungen völlig anders darstellenkönnen.

Durchschnittswerte verbergen die eigentlichen Pro-bleme. Datenpakete werden im Internet nicht immermit mit dem gleichen Abstand zueinander übertra-gen. In der Abbildung 5 werden innerhalb des glei-chen Zeitraums (von t0 bis t1) gleich 5 Paketeübertragen. Die obere Übertragung erfolgt mit einerkontinuierlichen Paketrate (die Ankunftsrate der Pa-kete), die untere Übertragung ist „Burst-artig“.

Abbildung 5: Verteilung der Ankunftsrate bei gleicherÜbertragungsrate

Bei vielen, vereinfachten Betrachtungen von Syste-mauslastungen werden die erforderlichen, durch-schnittlichen Bandbreiten einfach zusammengezähltund mit der Übertragungsrate des Netzes verglichen.Dabei werden die Burst-artigen Übertragungen derDatenkommunikation nicht berücksichtigt, genaudiese machen aber die Probleme. Durch die Burst-ar-tige Übertragung in Datennetzen füllen sich währendeines Daten-Bursts die Zwischenspeicher, was größe-re Wartezeiten verursacht. Auch, wenn im Mittel al-les passt, gibt es Probleme mit unterschiedlichenPaketlaufzeiten.

Der zeitliche Abstand zweier nacheinander gesende-ter Pakete hängt von der Anzahl und Häufigkeit derPakete im Netz, also auch von vielen anderen Verbin-dungen ab. In den einzelnen Abschnitten und ggf.auch im Zugangsbereich werden parallel zu den Pa-keten der betrachteten Verbindung auch Pakete an-derer Verbindungen übertragen. Diese verwendenganz oder teilweise die gleichen Abschnitte wie diebetrachtete Verbindung. Werden Pakete verschiede-ner Kommunikationen über einen Abschnitt trans-portiert, müssen sie nacheinander den Abschnittpassieren, dies verursacht eine Wartezeit, die vonder Anzahl und der Größe der anderen Pakete ab-hängt. Da auch die anderen Verbindungen unregel-mäßig unterschiedlich große Pakete senden, ist dieseWartezeit sehr großen Schwankungen unterworfen.Der Abstand zwischen zwei Paketen vom Senderwird durch den Transport im Internet verändert undist nicht konstant.

Abbildung 6: Pakete in Konkurrenz

tt1t0

tt1t0

kontinuierliche Paketrate

Burst-artige Paketrate

InternetNutzinformation


Grundlagen und Hintergrund


Abbildung 7: Zwischenspeicher in jedem Netz-element

Abhängigkeit von der SystemauslastungDie Wartezeiten sind nicht konstant, sie hängen vonder augenblicklichen Systemauslastung der einzel-nen Systeme ab. An jeder Warteschlange kommendie Anfragen von vielen Schnittstellen oder Termi-nals zusammen, die jeweils zufällig und unkoordi-niert Pakete senden.

Die Systemreaktionszeit oder Paketlaufzeit stellt sichfür viele Benutzer als eine zufällige Größe dar. Fürden Benutzer ist es oft leicht einsichtig, dass die War-tezeit von der Geschwindigkeit und der Leistungsfä-higkeit der verwendeten Systeme und der Leitungenabhängt. Offensichtlich ist für alle Anwender, dassdie Reaktionszeit von der Systemauslastung abhän-gig ist, unbekannt ist dagegen oft, dass diese Zeitnicht linear ansteigt. Tatsächlich steigt die Wartezeitexponentiell an, wenn sich die Systemauslastung dertheoretischen Leistungsfähigkeit des Systems nähert(Abb. 8).

Abbildung 8: Erwartetes und tatsächliches Verhaltenvon Wartezeitsystemen

3.1 Auslastung des Systems

Für die weiteren Betrachtungen ist die Systemausla-stung von besonderer Bedeutung. Die Systemausla-stung bestimmt die mittlere Wartezeit in einemSystem. Das Verhältnis/µ wird als Auslastungsfak-tor (manchmal auch als Nutzungsgrad, engl. utiliza-tion) bezeichnet. Für einfache Systeme mit einerBedieneinheit gilt:

Stabilität des Systems, wenn < 1 -> <

Aus dem Satz von Little lassen sich die Kenndaten be-stimmen, beispielsweise auch die mittlere Anzahlvon Anfragen im System:

Dieser Zusammenhang ist in der Auslastungskurve inder Abbildung 9 dargestellt. Ab einer Auslastung vonca. 80 % steigt die Anzahl der Anfragen im Systemdrastisch an. Die durchschnittliche Wartedauer inder Warteschlange (W) ist

Zwischen der Anzahl der Wartenden im System (Nq)und der Wartezeit besteht ein linearer Zusammen-hang. Dieses Verhalten kann auch unter Laborbedin-gungen gemessen werden. In der folgendenAbbildung 9 wurde die mittlere Antwortzeit einesRouters in Abhängigkeit von der Auslastung aufge-nommen.

InternetNutzinformation

Reaktionszeit

Systemauslastung0,2 0,4 0,6 1,00,80

oft unbekanntes Systemverhalten

tatsächliches

erwartetes

Verhalten

Verhalten

=

mittlere Ankunftsrate (Last)

mittlere Bedienrate (Leistung des Systems)

=

= mittlere Auslastung.

N =

W Nq

-------.=


Laufzeitvarianzen


Abbildung 9: Mittlere, gemessene Antwortzeit einesRouters

Die Kurve entspricht genau dem erwarteten Verhal-ten für einfache Systeme in denen die Ankunftsrateder Pakete und die Bedienrate durch die Netzele-mente klare Mittelwerte und eine begrenzte Varianzaufweisen. Reale Systeme in den lokalen Netze sindviel komplexer. Sie verfügen über keine klaren Mit-telwerte und die Varianz strebt gegen unendlich. Dasbedeutet, dass Messungen der Paketlaufzeiten in

diesen Netzen immer wieder völlig andere Werte.Die Kurve aus der Abbildung 9 spiegelt also nicht dasVerhalten eines Routers in einem typischen LAN wi-der. Untersuchungen an realen Systemen zeigten,dass hier bereits bei deutlich geringeren Auslastun-gen relativ große Wartezeiten entstehen.

3.2 Laufzeitvarianzen

In Abhängigkeit von der Auslastung steigt die Warte-zeit und damit die Durchlaufzeit für ein Paket durchdas System an. In der Abbildung 10 ist der nichtline-are Zusammenhang zwischen der Last, der Paketan-kunftsrate und der Durchlaufzeit (Delay) durch einNetzelement dargestellt. Auslastungen oberhalb von80 % ( < 0,8) verursachen bereits in diesen einfa-chen Systemen deutlich größere Paketlaufzeiten, beigeringeren Auslastungen bleiben die Laufzeiten da-gegen sehr klein. Werden mehrere solcher Systemehintereinander geschaltet, d. h. nacheinander vonden Paketen durchlaufen, verstärken sich diese Ein-flüsse, d. h. die Verkehrsspitzen werden im Vergleichzu den geringeren Auslastungen noch stärker hervor-treten.

Abbildung 10: Paketlaufzeiten sind Lastabhängig

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Mittlere Antwortzeit40

30

20

10

0

Systemauslastung[Quelle: Uni-Hannover]

tw

eines Routers [ms]

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Mittlere Wartezeit [ms]

40

30

20

10

0

System-

tw

Ankunftsrate

t

t

Last

Verzögerung

auslastung

(Delay)

Eingangsverkehr (Last in Pakete/s),µ ist hier als konstant

Paketdurchlaufzeit (Delay in ms)

angenommen.

in Pakete/s


Grundlagen und Hintergrund


Abbildung 11: Durchsatz im Internet

3.3 Das Internet ist anders

Während einer Kommunikation im Internet werdenvon einer Anwendung nicht immer die gleiche Anzahlan Paketen oder der gleiche Mittelwert der Vertei-lung der Pakte erzeugt. Die Beanspruchung, derDurchsatz, des Systems wechselt über die Beobach-tungszeit hinweg sehr stark. Je nach Beobachtungs-zeitraum lassen sich die folgenden Kenndatenunterscheiden (Abb. 11):

• Average Rate (mittlere Paket- oder Bitrate) – Beobachtung der Rate über längeren Zeitraum (typisch Minuten, z. B. 6000 Pakete/min).

• Peak Rate (maximale Paket- oder Bitrate) – Beobachtung der Rate über kurzen Zeitraum (typisch Sekunden, z. B. 1500 Pakete/s).

• Burst Size – Beobachtung der Rate in sehr kurzen Zeiträumen (typisch ms, z. B. 100 Pakete/10ms, häufig wird der Beobachtungszeitraum noch kür-zer gewählt).

Selbstähnlichkeit und Hurst-ParameterBei der Beobachtung des IP-Verkehrs einer großenAnzahl von Nutzern und über eine große Zeitspannefällt es schwer, Strukturen oder wiederkehrende Mu-ster zu erkennen. Die Verkehrskurven weisen immersehr starke Nutzungsunterschiede auf, die Kurvensind sehr spitzig, haben viele sehr steile Peaks undändern sich rasch von intensiver zu einer geringenNutzung. In der Aktivitätsphase wird oft gleich eineAnzahl von Paketen zwischen beiden Endpunktender Kommunikation übertragen. Diese zeitlich be-grenzten Schübe der Aktivität werden als „Bursts“bezeichnet (eine schubweise Paketübermittlung).Dieses Burst-artige Verhalten findet man sowohl inVerkehrskurven von sehr kleinen Zeitabschnitten alsauch in den Kurven von sehr langen Abschnitten.Man sagt, der Verkehr besitzt eine Selbstähnlichkeit(sieht immer gleich aus, im Großen wie im Kleinen).

t

DurchsatzEin Burst übersteigt die Peak Rate!

Peak Rate

Average Rate

Burst Size

[Pakete- oder bit/s]

8

6

4

2

00,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Anza

hl d

er W

arte

spei

cher

plät

ze

Auslastung ()

H = 0,9 H = 0,75NQ

Video-Konferenz

0,57 < H < 0,7

Video-Filme0,7 < H < 0,98

LAN-IP-Verkehr

0,7 < H < 0,9

klassische Wartezeitsysteme

(bzw

. Pak

et-D

elay

)

Abbildung 12: Dienste mit unterschiedlichen Verkehrseigenschaften und Hurst-Parameter


Echtzeitkommunikation in IP-Netzen


Hurst-Parameter

Der Grad der Selbstähnlichkeit wird durch den sog.Hurst-Parameter (H) beschrieben. In der Abbildung12 ist dieser Zusammenhang was unter Selbstähn-lichkeit in der Datenkommunikation zu verstehen istdargestellt. Die dargestellte Belastung eines Netzesist für unterschiedliche Zeiträume immer gleich. EineMessung des Datenverkehrs über eine Stunde ergibtbeispielsweise die obere Kurve. Legt man hier dieLupe an und betrachtet einen kleinen Ausschnitt die-ser Messung (z. B. für 5 min) ergibt sich ein ähnlichesBild, das gleiche passiert, wenn man diesen Ab-schnitt wiederum vergrößert und nur 500 ms be-trachtet. Der Hurst-Parameter gibt den Grad derSelbstähnlichkeit an, er kann zwischen 0,5 und 1 lie-gen. Eine bekannte Verteilung ist die Gauß’schenVerteilung, hier kann man H mit 0,5 ansetzen. Mit H= 0,5 ergeben sich klare Mittelwerte mit einer be-grenzten Varianz. Bei H=1 ist der Verkehr in jedemZeitraum nicht mehr unterscheidbar von dem Ver-kehr zu einem beliebigen anderen Zeitraum. Mit ei-nem Hurst-Parameter von 0,7 oder 1 sindMittelwerte kaum bestimmbar und die Varianz dergemessenen Werte strebt gegen unendlich. In derPraxis bedeutet das, dass jede Messung einen ande-ren Wert ergibt. Selbst bei sehr langen Zeiträumenfür die Messungen werden die Werte nicht besseroder genauer – sind immer wieder anders. Der Gradder Selbstähnlichkeit hat daher Auswirkungen aufdie Systemauslastung und damit auf die entstehen-den Paketlaufzeiten.

Abbildung 12: Selbstähnlichkeit

Praktische Werte

Mehrere Untersuchungen zeigten, dass für einen ty-pischen Datenverkehr in einem LAN (Ethernet-basie-rend) der Hurst-Parameter mit ca. H=0,8 bis 0,9angenommen werden kann. Das hat Auswirkungenauf die Auslastungskurve und damit auf die Paket-laufzeiten (s. Abbildung 13).

Achtung: In den Kurven werden immer nur Mittel-werte dargestellt, in Spitzen der Belastung könnenaugenblicklich alle Ressourcen (Buffer) belegt sein,auch wenn die Belastung innerhalb der Beobach-tungsdauer deutlich kleiner als die maximal möglicheBelastung ist. Daher kann es für einzelne Pakete zudeutlich größeren Wartezeiten kommen, als nachder mittleren Auslastung zu erwarten war.

Zusammenfassend kann man den typischen LAN-Verkehr in einem weiten Bereich von 0,6 < H < 0,9 an-nehmen, und H = 0,83 wäre ein guter Ansatz für ei-nen gemischten LAN-Verkehr.

3.4 Echtzeitkommunikation in IP-Netzen

Mischung IP und EchtzeitkommunikationIn der Mischung von Daten- und Echtzeitkommuni-kation wird häufig als Beispiel für die Echtzeitkom-munikation die Sprache gewählt. Zum einen, weilspeziell die Sprachkommunikation relativ hohe For-derungen an die Übertragung stellt, und zum ande-ren, weil das menschliche Ohr eine hoheEmpfindlichkeit gegenüber schwankenden Verzöge-rungszeiten und Paketverlust hat. Gleichzeitig stelltdie Sprachübertragung eine vergleichsweise geringeLast für das Gesamtsystem dar. Eine erste überschlä-gige Betrachtung lässt zunächst kaum Probleme beider Übertragung erkennen – warum sollte VoIP mit64 kbit/s an einem Netz mit mehreren Mbit/s einProblem darstellen?

Das klassische KommunikationsnetzKlassische Kommunikationssysteme arbeiten häufigals Verlustsysteme. Das alte Telefonnetz ist ein typi-sches Beispiel hierfür, das Gleiche gilt aber auch fürdie Mobilkommunikation, in der den Benutzern festeKanäle für die Kommunikation zugeordnet werden.In Verlustsystemen werden freie Ressourcen mitfestgelegten Eigenschaften den anfragenden Kom-munikationsquellen für die Dauer der Kommunikati-on fest zugeordnet.

Diese Eigenschaften ändern sich auch nicht mit zu-nehmender Auslastung. Sind alle Ressourcen in ei-nem Verlustsystem vergeben, kommt es zu Verlust,d. h., weitere Anfragen werden abgelehnt. Verlustsy-steme mit sehr großen Belastungen bedienen die zu-geordneten Ressourcen mit den unverändertenEigenschaften, nur die Anfragen, die über die Lei-stungsfähigkeit der Systeme gehen, werden nicht be-dient.

Bei der Auslegung von Verlustsystemen ist es das Zieldes jeweiligen Netzbetreibers, einen möglichst ge-ringen Verlust für die anfragenden Kunden zu haben.Die Systeme sollen aber auch aus wirtschaftlichenGründen nicht zu stark überdimensioniert sein.


Die Eigenschaften des Internet-Verkehrs


Abbildung 13: Bandbreitenanforderungen/Paketrateim zeitlichen Verkauf

Die Internet-basierte ÜbertragungSysteme, in denen die Sprache (oder andere Echt-zeitverkehre) zusammen mit Nutzinformationenüber das Internet transportiert werden, reagierenanders. Diese Systeme arbeiten als Wartezeitsyste-me. Die Eigenschaften der Nutz- und Steuerinforma-tionen für die Sprachübertragung haben sich nichtgeändert. Die Datenkommunikation lässt sich, wieoben gezeigt, nicht so einfach beschreiben. Die Pake-te der Datenkommunikation beeinflussen aber diePakete der Nutz- und Steuerdaten für die Sprach-kommunikation. Da es in diesen Systemen keine festzugeordneten Kanäle gibt, können die Datenpaketeauch die bereits existierenden Sprachkommunikatio-nen beeinflussen.

PaketverlustEin Paketverlust kann auch durch die Überschreitungder Paketlaufzeit oder durch Fehler beim Pakettrans-port bzw. innerhalb der Netzelemente verursachtwerden. Die meisten Netze sind so ausgelegt, dassPaketverlust trotzdem relativ selten ist (< 5 %, oft-mals < 2 %). Der Paketverlust kann aber auch bei sehrguter Netzauslegung nicht völlig vermieden werden.Wie oben beschrieben, lässt sich ein IP-basiertesNetz nicht vollständig vorausberechnen. Paketver-lust kommt vor, ist aber im Normalfall relativ selten.

4 Die Eigenschaften des Internet-Ver-kehrs

Der klassische IP-Verkehr schwankt von Augenblickzu Augenblick sehr stark. Für diese Kommunikationsind die kurzzeitigen, großen Belastungen gefolgtvon relativ langen Ruhephasen typisch – man nenntdieses Verhalten auch einen „Burst-artigen Ver-kehr“. Diese kurzzeitigen Auslastungen des Systems

sind für den Benutzer kaum spürbar. Die Auswirkun-gen sind größere Paketlaufzeiten und ggf. Paketver-lust in der Kommunikation. Beim Surfen im Internetverwendet der Benutzer meist das Transport ControlProtocol (TCP), bei dem jeder übertragene Informati-onsblock gesichert wird. Bei Paketverlust wird derBlock einfach noch einmal wiederholt. Der Paketver-lust ist also für den Benutzer nicht merklich, die Sy-stembelastung macht sich also nur durch langeReaktionszeiten, die selten auftreten, bemerkbar.

Belastung des NetzesDie Paketlaufzeit hängt von der augenblicklichen Be-lastung des Netzes ab. Normalerweise arbeitet dasNetz mit einer sehr geringen Belastung, nur die kurz-zeitigen Verkehrsspitzen bringen eine nennenswerteSystemauslastung.

In der Abbildung 13 wurde der reine Datenverkehreines LAN aus der Abbildung 13 auf die Systemausla-stung abgebildet (Systemauslastung steigt mit derAnkunftsrate, die Bedienrate ist für das System kon-stant). In vorhandenen Systemen werden diese gro-ßen Auslastungsfälle eher selten sein (sonst würdensie bereits beim vorhandenen Datenverkehr stören).Die meisten LAN sind kräftig überdimensioniert. Die-se Reserven in der LAN-Leistungsfähigkeit und dieeher geringen Bandbreiten-Anforderungen des VoIP-Verkehrs verleiten dazu, den Sprachverkehr als eineeher geringere Belastung einzuordnen, die problem-los vom Netz übertragen werden kann.

4.1 VoIP ist eine große Belastung

Der VoIP-Verkehr bedeutet für das Netz eine sehrgroße Belastung. Der Codec erzeugt sehr viele, kleinePakete, die in kurzen Abständen mit RTP und UDPübertragen werden. Die Anzahl der IP-Pakete proZeit (Paketankunftsrate) ist dabei für die Netzbela-stung bedeutsam, nicht die erforderliche Bandbrei-te.

t

Belastung im Netz

Aufbau der www-Seite Datenaustausch Datenaustausch mit Sprache AbbauFehlerbehebung

Aktionen des Benutzers

(Mbit/s oder Pakete/Sekunde)


VoIP ist eine große Belastung


Abbildung 14: Paketlaufzeit in Abhängigkeit von derBelastung des gemischten Verkehrs

Unabhängig von der PaketlängeFür den Router ist das Paket die Belastung, nicht sostark die Länge des Pakets. Das Routing erfolgt an-hand der im Overhead übertragenen Adressen, un-abhängig von der Paketlänge. Danach muss dasPaket allerdings noch über die gewählte Leitung „ab-fließen“, dieser Vorgang hängt von der Übermitt-lungsgeschwindigkeit und der Paketgröße ab. DieVoIP-Belastung schwankt mit dem Verkehrsaufkom-men für die Sprachkommunikation, dafür sind dieVerbindungen pro Zeit wichtig. Wenn eine Verbin-dung aufgebaut ist, hat sie allerdings immer die glei-che Paketrate (z. B. alle 20ms ein RTP-Paket mit 230Byte), der VoIP-Verkehr hat nicht das Burst-artigeVerhalten des klassischen Datenverkehrs. DieserVerkehr kommt zusätzlich in das vorhandene Daten-netz, d. h., er ist eine Art „Offset“ zum vorhandenenVerkehr. In der Auslastungskurve wird der Verkehrdadurch nach rechts in den Bereich höherer Ausla-stung verschoben.

Belastung für alle AnwendungenDurch die Verschiebung des Verkehrs geraten immermehr Verkehrsspitzen in den Bereich der großen Be-lastung und damit der großen Wartezeiten. Für dengesamten Verkehr aller IP-Pakete (Daten wie Spra-che) treten längere Verzögerungen und vermehrterPaketverlust auf. Die Zeiten größer Belastung sindjetzt im Vergleich zu vorher öfter und länger. Die Lei-stungsfähigkeit des Netzes wird für alle Anwendun-gen geringer. Der Datenverkehr wird durch den VoIP-Verkehr beeinträchtigt, stärker, als die Bandbreiten-anforderungen vermuten lassen.

Ideales NetzverhaltenMit zunehmender Belastung steigt die Durchlaufzeit(Delay) in einem Netz, das lässt sich nicht vermeiden.Ideal wäre es, wenn die Paketlaufzeit bis zum Errei-chen der zur Verfügung stehenden Bandbreite oderLeistungsfähigkeit linear ansteigt und dann keineweiteren Pakete transportiert werden.

Dieses Verhalten hatten das klassische digitale Kom-munikationsnetz, das ISDN. In den klassischen Kom-munikationssystemen ging man immer von einereinheitlichen Kommunikationsart mit einer konstan-

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Mittlere Paketlaufzeit [ms]

40

30

20

10

0

System-

tw

VoIP-Verkehr

auslastung (Last)

Verschiebung durchden VoIP-Verkehr

mit VoIP




ten Übermittlungsgeschwindigkeit von 64 kbit/s aus.Für höhere Anforderungen konnten eine Anzahl die-ser Grundeinheiten zusammengeschaltet werden(N · 64 kbit/s), geringere Anforderungen nutzten die-sen Kanal nur teilweise aus. Eine Belegung eines Ka-nals erfolgte immer für die gesamte Kom-munikationsdauer (Dauer des Gesprächs, Dauer derSession). Die Anzahl der Kommunikationskanäle istin in diesen Systemen begrenzt. Mit steigenden An-forderungen werden immer mehr Kanäle den Ver-bindungen zugeordnet. Wenn alle Kanäle vergebensind, erhalten weitere Anfragen eine Absage (z. B.den Besetztton). Die bestehenden Verbindungenwerden nicht beeinflusst. Das Netz strebt im Fallegroßer Belastung gegen die Grenze der Belastung,gegeben durch die Anzahl der zur Verfügung stehen-den Kanäle. Die erforderlichen Kanäle werden vor-ausberechnet, und diese Auslegung wird regelmäßigüberprüft. In der Abbildung 15 ist der normalisierteDurchsatz, bezogen auf die normalisierte Belastung,dargestellt. Der Durchsatz und die Belastung werdenauf die Leistung, die das System leisten kann, bezo-gen (gegeben durch die verfügbare Anzahl von Kanä-len). Der normierte Durchsatz kann nicht größer als 1werden, dann sind alle verfügbaren Kanäle verge-ben. Weitere Steigerungen der Belastung werdenabgewiesen.

Abbildung 15: Steigende Belastung der klassischenSysteme

Reales Netzverhalten

Die Eigenschaften des IP-basierten-Verkehrs unter-scheiden sich in vielen Punkten von denen der klassi-schen Kommunikation. Hergebrachte Auslegungs-richtlinien können nicht mehr verwendet werden.Die Auslastungkurve in der Abbildung 16 zeigt, dassdieses Netz auf eine zunehmende Belastung mitwachsenden Wartezeiten und damit sich rasch fül-lenden Warteschlangen reagiert. In der Praxis ver-sucht man natürlich immer, ein System möglichstleistungsfähig zu betreiben. Dies bedeutet aber, dassman versucht, den Zustand der Überlast (Congesti-on) möglichst frühzeitig zu vermeiden. Reale Syste-

me reagieren auf die sinkende Leistungsfähigkeit. Biszu dem Punkt A in der Abbildung steigt der Durchsatzim System linear an (no Congestion). Ab dem Punkt Anehmen die Laufzeiten durch das nun belastete Sy-stem stark zu, innerhalb eines Zeitfensters steigt da-mit der normalisierte Durchsatz nicht mehr linearmit der Last an (moderate Congestion). Ab demPunkt B ist das System in einem Überlastungszustand(severe Congestion).

Abbildung 16: Leistungsfähigkeit realer Systeme

Ab dem Punkt B kann die angebotene Last nichtmehr verarbeitet werden. In diesem Zustand:

• nehmen die Paketlaufzeiten drastisch zu,

• sind die Buffer in den Netzelementen gefüllt,

• werden Pakete verworfen.

Aufgrund von verschiedenen Mechanismen in denNetzkomponenten steigt die Last aber noch weiter.Was passiert nach Punkt B:

• Die Router erzeugen mehr Verkehr, Update der Routen (Pfade).

• Die Quellen wiederholen ihre Sendungen, man-che Anwendungen senden bei höheren Paket-verlusten die Pakete gleich doppelt.

All dies führt zu einer weiteren Verschärfung der Si-tuation. Anders ausgedrückt: Mit steigender Bela-stung strebt das System bezüglich des Durchsatzesgegen 0. – Nicht, wie die klassischen

Normalisierter

Normalisierte Belastung0 0,5 1,0 1,5 2,0

1,0

0,5

0

Durchsatz

Nor

mal

isier

ter D

urch

satz

No CongestionModerate

Congestion Severe Congestion

Last

Last

Verz

öger

ung

(Del

ay)

AB


Beurteilung der Netzbelastung


Kommunikationsnetze, gegen eine vorgegebene ma-ximale Belastung! Der Grund hierfür ist die Ausla-stungskurve, die nicht linear ansteigt. DiePaketlaufzeit (Delay) steigt exponentiell, die Bufferlaufen über und in der Protokollbearbeitung laufendie Timer ab. In der Praxis sind extrem lange Paket-laufzeiten aus diesem Grund nicht realistisch. Mit zu-nehmender Auslastung streben reale Systeme daheran einen Grenzwert der Paketverzögerungszeit füralle tatsächlich transportierten Pakete. Gleichzeitigkommen bei zunehmender Belastung immer weni-ger Pakete durch das Netz durch – d. h. der Paketver-lust steigt. Der Grenzwert für die maximale realePaketlaufzeit hängt von viele netzspezifischen Fakto-ren, wie der Übermittlungsgeschwindigkeit, Buffer-größe usw.) ab.

4.2 Beurteilung der Netzbelastung

Für die Beurteilung der Netzauslastung wird oft diegenutzte Übertragungskapazität im Vergleich zu dermöglichen Übertragungskapazität verwendet. Fürdie Übertragung der eigentlichen Nutzdaten müssenaber Pakete mit einer begrenzten Länge gebildetwerden, die noch mit den Paketköpfen (den Header)der verschiedenen OSI-Sichten versehen werdenmüssen. Die Paketgröße ist dabei sehr variabel undhängt von verschiedenen Parametern ab. Im Stan-dardformat des Ethernet-Frames (IEEE 802.3 undauch Ethernet II) können im Payload-Feld minimal 46Byte und maximal 1500 Byte übertragen werden[Rec08], daneben gibt es für die schnellen Netze (z.B. Gigabit-Ethernet) sog. Jumbo-Frames mit 9000, 16000 oder gar 64 000 Byte eine genaue Größe ist hiernicht standardisiert. Eingeführt wurden die großen

Pakete von verschiedenen Herstellern um insbeson-dere die Übertragung von großen Daten effizienterzu gestalten. Das Verhältnis von Nutzdaten zur Längedes gesamten Pakets wird mit zunehmender Paket-länge immer günstiger, weil der sog. Overhead für je-des Paket gleich ist. Der Overhead ist die Summe derverschiedenen Kopffelder bei der Übertragung vonDatenpaketen. Der Overhead ist beispielsweise fürden Transport der Pakete, die Sicherung der Übertra-gung oder zur Regelung des Zugriffs auf ein Übertra-gungsmedium notwendig – es sind aber keineNutzdaten. Der Overhead benötigt eine Übertra-gungskapazität, die dann für die eigentliche Nutzda-tenübertragung nicht mehr zur Verfügung steht.Standardmäßig sind dies die Kopffelder von TCP mit20 Byte, IP ebenfalls 20 Byte und Ethernet mit 14Byte für den Header, 4 Byte für die CRC-Informatio-nen und 8 Byte für die Preambel und zwei weitereByte für die Typ-Kennzeichnung: zusammen sind das26 Byte für den Ethernet-Rahmen + 20 Byte für IPund 20 Byte für TCP.

4.3 Warteschlangen

Es gibt Quellen, bei denen ist die Ankunftsrate kon-stant, d. h. die Pakete werden in einem festen, im-mer gleichen zeitlichen Raster gesendet. Derklassische Codec G.711 für die Sprachübertragungerzeugt durch die Abtastung eines analogen Signalsbeispielsweise alle 125 µs ein Byte. Mehrere Byteswerden zu einem Paket zusammengefasst, da die An-zahl der Byte pro Paket immer gleich ist, ist auch diePaketrate l immer gleich. In der Praxis werden häufig160 Byte zu einem Paket gebündelt, dies entsprichtdann einer Paketankunftsrate von 50 Paketen/s.

Abbildung 17: Schwankungen der Paketankunftsrate

Eingang

Pakete

t

Durchsatz

Peak Rate

Average Rate

8 Mbit/s

10 Mbit/s

6 Mbit/s

4 Mbit/s

2 Mbit/s

Buffer

t

Paketverlust weil der Wartespeicher voll ist




In der Datenkommunikation schwanken die Paketan-kunftsraten von Augenblick zu Augenblick sehr stark.Die eintreffenden Pakete transportieren Nutzinfor-mationen, die in eine effektive Übermittlungsrate(Nutzinformationen in bit/s) umgerechnet werdenkönnen. Wie für die mittlere Paketankunftsrate, lässtsich auch für die Übermittlungsrate rechnerisch im-mer ein Mittelwert bestimmen – dieser wird dann oftfür eine Abschätzung der Systemauslastung ange-nommen. Die augenblickliche Auslastung kann aberum ein vielfaches höher sein.

In der Abbildung 17 wird eine Datenübertragung miteiner schwankenden Übermittlungsrate dargestellt.Die Daten werden immer in Form von Paketen über-tragen, die in einem Netzelement vor der weiterenVerarbeitung (z. B. dem Routing) in einen Zwischen-speicher (Buffer) aufgenommen werden. Wenn zuviele Pakete innerhalb einer bestimmten Zeit von derQuelle produziert werden, kann die Kapazität desSpeichers überschritten werden, d. h. weitere, ein-treffende Pakete finden keinen freien Speicherplatzin der Warteschlange, sie gehen verloren. Im unte-ren Teil der Abbildung 17 sind die eintreffenden Pa-kete dargestellt. Zur Ermittlung der Ankunftsratedividiert man die Anzahl der eingetroffenen Paketeinnerhalb eines Zeitabschnitts durch die Dauer desAbschnitts.

Die Pakete aus dem Beispiel in der Abbildung 18 wer-den etwas vereinfacht in gleiche Zeitabschnitte mitjeweils 1 ms Dauer unterteilt. Die Division der Anzahlder Pakete je Zeitintervall liefert völlig unterschiedli-che Werte für die jeweilige Ankunftsrate (l). In die-sem vereinfachten Beispiel konnten in derDarstellung aus Übersichtsgründen nur sehr wenigePakete je Zeitabschnitt übertragen werden. RealeWerte für l würden daher noch viel stärker schwan-ken. Die jeweilige Paketlänge spielt für die Ermitt-lung der Ankunftsrate keine Rolle. Entsprechend dersehr unterschiedlichen Ankunftsraten füllen sich dieBuffer an den Eingängen der Netzelemente mit deneintreffenden Paketen. Jeder Buffer hat eine be-

grenzte Größe, d. h. es kann immer nur eine begrenz-te Anzahl von Paketen gespeichert werden. Wie vielePakete ein Buffer aufnehmen kann, hängt auch vonder Paketlänge ab. Lange Pakete benötigen einengrößeren Speicherbereich als kurze Pakete.

Abbildung 18: Berechnung der Paketankunftsrate

4.4 Traffic Shaping

Die Datenpakete in einem Netz werden spontan vonden Endsystemen und den dort laufenden Anwen-dungen unabhängig und zufällig erzeugt. Eine kleineAnfrage an einen Server kann dabei eine Vielzahl vonPaketen verursachen. Die Paket-Ankunftsrate istsehr unregelmäßig und schwankt sehr stark. Einegroße Anzahl von Paketen wird büschelartig (Burst-artig), gefolgt von langen Ruhephasen übertragen.Dieser Verkehr ist kaum im Voraus zu berechnen. Eslassen sich zwar immer Mittelwerte berechnen, aberdie Varianz dieser Werte strebt gegen Unendlich,was die Mittelwerte unbrauchbar macht.

Abbildung 19: Pakete in der Warteschlange

Eingang

tt1 t2 t3 t4

Ankünfte:

=10 Pakete

1 ms = 10 000 Pakete/s

=5 Pakete


=16 Pakete


=9 Pakete


Ankünfte

Warteschlange Bedieneinheit

unterschiedlich lange Pakete in der Warteschlange


Traffic Shaping


VerkehrsformungMit einem relativ einfachen Mechanismus, dem Traf-fic Shaping, kann man daraus einen Verkehr mit ei-nem vorgegebenen Grenzwert formen. Dieeintreffenden Pakete werden in einem Speicher miteiner begrenzten Größe zwischengespeichert. Einfest vorgegebener Takt ermöglicht in regelmäßigen,immer gleichen Abständen die Entnahme eines Pa-kets. Dieses Verfahren der Paketentnahme wirdauch als Leaky Bucket bezeichnet. Der Takt der Pake-tentnahme entspricht der Vorgabe für einen verein-barten, maximalen Durchsatz. Treffen viele Pakete ineinem sehr kurzen Abstand am Eingang ein, müsseneinige Pakete warten, bis eine Freigabe für die Ent-nahme eines Paketes eingetroffen ist. Dadurch wer-den die Verkehrsspitzen auf eine etwas längere Zeitverteilt. Der Eingangsspeicher ist in seiner Größe be-grenzt, d. h. wenn zu viele Pakete in zu kurzer Zeiteintreffen, kann es sein, dass kein Speicherplatzmehr frei ist, dann geht ein Paket verloren. Am Aus-gang kann die Paketrate, die vorgegebene maximaleRate nicht überschreiten. Wird dieser Mechanismusfür jeden Eingang angewendet, verhält sich das ge-samte Netz deterministisch und vorhersagbar. Über-lastungen einzelner Systeme im Netz werdendadurch vermieden, die Paketlaufzeiten sind be-grenzt und schwanken nicht so stark und der Paket-verlust wird geringer. Zu Paketverlust kommt es nurbei deutlichen Überschreitungen vereinbarter Da-tenraten am Eingang des Netzes. Diese Überwa-chung des Verkehrs und die Garantie der Einhaltungvon vorgegebenen Parametern wird auch als Policingbezeichnet.

Beispiel für die Arbeitsweise von Traffic ShapingIn dem folgenden Beispiel werden von drei unter-schiedlichen Datenquellen unabhängig voneinanderPakete gesendet (Quelle 1 bis 3). Parallel werden voneiner VoIP-Quelle (Quelle 4) in regelmäßigen Abstän-den relativ kleine Pakete über die gleiche Schnittstel-le gesendet.

Wird der Verkehr der vier Quellen ohne Regulie-rungsmaßnahmen zusammengefasst, setzen sich vorallem die größeren Datenpakete durch. Die Verzöge-rungszeiten für die kleinen Pakete sind sehr groß undvariieren sehr stark (s. Abb. 20).

Mit der Anwendung des Traffic-Shaping-Verfahrensbleiben die Verkehrsmuster nicht so, wie sie von denQuellen erzeugt werden. Um für alle Quellen eine ge-wisse Qualität der Übertragung mit begrenzten Pa-ketlaufzeiten zu ermöglichen, müssen die Paket-Bursts auf eine maximale Paketrate angepasst wer-den. Für jede Quelle kann dabei eine eigene maxima-le Paketrate vorgegeben werden. Die Vorgabenwerden entweder durch eine Signalisierung (Session-Aufbau) am Anfang der Verbindung oder (meistens)durch Management-Einträge von den Netzbetrei-bern definiert. In der Abbildung 21 wird zunächst derVerkehr der Quelle 2 angepasst. Das Freigaberasterentspricht der vereinbarten Paketrate (und damit ei-ner bestimmten maximalen Übertragungsgeschwin-digkeit), die Quelle kann also den vereinbartenDurchsatz auch tatsächlich übertragen. Durch diesesVerfahren gehen keine Pakete der Verkehrsquellenverloren. Das Traffic-Shaping-Verfahren ändert nurden zeitlichen Abstand der Pakete.

Abbildung 20: Ohne Policing

Quelle 1

Quelle 2

Quelle 3

Quelle 4

Multiplex

t

t




Abbildung 21: Anpassung des Verkehrs der Quelle 2

VerkehrsmischungWerden nun die angepassten Verkehre zusammen-gefasst, entspannt sich die Situation beispielsweisefür die Echtzeitkommunikation der Quelle 4. Die Ver-zögerungszeiten für die Pakete der Quelle 4 sinddeutlich kleiner und sie schwanken nicht mehr sostark (s. Pfeile in der Abb. 20 und Abb. 21). Die Effek-te der Verkehrsformung mit dem Traffic-Shaping-

Verfahren werden bereits an diesem einfachen Bei-spiel deutlich. In der Realität sind die Datenpakete imVerhältnis zu den Paketen der Echtzeitkommunikati-on viel größer, d. h., die Behinderung der Echtzeit-Pa-kete ist noch viel stärker als hier darstellbar.

Abbildung 22: Mit Policing (angepasste Verkehre)

Freigabe-Raster

Quelle 2

t

Quelle 1

Quelle 2

Quelle 3

Quelle 4

Multiplex

t


Traffic Shaping


Abbildung 23: Aufgezeichneter Datenverkehr

4.5 VerkehrsmischungenIn den folgenden Abbildungen ist ein Datenverkehrüber 200 ms dargestellt. Für ein Intervall von jeweils20 ms werden die Mittelwerte für die Ankunftsrate() der eintreffenden Pakete, die Bedienrate () fürden Transport mit 10 Mbit/s (alles andere, wie Ein-gangswartespeicher, Paketdurchlaufzeit durch einenSwitch oder Router usw. sind hier noch nicht berück-sichtigt), die Systemauslastung ( = ) und dieDurchlaufzeit für ein durchschnittliches Paket (T)dargestellt. Mit den Darstellungen und Berechnun-gen sollen die Auswirkungen von Verkehrsmischun-gen betrachtet werden. Oft wird die augenblicklicheBelastung und die erwartete Belastung nur anhandder Übertragungsgeschwindigkeiten beurteilt. Dabeiwerden die Mittelwerte der Kommunikation berech-net und im Vergleich zu der möglichen Geschwindig-keit der Datenübertragung ins Verhältnis gesetzt.Dieses Ergebnis wird dann als ein Maß für die Syste-mauslastung genommen. Tatsächlich ist das aberkeine praktikable Methode, um die Auswirkungenzusätzlichen Echtzeitverkehrs abschätzen zu können.Die Mittelwertbildung verschleiert kurzzeitige Bela-stungen, deren Auswirkungen (lange Paketlaufzeitenund ggf. Paketverlust) dann aber im praktischen Be-

trieb doch deutlich spürbar werden. Die Probleme inder Übertragung werden etwas deutlicher, wennman die gesamte Übertragung in kleinere Zeitinter-valle aufteilt und für jedes Intervall einzeln die Ausla-stung beurteilt. Im folgenden Beispiel wird dannaufgezeigt, wie ggf. auftretende kurzzeitige Ausla-stungen und die damit verbundenen langen Paket-laufzeiten durch Traffic Shaping vermieden werdenkönnen.

In diesem Beispiel wurden innerhalb von 200 ms ins-gesamt 136 Pakete mit (zusammen) 64 330 Byte auf-gezeichnet (s. Abb. 23), die Datenübertragungerfolgte mit einer Geschwindigkeit von 10 Mbit/s. Inder Abbildung sind auf der Zeitachse alle eintreffen-den Pakete mit ihrer jeweiligen Paketlänge (y-Achse)dargestellt. Im weiteren wird zunächst nur dieser rei-ne Datenverkehr ohne eine Mischung mit Paketenaus Echtzeitübertragungen betrachtet.

Die vereinfachte BeurteilungIm ersten Ansatz einer sehr vereinfachten Beurtei-lung der Verkehrsauslastung nimmt man einfach dieübertragene Verkehrsmenge, teilt diese durch dieBeobachtungszeit und setzt dies in Verhältnis zurmöglichen Übertragungsrate. In dem Beispiel bedeu-tet dies:

t/ms0

Paketlänge/Byte

20 40 60

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

80 100 120 140 160 180 200

In dem Beispiel werden 136 Pakete mit zusammen 64 330 Byte übertragen.Diese Übertragung dauert 200 ms, die Übertragungsrate ist dann:

64 330 · 8 bit0,2 s

= 2 573 200 bit/s = 2,6 Mbit/s

Bei einer Übertragung mit 10 Mbit/s hat dieses System eine Auslastung von:

2,6 Mbit/s10 Mbit/s

= 0,26 = 26 %




Abbildung 24: Datenverkehr plus ein VoIP-Gespräch

Die 136 Pakete in den 200 ms stellen also eine Bela-stung von 26 % dar. Kommt jetzt ein VoIP-Gesprächmit dem Codec G.711 dazu (Abb. 24), wird alle 20 msein Paket mit jeweils 200 Byte zusätzlich übertragen.Addiert man jetzt einfach die 80 000 bit/s (200 Bytealle 20 ms) zu den bereits vorhandenen 2,57 Mbit/sergibt das 2,65 Mbit/s, das sind ca. 27 % Auslastungder Übertragungsstrecke.

Beurteilung der Belastung je 20-ms-Intervall

Betrachtet man die Datenübertragung (noch ohnedie VoIP-Übertragung) in jedem 20-ms-Intervall ein-zeln ergibt sich ein anderes Bild. Hier zeigt sich, dassjeder einzelne Abschnitt ganz unterschiedlich bela-stet ist. Für jeden einzeln 20-ms-Abschnitt wird dieAnkunftsrate und die Bedienrate ermittelt:

Zur Ermittlung der Leistungsfähigkeit des Systems(die Bedienrate) je 20-ms-Abschnitt werden die Län-gen der jeweiligen Pakete innerhalb eines Abschnittsaufaddiert und anschließend durch die Anzahl derPakete geteilt, das ergibt die mittlere Paketlänge. DieÜbertragungsgeschwindigkeit C = 10 Mbit/s wirddann durch die mittlere Paketlänge in bit geteilt:

Die Systemauslastung kann als = berechnetwerden. Diese Auslastung wechselt in den einzelnenAbschnitten zwischen 1 % und 96 %. Im vorletztenAbschnitt ist die Belastung allein durch die laufendeDatenkommunikation bereits 96 %, die Durchlaufzeitfür ein Paket liegt in diesem Fall bei 28,44 ms (Abb.25). In den anderen Abschnitten bleibt die Durchlauf-zeit unter einer Millisekunde. Mit einem zusätzlichenVoIP-Gespräch steigt die Belastung im vorletzten Ab-schnitt auf 97 % und 36,35 ms, also ca. 8 ms mehr alsohne VoIP. Mit vier VoIP-Gesprächen (Abb. 25rechts) könnte man nun 4 · 8 ms = 32 ms erwarten,es sind aber mehr als zwei Sekunden! Bei einer Bela-stung mit vier VoIP-Gesprächen (Abb. 25 rechts)steigt die Auslastung auf fast 100 % und die Paket-durchlaufzeit dadurch auf über zwei Sekunden! Mankann gut erkennen, dass mit vielen Paketen in einem20-ms-Intervall die Ankunftsrate steigt und mit vie-len kleinen Paketen µ größer wird. Die Systemausla-stung ist und wird mit großen und kleinem µgrößer.

t/ms0

Paketlänge/Byte

20 40 60

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

80 100 120 140 160 180 200

Voice

Ankunftsrate:

Anzahl der Pakete0,02 s = X Pakete/s=

mittlere Paketlänge:

Clm

=

Summe aller Paketlängen in einem 20-ms-IntervallAnzahl der Pakete

= Y Pakete/s

Bedienrate:

lm =


Traffic Shaping


Abbildung 25: Analyse des Datenverkehrs (links ohne,rechts mit VoIP)

t/ms0

Paketlänge/Byte

20 40 60

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

80 100 120 140 160 180 200

t/ms

0

in Pakete/s

20 40 60

200

400

600800

1000

1200

80 100 120 140 160 180 200

t/ms0

in Pakete/s

20 40 60

5000

1000015000

20000

25000

30000

80 100 120 140 160 180 200

t/ms

0

20 40 60

0,2

0,40,6

0,8

1,0

80 100 120 140 160 180 200

0 20 40 60

0,02

0,040,06

0,08

80 100 120 140 160 180 200

28,4ms

t/ms

0

Paketlänge/Byte

20 40 60

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

80 100 120 140 160 180 200

t/ms

0

in Pakete/s

20 40 60

200400600800

10001200

80 100 120 140 160 180 200

t/ms0

in Pakete/s

20 40 60

50001000015000200002500030000

80 100 120 140 160 180 200

t/ms

0

20 40 60

0,20,40,60,81,0

80 100 120 140 160 180 200

t/ms

0

T/s

20 40 60

0,020,040,060,08

2,0

80 100 120 140 160 180 200

Voice

2,17 s

durch den Verkehr von vier VoIP-Kanäleneine Steigerung um mehr als 2000 ms

ohne VoIP mit VoIP

T/s

t/ms




Mit der Einführung von Traffic Shaping kann sich die-se Situation insgesamt deutlich entspannen. Wenndie Datenkommunikation auf 3 Mbit/s beschränktwird, entspricht das, bei einer mittleren Paketlängevon 400 Byte, ca. 937,5 Pakete je Sekunde oder 18,75Pakete je 20-ms-Intervall. In den meisten 20-ms-In-tervallen ändert sich nichts. Nur im vorletzten 20-ms-Intervall entspannt sich die Situation sehr deutlich.Die mittlere Wartezeit sinkt von 2,17 s auf 2,41 ms

und die Paketrate fällt von 1150 Pakete/s auf 950 Pa-kete/s, dafür steigt die Paketrate im letzten Intervallvon 750 Pakete/s auf ebenfalls 950 Pakete/s. DerVerkehr wurde also auf das folgende 20-ms-Intervallverschoben. Für die Datenkommunikation bedeutetdies, dass einige wenige Pakete maximal 20 ms spä-ter ankommen. Dies ist insgesamt aber eine deutli-che Verbesserung im Vergleich zur Ausgangs-situation ohne VoIP-Verbindungen (Abb.26).

Abbildung 26: Datenverkehr plus vier VoIP-Gesprä-che und Traffic Shaping

t/ms0

Paketlänge/Byte

20 40 60

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

80 100 120 140 160 180 200

t/ms0

in Pakete/s

20 40 60

200

400

600

800

1000

1200

80 100 120 140 160 180 200

t/ms0

20 40 60

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

80 100 120 140 160 180 200

t/ms0

T/s

20 40 60

0,02

0,04

0,06

0,08

2,0

80 100 120 140 160 180 200

Auch bei großer Belastung ergeben

Voice

2,41ms

= 0,99

= 0,7Die Systemauslastung wurde deutlich verringert

Pakete wurden in dasFolgeintervall verschobenPakete wurden in das

Folgeintervall verschoben

sich deutlich geringere Wartezeiten


Berechnung der erforderlichen Bandbreite


5 Auslegung in VoIP-Systemen

Die Anforderungen, d. h. die Verkehrswerte der Teil-nehmer und das von diesen erzeugte Verkehrsange-bot bleibt! Für die externe Kommunikation ist einAngebot von 20 Erl zu verarbeiten, die Frage in VoIP-Systemen ist: Wie viel Bandbreite ist hierfür erfor-derlich?

5.1 Berechnung der erforderlichen Bandbreite

5.1.1 Der CodecUnterschiedliche Codecs verwenden verschiedeneÜbertragungsraten (ISDN, G.711: 64 kbit/s, GSM: 13kbit/s, AMR-Codec: 4,75 bis 12,2 kbit/s) und arbeitenggf. mit einer unterschiedlichen Abtastraten(Sampling-Rate z.B. 8 kHz, 16 kHz ...). In TDM-Syste-men ist die Basis immer der 64-kbit/s-Kanal mit demCodec G.711, in VoIP gibt es keine „eingeprägte“Bandbreite oder festgelegten Codec. G-711 wird je-doch auch in den allermeisten VoIP-TK-Systemen alsvoreingestellte Option angeboten. Um die nachfol-genden Berechnungen vergleichbar zu halten, wirddafür der Codec G.711 exemplarisch zugrunde ge-legt.

5.1.2 RTP-ParameterDie codierten Sprachinformationen werden mit demReal-Time-Transport Protocol (RTP) übertragen.Hierbei werden mehrere Sprachproben zu einem Pa-ket zusammengefasst (s. Abb. 27)

Wie viele Sprachproben ein RTP-Paket bilden, istnicht festgelegt und kann im System konfiguriertwerden. In der Beispielausschreibung gibt es hierzukeinen Hinweis.

Welcher Wert wird für die Größe des RTP-Pakets ge-wählt?

• Mit 80 Sprachproben je RTP-Paket und mitdem Codec G.711 wird alle 10 ms ein RTP-Paket von der Quelle gesendet.

• Werden 160 Sprachproben mit dem CodecG.711 übertragen, wird alle 20 ms ein RTP-Paket gesendet.

• Mit 240 Sprachproben und G.711 wird alle 30ms ein RTP-Paket erzeugt.

• Mit 320 Sprachproben und G.711 wird alle 40ms ein RTP-Paket gesendet.

Ist das für die Auslegung der Bandbreite wirklichwichtig? Hat diese Festlegung Auswirkungen auf dieLeistungsfähigkeit des Systems?

5.1.3 Gewählte AnnahmenFür die weitere Berechnung wurde der Codec G.711gewählt, und die RTP werden alle 20 ms gesendet.Eine weitere Annahme: Um die Berechnungen ver-gleichbar zu machen, werden zur Übertragung die2,048-Mbit/s-Systeme (aber ohne Kanaleinteilun-gen) verwendet.

5.1.4 Erste NäherungIn der ersten Näherung kann man die Belastung be-rechnen, indem man die Codec-Daten und die zu-sätzlichen Overheads berücksichtigt: 64 kbit/s +Overhead (RTP, UDP, IP, Layer 2, Layer 1), bei G.711und alle 20 ms ein RTP-Paket macht das: 160 Byte(RTP) + 70 Byte (RTP 12, UDP 8, IP 20 und EthernetVLAN 30 Byte) = 230 Byte alle 20 ms.

Übermittlungsrate ist dann (230 Byte · 8 bit)/0,02s =92 kbit/s.

Also trägt unsere 2,048-Mbit/s-Leitung jetzt nurnoch 2048 kbit/s/92 kbit/s = 22,3 also 22 Kanäle. Fürdie oben geforderten 30 Kanäle braucht man also mitVoIP 1,4 Systeme mit jeweils 2,048-Mbit/s.

Abbildung 27: Viele Sprachproben bilden ein Paket

RTP-Paket

t = 125 s

kontinuierlicher Datenstrom

Signalamplitude

Abtastung mit 125 s

TD = xx ms (10, 20, 30, 40 ms)

t

Codec G.711

[Sie09]


Auslegung in VoIP-Systemen


Diese einfache Berechnung ist für den ersten Ansatzganz brauchbar, aber Vorsicht! Eigentlich kann manso nicht rechnen! Diese Berechnung kann man nuranstellen wenn keine weiteren Datenpakete mit dergleichen Leitung transportiert werden oder durch-gängig exklusive, virtuelle Kanäle mit VLAN oderMPLS auf der Leitung zur Verfügung gestellt werden.

Grundsätzlich kann man nicht einfach die Bandbrei-ten mit der Anzahl der VoIP-Kanäle multiplizieren,um die erforderliche Gesamtbandbreite zu berech-nen, denn: Die einzelnen Übertragungen mischensich nicht auf Bit-, sondern auf Paketebene!

Bit-Multiplex:

Abbildung 28: Kein Multiplex auf Bitebene

Bei der paketorientierten Übertragung wird ein RTP-Paket nach dem anderen übertragen. Für die Über-tragung eines Pakets wird eine bestimmte Zeit benö-tigt (abhängig von der Übertragungsrate). In dieserZeit ist die Leitung durch den Pakettransport belegt.Einige Pakete müssen daher warten, bis die Leitungzur Übertragung wieder frei ist, d. h., es kommenWartespeicher hinzu:

Abbildung 29: Paketmultiplex

5.2 Mischungen zwischen VoIP und der Daten-kommunikation

Die Übertragung von RTP-Paketen in einer Mischungmit klassischen Datenpaketen ist etwas komplexer.Der erzeugte Verkehr der VoIP-Systeme kann immernoch nach Erlang ausgewiesen werden. Aber schon

bei der Zusammenfassung muss man aufpassen:Wird über die Leistungen nur VoIP-Verkehr ohne ei-nen Datenanteil übertragen, kann man die Verkehrs-werte (die Erlang-Werte) der einzelnen Teilnehmerzusammenfassen. Bei einer Verkehrsmischung mitklassischem Datenverkehr ist das nicht möglich.

Die Belastung einer Leitung hängt von sehr vielenFaktoren ab: Welcher Codec wird verwendet, wieviele Sprachproben bilden ein RTP-Paket, wie wirdQoS in dem Netz realisiert (Priorisierung, virtuelleKanäle mit MPLS oder Überdimensionierung)? Ohnediese detaillierten Angaben kann man keine verläs-slichen Aussagen zu der erzielbaren Qualität derÜbertragung machen.

Woran liegt das?

Die Formeln von Erlang stellen gewisse Bedingun-gen, um sie anwenden zu können. Unter anderemmuss der Verkehr aus einer großen Anzahl von Ver-kehrsquellen erzeugt werden, die voneinander un-abhängig sein müssen. Des Weiteren muss dieWahrscheinlichkeit für das Auftreten einer neuenBelegung konstant sein, und die Wahrscheinlichkeitfür das Auslösen einer Verbindung muss ebenso kon-stant sein.

Unter diesen Voraussetzungen zeigt der beobachte-te Verkehr klare Mittelwerte für die mittlere Pake-tankunftsrate und die mittlere Belegungsdauer.Diese Mittelwerte verfügen über eine begrenzte Va-rianz. Für den Datenverkehr, wie er beim Surfen imInternet vorkommt, gilt das nicht, weil die Verkehr-saktivitäten nicht voneinander unabhängig sind. Ein„Klick“ auf eine komplexe Homepage verursacht eineAnzahl von Verbindungen (nicht nur eine).

Formell darf man also bei einer Mischung von klassi-schem Datenverkehr mit VoIP-Verkehr nicht mit denErlang-Formeln rechnen. Die Voraussetzungen zurAnwendung der Formeln sind nicht gegeben. Diesgilt auch für priorisierten VoIP-Verkehr.

VoIP und Datenkommunikation gemeinsam über-tragenWerden mit einer Leitung sowohl Datenpakete alsauch RTP-Pakete übertragen, können weniger VoIP-Kanäle realisiert werden. Ist beispielsweise eine2,048 Mbit/s-Verbindungsleitung im Durchschnittmit einem Datenverkehr von 15 % belastet, verblei-ben 2,048 Mbit/s – 307,2 kbit/s = 1,7408 Mbit/s fürSprache. Mit ca. 92 kbit/s macht das dann 18 Sprach-kanäle -> diese vereinfachte Rechnung ist falsch!

Der Datenverkehr wird den Durchschnittswert nurbei einer sehr langen Beobachtungsdauer erreichen.Durch die bei diesem Verkehr häufig vorkommendenSpitzen oder Bursts ist die Augenblicksbelastungdeutlich höher als die mittlere Belastung.

Multiplexer

statistisches Multiplex

(auf Bit-Ebene)

Router


Wartespeicher!

Nur RTP-Pakete(alle gleich lang)

auf Paket-Ebene


Wartezeitsystem


Abbildung 30: Modell eines Wartezeitsystems

Zudem erfolgt die Verkehrsmischung auf der Ebeneder IP-Pakete. Für die Bewertung der Belastung einerLeitung sind zwei Werte sehr wichtig. Zum einen dieAnzahl der Pakete pro Sekunde, die über diese Lei-tung transportiert werden sollen (die sog. Ankunfts-rate), und zum anderen die Anzahl der Pakete, dievon dieser Leitung transportiert werden können (dieBedienrate; dieser Wert hängt von der Paketgrößeund der Übertragungsgeschwindigkeit der Leitungab).

5.3 Wartezeitsystem

Die Übertragung von IP-Paketen kann durch ein sog.„Wartezeitsystem“ modelliert werden. In Wartezeit-systemen wird die Systemauslastung als Verhältniszwischen der mittleren Ankunftsrate und der mittle-ren Bedienrate definiert. Diese kann man aber nichtzu 100 % auslasten, weil sowohl die Ankunftsrate alsauch die Bedienrate jeweils Durchschnittswerte sind,die vom Datenverkehr nur sehr schlecht erreichtwerden, bzw. bei einer sehr langen Beobachtungs-dauer erreicht werden.

Mathematisch können solche Wartezeitsysteme be-schrieben werden. Der „Auslastungsfaktor“ () istdabei das Verhältnis von Ankunftsrate () zu Bedien-rate (µ):

Die Wartezeit, bis ein Paket auf der Leitung übertra-gen wird, hängt von der augenblicklichen Ausla-stung, dem ab. Mit zunehmender Auslastungnimmt die Wartezeit durch eine kleine Auslastungs-erhöhung überproportional zu [Kle75].

Die Berechnung der Wartezeit hängt von sehr vielenFaktoren ab:

• der augenblicklichen Systemauslastung (nichtder mittleren Systemauslastung),

• der Größe der Pakete (sowohl die Größe derRTP-Pakete als auch die der IP-Datenpakete),

• der Art, wie QoS in dem System realisiertwird (ein System mit Priorisierung, z. B. DiffS-erv, verhält sich anders als ein System mitVLAN).

Abbildung 31: Die Wartezeit steigt mit der System-auslastung

Noch einmal das TDM-System

Die 2,048-Mbit/s-Strecke ist das Primärmultiplexsy-stem der TDM-Technik. Von den 32 Kanälen mit je-weils 64 kbit/s können 30 Nutzkanäle verwendetwerden. Solange ein Kanal frei ist, wird dieser auf An-frage einer bestimmten Kommunikation zugeordnet.Wenn alle Kanäle vergeben sind (gassenbesetzt), er-halten die weiteren Anfragen das Besetztzeichen.Die Anfragen gehen zu Verlust, das Ganze wird auchals Verlustsystem bezeichnet.

Die Übertragung ist kanalorientiert, d. h., jeder Ver-bindung ist eine bestimmte Kanalnummer zugeord-net. Das System transportiert mit dem Codec G.711alle 125 µs 8 Bit vom Sender, dies entspricht genauder Übertragungsrate des Codecs, 64 kbit/s.

Ankünfte

Bedienstation


=

mittlere Ankunftsrate (Last)mittlere Bedienrate (Leistung des Systems)

=

mittlere Auslastung (Durchsatz)

8

6

4

2

00 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Auslastung ()

Durchschnittliche Anzahl N(bzw. Wartezeit, tW = N/)




Abbildung 32: Nur Pakete mit Sprachproben (RTP)

Für VoIP-Systeme werden im Folgenden verschiede-ne Ansätze genauer betrachtet. Im ersten Ansatzwerden nur RTP-Pakete und keine anderen Datenpa-kete übertragen. Im zweiten Ansatz werden die Echt-zeitdaten der RTP-Pakete gegenüber denDatenpaketen bevorzugt übertragen (Priorisierung).Im dritten Ansatz wird einfach davon ausgegangen,dass eine 2,048-Mbit/s-Strecke nur gering mit Daten-paketen belastet ist – der Ansatz der Überdimensio-nierung.

Für alle drei Ansätze wird jeweils betrachtet, wie vie-le VoIP-Kanäle übertragen werden können und wel-che durchschnittliche Verzögerungszeit bei derÜbertragung entsteht.

5.4 Die Strecke transportiert nur RTP-Pakete

5.4.1 Exklusive NutzungDie 2,048-Mbit/s-Strecke wird im ersten VoIP-Bei-spiel für die Übertragung von RTP-Paketen verwen-det. Hier werden nur RTP-Pakete übertragen, diesentspricht einer exklusiven Nutzung, wie sie für eige-ne Leitungen oder die Verwendung von VLAN bzw.mit einem MPLS-System zur Verfügung gestellt wird.

In diesem Beispiel werden die Nutzdaten (64 kbit/s)vom Codec noch zusätzlich mit den sog. Overhead-Informationen der Transportprotokolle RTP, UDP, IPund der verwendeten Schicht 2 (z. B. Ethernet, VLAN)versehen. Wie oben bereits betrachtet, erhöht sichdie erforderliche Übertragungsrate für einen Sprach-kanal dadurch auf ca. 92 kbit/s.

Die Rechnung:

Teilt man die 2,048 Mbit/s durch die 92 kbit/s deseinzelnen VoIP-Kanals, kann man die maximale An-zahl von VoIP-Kanälen berechnen. N = 22 Kanäle jeÜbertragungsrichtung ist die maximale Last, die eine2,048-Mbit/s-Strecke übertragen könnte. Diese An-nahme gilt auch nur, wenn die RTP-Pakete alle 20 msübertragen werden.

Wie immer bei der RTP-Übertragung werden erst einpaar Sprachproben gesammelt, bevor ein RTP-Paketmit UDP und IP transportiert wird. Wie viele Sprach-proben je RTP-Paket übertragen werden, kann in denKommunikationssystemen konfiguriert werden (z. B.10 ms, 20 ms oder 30 ms). Diese Zeit sollte nicht zugroß gewählt werden, da die erste Sprachprobe die-se Zeit warten muss, bis das RTP-Paket abgesendetwird. Auf der anderen Seite erhöhen sehr kleine RTP-Pakete die Paketrate im System (Ankunftsrate) underhöhen damit die Systemauslastung insgesamt. DieRTP-Pakete sind dann aber alle gleich groß. (Wichtigfür die Bedienrate: Wie viele RTP-Pakete können vonder Leitung übertragen werden?).

Da die Gespräche völlig unabhängig voneinander be-ginnen, müssen unter Umständen eine Anzahl vonRTP-Paketen gleichzeitig übertragen werden – diesbedeutet Wartezeit. Da hier die Mischung der ver-schiedenen Kommunikationen nicht kanalbezogenist (alle 8 Bit wird der Kanal gewechselt), sondernerst eine Anzahl von Sprachproben gesammelt wird,bis ein RTP-Paket erzeugt wird, können deutlich grö-ßere Wartezeiten entstehen. Da (theoretisch) alleVerbindungen zur selben Zeit begonnen wurden,müssen die RTP-Pakete vor dem Transport warten(Paketmultiplex statt Bitmultiplex). Die RTP-Paket-größe ist allerdings immer gleich groß, daher mussein RTP-Paket ein, zwei, drei usw. andere RTP-Paketeabwarten, bis es transportiert werden kann.

Router

MUXMultiplex (Paket-Ebene)

Nur RTP-Pakete (alle gleich lang)

N 2,048 Mbit/s92 kbit/s

---------------------------------- 22,3 Kanäle= =


Die Strecke transportiert nur RTP-Pakete


Abbildung 33: Nutzinformationen und Overheads

5.4.2 Berechnung der mittleren Wartezeit für ein RTP-Paket

Die Paketgröße ist für alle VoIP-Kommunikationenimmer gleich. Ein RTP-Paket besteht aus den Real-Time-Daten (den digitalisierten Sprachinformatio-nen) plus den Overheads von RTP, UDP, IP und denunterliegenden Schichten.

Die Größe der Sprachinformationen hängt auch vomverwendeten Codec ab. Mit dem Codec G.711 (derStandard-ISDN-Codec) werden 80 Byte je RTP-Paketalle 10 ms übertragen. Wird alle 20 ms ein RTP-Paketerzeugt, werden 160 Byte je RTP-Paket übertragen.Bei 30 ms Paketabstand sind es 240 Byte und bei40 ms 320 Byte je RTP-Paket. Kleinere und größereRTP-Pakete sind für diese Betrachtungen nicht sinn-voll. Zu diesen Größen der RTP-Nutzlast kommen je-weils noch die Overheads für die verschiedenenunterliegenden Protokolle hinzu.

Die Wartezeit für ein RTP-Paket hängt damit von dergewählten RTP-Größe, der Übertragungsgeschwin-digkeit und von der Anzahl der laufenden Verbindun-gen ab. Werden die RTP-Pakete alle 20 msübertragen, ist die Zeit für den Transport eines RTP-Pakets 230 · 8 bit/2,048 Mbit/s = 0,898 ms. Für zweiRTP-Pakete ist die Zeit 2 · 0,898 ms = 1,796 ms, fürdrei RTP-Pakete ist die Zeit 3 · 0,898 ms = 2,694 msusw. Die maximale Wartezeit wird erreicht, wenn zu-fällig alle laufenden Verbindungen genau gleich be-gonnen wurden. Mit dem Start der Verbindungwerden die RTP-Pakete in einem festen Raster er-zeugt. Die mittlere Wartezeit bei N gleichzeitigenVerbindungen liegt dann zwischen 0 und N mal diejeweilige Paketlaufzeit. Mehr dazu und zu den weite-ren Berechnungen ist im Anhang zu finden.

Dieser Ansatz wird auch für die logische Trennungmit virtuellen Kanälen wie MPLS- und VLAN-Syste-men verwendet, auch wenn es für diese ein ideali-sierter Ansatz ist. In der Realität sind die Verhältnisseetwas komplexer. Die vereinfachte Übernahme derBerechnungen mit exklusiven Leitungen auf dieMPLS- bzw. VLAN-Verhältnisse ist für diese Betrach-tungen aber ausreichend genau, da ja nur die grund-sätzlichen Verhaltensweisen verdeutlicht werdensollen – exakte Berechnungen in diesen Systemensind komplizierter.

5.4.3 Die ErgebnisseIn Abhängigkeit von der RTP-Paketgröße ergebensich damit die folgenden maximalen Übertragungs-kapazitäten:

• Wird alle 10 ms ein RTP-Paket erzeugt, kön-nen 17 Sprachkanäle übertragen werden.Setzt man diese 17 Kanäle dem N in derErlang‘schen Verlustformel gleich, entspre-chen die 17 Sprachkanäle, bei einem Verlustvon B < 0,1 %, 9,65 Erl. Die mittlere WartezeittW für ein RTP-Paket beträgt im Durchschnitt2,3 ms.

• Wenn alle 20 ms ein RTP-Paket erzeugt wird,können 22 Sprachkanäle oder 13,7 Erl miteiner mittleren Wartedauer von 4,7 ms,unterstützt werden.

• Beträgt der Abstand zwischen zwei RTP-Paketen 40 ms, können sogar 26 Sprachka-näle oder 17,0 Erl, mit einem tw von 9,5 ms,unterstützt werden.

Real-Time-Daten 20 – 320 Byte

12 Byte Header

8 Byte Header

20 Byte Header

IP

UDP

RTP

?360 Byte

60 Byte




Abbildung 34: Delay in Abhängigkeit von der Aus-lastung (nur Sprache)

Je größer die RTP-Pakete gewählt werden, umsomehr Sprachkanäle können mit der gleichen Über-tragungskapazität realisiert werden. Automatischsteigt aber auch die Gesamtlaufzeit, weil die ersteSprachprobe beispielsweise fast 40 ms (genau 40 ms– 125 µs = 39,875 ms) warten muss, bis sie mit RTPtransportiert wird. Je größer das RTP-Paket gewähltwird, umso weniger Overhead-Informationen durchdie zusätzlichen Protokolle (RTP, UDP, IP und Ether-net) müssen anteilig zur Nutzinformation übertragenwerden. Kleinere Pakete erhöhen zudem die An-kunftsrate des Systems, damit steigt automatisch dieBelastung – insgesamt können weniger Verbindun-gen realisiert werden.

Die Werte gelten aber nur, wenn ausschließlich RTP-Pakete über die Strecke transportiert werden (keineDatenpakete, auch keine Priorisierung wie DiffServ)!Dies ist (näherungsweise) auch der Fall für durchgän-gig (auch in der Anschaltung an den externen Netz-betreiber) getrennte und überwachte virtuelleKanäle, wie sie bei MPLS, VLAN oder den Software-defined Networking (SDN) mit QoS verwendet wer-den.

5.5 RTP wird priorisiert übertragen

5.5.1 Der AnsatzIn vielen Netzen werden neben den Echtzeitinforma-tionen auch Datenpakte übertragen. Die folgendenBetrachtungen nehmen eine Bevorrechtigung der

RTP-Pakete mit DiffServ an. Auf der Übertragungs-strecke werden dann sowohl RTP-Pakete mit einerfesten Paketlänge als auch Datenpakete mit einer va-riablen Paketlänge übertragen. Wie bei einem DiffS-erv-Router wird bei der folgenden Betrachtungangenommen, dass ein eigener Wartespeicher fürdie bevorrechtigten Pakete besteht. Für die weiterenBetrachtungen wird davon ausgegangen, dass derDiffServ-Router nach der vollständigen Bearbeitungeines Pakets immer in die bevorrechtigte Warte-schlange zuerst wieder adressiert wird (Strict PriorityRouting). Um einen Vergleich zu dem exklusiven RTP-Transport zu erhalten, wird auch hier die Anzahl dermöglichen VoIP-Kanäle berechnet, die unter der An-nahme einer Belastung von 15 % erzielt werden kön-nen.

Abbildung 35: Gemischte Übertragung von Spracheund Daten

10

9

5

4

00

tW [ms]

2Anzahl VoIP-Kanäle

1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

2

3

1

8

7

6

11

nur RTPRTP 40ms

nur RTPRTP 10ms

nur RTPRTP 20ms

Router

statistisches

Priorität

Priorität

!

Bevorrechtigung

Multiplex

von RTP


RTP wird priorisiert übertragen


Abbildung 36: Geringes Delay durch Priorisierung

Das Verfahren DiffServ geht allerdings von einem ge-ringen Anteil von vorberechtigten Paketen aus (ca. 5– 15 %). Dieses Grundprinzip wird in dieser Betrach-tung nicht eingehalten. Pakete mit höherer Prioritätwerden gegenüber anderen Paketen bevorzugt, dasbedeutet aber auch, dass die Datenpakete mit gerin-gerer Priorität benachteiligt werden. Da die Warte-schlange mit der höheren Priorität bevorzugt geleertwird, müssen die Pakete in den anderen Warte-schlangen länger als ohne eigene Warteschlange fürdie bevorrechtigten Pakete warten [Tra05], [Her05].

5.5.2 ErgebnisseFür die Berechnung wird vereinfacht angenommen,dass die Ankunftsrate der Pakete der RTP-Rate ent-spricht (weil hierfür ein eigener Wartespeicher vor-handen ist). Für die Bedienrate ist diedurchschnittliche Paketlänge wichtig, diese wirddurch die transportierten Datenpakete gegenüberder ersten Betrachtung verändert. Die Datenpaketesind deutlich größer und werden, mit geringererPriorität, auch auf der Strecke übertragen. Die Zeit,

bis die Leitung dann wieder frei ist, um RTP-Pakete zutransportieren, hängt von der Paketgröße der Daten-pakete ab und ist ggf. immer unterschiedlich. In derBerechnung wurde die mittlere Paketlänge anteiligermittelt (5 % bzw. 15 % Datenpaket mit bis zu 1518Byte je Paket und der Rest mit der jeweiligen RTP-Pa-ketgröße, einschließlich der Overheads).

Für den bevorrechtigten Transport bei einer Last von15 % für die klassische Datenkommunikation erge-ben sich die folgenden Werte:

• Alle 10 ms ein RTP-Paket: 6 Sprachkanäle undeine mittlere Wartezeit von 8,14 ms

• Alle 20 ms ein RTP-Paket: 9 Sprachkanäle mittw = 13,9 ms

• Alle 40 ms ein RTP-Paket: 13 Sprachkanälemit tw = 21,6 ms

Die Auslastung (RTP alle 20 ms) ist in der folgendenDarstellung zusammengefasst (s. Abb.: 37)

Bei den Berechnungen wurde das DiffServ-Verfahrennach dem Strict-Priority-Mechanismus angenom-men. Bei diesem Verfahren wird nach der Bearbei-tung eines Pakets wieder bei der Warteschlange mitder höchsten Priorität begonnen. Bei anderen Ver-fahren wie dem Weighted Fair Queueing sind die Er-gebnisse noch schlechter, weil, obwohl ein RTP-Paket in der Warteschlange mit der größten Prioritätvorhanden ist, ggf. ein anderes Paket einer geringe-ren Priorität transportiert wird, d. h., das RTP-Paketmuss länger warten. Damit können zwei oder mehre-re IP-Pakete übertragen werden, bevor das RTP-Pa-ket transportiert wird.

Abbildung 37: Delay der VoIP-Kanäle

ohne PrioritätPriorität 2

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Systemauslastung

8

6

4

2

0

Nor

mal

isie

rtes

Del

ay

Priorität 1

[McDysan, Paw 2002]

4

3

2

1

00

tW / [ms]

2

Anzahl der

1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

DiffServRTP 20ms

0,7

1,5

3,0

7,1

68,8

15 % Last

13,9

VoIP-Kanäle




5.6 QoS wird durch Überdimensionierung des Systems realisiert

5.6.1 Der AnsatzIn manchen Fällen wird angenommen, dass eine Be-lastung von 15 % durch vorhandenen Datenverkehrdie Übertragung von Sprachinformationen mit RTPkaum beeinflusst. Das ist nicht der Fall. Eine einfacheÜberdimensionierung ist keine QoS-Maßnahme.

Abbildung 38: Statistisches Multiplex

Als Grundlage für die folgende Berechnung wird voneiner Verkehrsmischung von einer 15%-prozentigenBelastung der 2,048-Mbit/s-Strecke mit Datenver-kehr und RTP-Paketen für den Transport der Spra-chinformationen ausgegangen. Die Pakete werden inder Reihenfolge ihres Eintreffens bearbeitet.Nach den ersten überschlägigen Überlegungen sollteeine 2,048-Mbit/s-Übertragungsstrecke, die zu 15 %mit Datenverkehr ausgelastet ist, nur mit 307,2 kbit/s belastet sein. Der Rest könnte dann RTP-Paketeübertragen, das sind dann 2,048 Mbit/s – 307,2 kbit/s = 1,7408 Mbit/s für Sprache. Mit der Annahmeoben, dass jeder VoIP-Kanal 92 kbit/s benötigt,macht das dann 18 Sprachkanäle -> dieser Ansatz istfalsch!

Die viel größeren Datenpakete (typisch: 1500 Byte)mischen sich mit den relativ kleinen RTP-Paketen(bei 20 ms Raster sind RTP-Pakete 230 Byte groß) derEchtzeitübertragung. Die Datenpakete kommen häu-fig in Paketgruppen (Burst-artig) mit längeren Ruhe-phasen dazwischen. Da die RTP-Pakete hier nichtbevorzugt übertragen werden, können sich zwischenden RTP-Paketen immer wieder ein oder mehreregroße Datenpakete mischen.

Diese Systeme gehen viel früher in die Auslastungs-phase, d. h., bereits bei geringen Belastungen kommtes hier zu langen Wartezeiten für den Transport derPakete. Dies ist eine Eigenschaft des Internetver-kehrs, völlig unabhängig von der Übertragung vonEchtzeitdaten. Für die Sprachübertragung ist diesesVerhalten sehr problematisch, solche Strecken wei-sen auch bei relativ geringen Auslastungen großeVerzögerungen auf.

Die Eigenschaften des Datenverkehrs sind völlig an-dere als die der Echtzeitkommunikation. Diese Syste-me weisen einen selbstähnlichen Verkehr auf (siesind nicht mehr gedächtnislos). Die Ankünfte der Pa-kete (oder Paket-Bursts) sind nicht mehr unabhängigvoneinander. Man spricht in diesem Zusammenhangvon einer Long-Range-Dependence (LRD). In diesenSystemen kann man kaum einen Mittelwert bestim-men, die Varianz -> ∞.

Wichtig: In Netzen mit einem gemischten Betriebvon VoIP und klassischer IP-Datenkommunikation(wie WWW) gelten der Erlang-Ansatz und seine For-meln nicht!

Der Erlang-Ansatz gilt nicht, weil die von der Daten-kommunikation erzeugten Verbindungen nicht un-abhängig voneinander sind (ein „Klick“ auf eine Seiteerzeugt eine Anzahl von abhängigen Verbindungen)!

Die Verkehrskurven der klassischen Datenkommuni-kation weisen sehr starke Nutzungsunterschiede auf,die Kurven sind sehr „spitzig“, haben viele sehr steilePeaks und ändern sich rasch von intensiver zu einergeringen Nutzung. In der Aktivitätsphase wird oftgleich eine Anzahl von Paketen zwischen beiden End-punkten der Kommunikation übertragen. Diese zeit-lich begrenzten Schübe der Aktivität werden als„Bursts“ bezeichnet. Dieses Burst-artigen Verhaltenfindet man sowohl in Verkehrskurven von sehr klei-nen Zeitabschnitten als auch in den Kurven von sehrlangen Abschnitten. Man sagt, der Verkehr besitzteine Selbstähnlichkeit. Ein Maß für die Selbstähnlich-keit ist der sog. Hurst-Parameter H: 0,5 < H < 1 (0,5kaum selbstähnlich, 1 sehr große Selbstähnlichkeit,typische Werte liegen zwischen 0,75 und 0,9)[Gri04].

5.6.2 Ergebnisse bei 15 % LastIn manchen Fällen wird vor der VoIP-Installation eineVerkehrsmessung durchgeführt. In den meisten Fäl-len wird man feststellen, dass die Datennetze relativgering belastet sind. Aus dieser Tatsache wirdmanchmal geschlossen, dass die geringe Belastungdurch die VoIP-Kommunikation ohne Probleme vomNetz getragen werden kann. Das ist falsch: Wird dieÜbertragungsstrecke mit nur 15 % der Kapazität imDurchschnitt durch Datenverkehr belastet, könnennur noch wenige VoIP-Kanäle mit sehr großen Verzö-gerungszeiten unterstützt werden:

• Alle 10 ms ein RTP-Paket: 3 Sprachkanäle miteiner mittleren Wartezeit von tW = 16,7 ms


Router



QoS wird durch Überdimensionierung des Systems realisiert



Statt der oben errechneten 18 Sprachkanäle sind esgerade einmal 5 mögliche VoIP-Kanäle mit akzep-tablen Verzögerungszeiten.

Die (wie auch immer) gemessenen 15 % durch-schnittliche Belastung durch Datenkommunikationist keine kontinuierliche Belastung. IP-Pakete tretenhäufig Burst-artig in Paketschüben auf. Die kurzenRTP-Pakete müssen dann sehr lange warten, bis sietransportiert werden können.

Durch eine Anpassung der Paketlänge (MaximumTransmission Unit – MTU) kann man die Auswirkun-gen auf die RTP-Pakete beeinflussen. Die MTU be-zeichnet die Summe aller Byte, die mittels IP(inklusive aller Protokollanteile der höheren Schich-ten) in einem Schicht-2-Block übertragen können.Für Ethernet sind dies im Allgemeinen 1500 Byte fürIP und alle höheren Protokolle plus 18 Byte für dieSchicht 2, zusammen sind dies 1518 Byte. Die MTU-Size ist in vielen Systemen konfigurierbar. Eine klei-nere MTU-Size ist für eine Verkehrsmischung mitRTP-Paketen vorteilhaft, weil dann keine langen,durchgängigen Belegungszeiten für den Transportgroßer IP-Pakete auftreten – oder anders ausgedrüc-kt: Die RTP-Pakete können sich immer wieder zwi-schen zwei kleinere IP-Pakete schieben. Größere IP-Pakete (Jumbo Frames, bis 9000 Byte), wie sie in Gi-gabit-Ethernet verwendet werden, bewirken genaudas Gegenteil, d. h., die Verzögerungszeiten nehmen

stark zu. Das gleiche trifft auch auf die Laufzeit-schwankungen, den Jitter, zu: Je größer die MTU,umso größer werden die Laufzeitschwankungen.

Auf der anderen Seite bringen VoIP-Anwendungeneine sehr große zusätzliche Belastung in das vorhan-dene Netz. Die relativ kleinen, aber sehr häufig über-tragenen RTP-Pakete erhöhen die Paketlast sehrstark. Als Folge davon treten zusätzliche Verzögerun-gen für alle Pakete im Netz auf. Die zusätzlichen Ver-zögerungen führen zu Paketverlust, weil die Paketefür die VoIP-Anwendungen zu spät das Ziel errei-chen.

5.6.3 Ergebnisse bei 5 % LastAuch bei einer Reduzierung der durchschnittlichenDatenbelastung auf nur 5 % der Kapazität der Über-tragungsstrecke sind die erzielten Ergebnisse (s. Bild)ernüchternd:

• Alle 10 ms ein RTP-Paket: 7 Sprachkanäle miteiner mittleren Wartezeit von tW = 28,6 ms.

• Alle 20 ms ein RTP-Paket: 10 Sprachkanälemit einer mittleren Wartezeit von tW = 28,7 ms.

Alle 40 ms ein RTP-Paket: 12 Sprachkanäle mit einermittleren Wartezeit von tW = 22,8 ms.

Abbildung 39: Wartezeiten für 15 % Datenlast

4

3

2

1

00

tW / [ms]

2

Anzahl der

1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

ohne QoSRTP 20ms

1,4

15 % Last54,6

19,2

189

7,5

VoIP-Kanäle




Abbildung 40: Wartezeiten für 5 % Datenlast

Alle errechneten Werte sind Durchschnittswerte, diein realen Netzen um ein Vielfaches überschrittenwerden können. Die Maßnahme der Überdimensio-nierung ist als Basis für eine Übertragung von Echt-zeitinformationen, wie Sprache mit RTP-Paketen,ungeeignet.

5.6.4 Ein neuer Ansatz mit VLAN und 5 % LastWerden für die Übertragungsstrecke zwei virtuelleKanäle (mit VLAN oder MPLS) eingerichtet und dieDaten- (5 % der Gesamtkapazität) von der Echtzeit-kommunikation so getrennt, können deutlich mehrVoIP-Kanäle mit viel geringeren Verzögerungszeitenübertragen werden.

• Wird alle 10 ms ein RTP-Paket erzeugt, kön-nen 16 Sprachkanäle übertragen werden miteiner mittleren Wartezeit tw = 2,3 ms fürjedes RTP-Paket.

• Wenn alle 20 ms ein RTP-Paket erzeugt wird,können 21 Sprachkanäle mit einer mittlerenWartezeit von 4,7 ms übertragen werden.

• Beträgt der Abstand zwischen zwei RTP-Paketen 40 ms, können sogar 24 Sprachka-näle mit einem tw von 9,2 ms unterstütztwerden.

Das folgende Bild zeigt die Auslastung des virtuellenKanals für die Echtzeitkommunikation, wenn für 5 %der Übermittlungsrate ein eigener virtueller Kanalfür die Datenkommunikation angelegt wurde (hierfür RTP alle 20 ms):

Abbildung 41: Zeiten für 5 % Datenlast mit VLAN

4

3

2

1

01

tW / [ms]

2VoIP-Kanäle

0,1

1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

ohne QoSRTP 20ms

5 % Last

0,6

29

14

2,1

1,1

3,9

7,2

160

64

0,3

10

8

5

1

00

tW [ms]

2

Anzahl der

1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

der Rest nur RTP (MPLS, VLAN)RTP 20ms

5 % Last im eigenen, virtuellen Kanal

6

4

3

2

9

7

VoIP-Kanäle


Geschwindigkeitswechsel


Die Trennung der beiden Verkehrsarten durch unter-schiedliche virtuelle Kanäle ermöglicht die 3- bis 4-fa-che Übertragungskapazität für die Echtzeit-kommunikation. Die Eigenschaften der Datenkom-munikation werden dabei nicht wesentlich beschnit-ten. Neben der Zuordnung zu einem virtuellen Kanalist die Überwachung und Regulierung der verwende-ten Übermittlungsraten ein wichtiges Element, umdies zu ermöglichen.

5.7 Geschwindigkeitswechsel

Ein kritischer Punkt für die Leistungsfähigkeit einesSystems und die Entstehung größerer Verzögerungs-zeiten sind Stoßstellen, an denen Netze und Leitun-gen mit unterschiedlichen Geschwindigkeitenaufeinanderstoßen. Dies ist beispielsweise bei einerKopplung zweier Standorte über eine gemietete

Festverbindung der Fall. Während die Pakete ausdem lokalen Netz mit einer hohen Geschwindigkeit(Dauer der Paketübertragung mit der lokalen Ge-schwindigkeit: t1) und großer Paketrate transportiertwerden, bietet die gemietete Festverbindung meistnur eine deutlich geringere Geschwindigkeit. Die Pa-kete werden über diese Schnittstelle deutlich langsa-mer transportiert (t2) und es ist nur eine deutlichgeringere Paketrate erzielbar. An der Stoßstelle, wobeide Systeme zusammentreffen, müssen Zwischen-speicher (Buffer) vorgesehen werden, die Pakete inschneller Folge vom lokalen Netz aufnehmen und siemit einer geringeren Geschwindigkeit über die Miet-leitung transportieren. Dieser Vorgang führt für denPakettransport zu einer Verzögerungszeit, die in Ab-hängigkeit von der Verkehrsdichte stark schwankenkann (Jitter). Da die Zwischenspeicher immer aucheine begrenzte Größe haben, kann es auch zu einemzusätzlichen Paketverlust kommen.

Abbildung 42: Stau bei Geschwindigkeitswechsel

GE

GE

GE

GE

GE

GE

öffentliches Netz

Gigabit Ethernet (1000 Mbit/s)Lokales Netz Standort A

GE

GE

GE

GE

Mietleitung (10 Mbit/s)

t2

t1


Fazit


5.8 Zusammenfassung

Verschiedene QoS-Maßnahmen für die Übertragungvon Sprachinformationen in einem VoIP-System wur-den durch die vereinfachte Berechnung verglichen.In der folgenden Tabelle sind die Ergebnisse für dieverschiedenen QoS-Ansätze zusammenfassend dar-gestellt. Bei den Werten der Tabelle wurde in allenFällen eine durchschnittliche Grundlast von 5 % fürdie klassische Datenkommunikation (H = 0,8) ange-nommen. Je nach gewählten QoS-Maßnahmen undgewählten RTP-Parametern können 7 bis 24 VoIP-Ka-näle je 2,048-Mbit/s-Strecke unterstützt werden,ohne QoS-Maßnahmen sind es nur 7 bis 12.

Die Trennung von VoIP-Paketen (RTP-Pakete) undder klassischen Datenkommunikation ist auf jedenFall die bevorzugte Lösung. Mit der Trennung kön-nen am meisten VoIP-Kanäle über eine gegebeneStrecke übertragen werden. Die Trennung kann phy-sikalisch durch eigene Leitungen oder logisch durcheigene virtuelle Kanäle wie bei MPLS oder VLAN mitQoS-Maßnahmen erfolgen. Diese Trennung mussdann durchgängig in der externen Anschaltungdurchgehalten werden. VLAN und MPLS im eigenenNetz ist nur ein Teil, wenn dann doch wieder ver-schiedene Verkehrsarten mit einer Leitung an das ex-terne Netz gegeben werden, hebt sich die saubereTrennung auf und die guten Werte für die Paketlauf-zeiten und den Jitter können für die externe Kommu-nikation nicht erreicht werden.

Die Priorisierung der RTP-Pakete (DiffServ, Strict-Priority-Mechanismus) ist deutlich besser, als keineQoS-Maßnahmen zu ergreifen. DiffServ ist jedochnicht mit der Trennung von Sprache und Daten ver-gleichbar, es können deutlich weniger VoIP-Kanäleübertragen werden.

Völlig ohne QoS-Maßnahmen werden die kurzenRTP-Pakete immer wieder durch längere IP-Paketeverzögert. Die durchschnittlichen Laufzeiten und diezu erwartenden Jitter werden deutlich größer.

6 Fazit

6.1 Was zeigen die Ergebnisse?

Gehen wir zurück zur Anfangsfrage: Wie viel Band-breite ist zur externen Anschaltung des Systems er-forderlich? Die eingangs als Beispiel angeführteAusschreibung war hier nicht sehr präzise, allein dieAussage „Das Netz ist VoIP-Ready“ ist sehr dehnbar!Angaben zum Codec und zur RTP-Größe fehlten inder Angebotsaufforderung. Um 20 Erl zu bedienen,braucht man von 1,5 (MPLS oder VLAN) bis 5 Syste-me (ohne QoS, mit RTP alle 10 ms) mit jeweils 2,048-Mbit/s. In TDM war genau eine 2,048-Mbit/s-Streckeerforderlich.

Die Aussage „Das Netz ist VoIP-Ready“ sagt nichts!Hier muss man viel genauer nachfragen, ob undwenn ja wie QoS-Maßnahmen auf welcher Basis er-griffen werden. Die Auswirkungen der verschiede-nen Maßnahmen schlagen drastisch auf dieLeistungsfähigkeit des Systems durch, VoIP-Kanälemit geringen Verzögerungszeiten transportieren zukönnen.

Ohne QoS-Maßnahmen wird VoIP auch das vorhan-dene Netz beeinflussen. Die neue, sehr große Lastdurch die vielen, sehr kurzen RTP-Pakete führt zu ei-ner deutlichen Erhöhung der Netzbelastung. DieLaufzeiten werden für alle Anwendungen deutlichgrößer werden.

Tabelle 2: Anzahl von VoIP-Kanälen bei 5 % Datenlast

max. Anzahl MPLS oder DiffServ ohne QoSVLAN

RTP 10ms

RTP 20ms

RTP 40ms

16

21

24

11

16

21

7

10

12

Datenlast: 5 % Last

der Kanäle


Was zeigen die Ergebnisse?


6.1.1 Bewertung der QoS-MaßnahmenWie können die verschiedenen Maßnahmen bewer-tet werden?

• Exklusive Nutzung für VoIP: Durch (durchgän-gig) MPLS, VLAN (hardwarebasiert) oderdurch eigene Leitungen kann man eineMischung zwischen Paketen der Echtzeit-kommunikation und des klassischen Daten-verkehrs vermeiden. Unabhängig von demCodec und der RTP-Rate zeigen diese Leitun-gen die größte Leistungsfähigkeit, sie trans-portieren bei vergleichbaren Werten ammeisten VoIP-Kanäle mit geringen Wartezei-ten. Diese strikte Trennung von Sprache undDaten ist auf jeden Fall zu bevorzugen.

• Priorisierung: DiffServ (Strict Priority Queu-eing) ermöglicht einen bevorzugten Trans-port der Echtzeitinformation. Für kleinereVerhältnisse und einen geringen VoIP-Anteilkann dies ein möglicher Weg sein. Gegenüberder exklusiven Nutzung wird aber mehrBandbreite für die gleiche Anzahl von VoIP-Kanälen benötigt.

Überdimensionierung: Das Argument, die Strecke seija nur gering mit Daten ausgelastet, trägt nicht. OhneQoS-Maßnahmen können nur sehr wenige Kanälemit sehr großen Verzögerungszeiten realisiert wer-den. Zudem kann man sich durch eine ungenügendeVerkehrstrennung Sicherheitsprobleme einhandeln,weil die Sprach- und Datenkommunikation im glei-chen Netz stattfindet. Mit MPLS oder VLAN kannman beide logisch voneinander trennen. Der Trans-port von VoIP-Paketen ohne QoS-Maßnahmen er-scheint damit insgesamt nicht empfehlenswert. Wie

das letzte Beispiel zeigt, bringt eine Trennung durchVLAN oder MPLS deutlich mehr VoIP-Verkehr mit ge-ringeren Verzögerungszeiten durch das Netz, und dieDatenkommunikation wird dabei kaum beeinträch-tigt (ggf. geringe Verzögerungen durch Traffic Sha-ping).

Eine kleinere MTU-Size ist für eine Verkehrsmi-schung mit RTP-Paketen vorteilhaft. Je kleiner die IP-Pakete sind, umso kleiner sind die Belegungszeitendurch diese Pakete. Die kleinen RTP-Pakete könnensich dann eher zwischen zwei kleinere IP-Paketeübertragen. In Netzen mit großen Jumbo-Frames istmit sehr großen Paketlaufzeiten und einem großenJitter zu rechnen.

6.1.2 Wie viele VoIP-Kanäle können je 2,048-Mbit/s-Strecke übertragen werden?

Wie drastisch sich die unterschiedlichen Maßnah-men auswirken, zeigt die folgende Darstellung. Imersten Fall wird eine 2,048-Mbit/s-Strecke mit TDM-Technik betrieben. Durch die festen Zeitkanäle unddie genaue Anpassung dieser Technik an die Übertra-gung von Sprachinformationen können hier 30 Kanä-le übertragen werden. Ohne eine Belastung durcheine parallel laufende Datenkommunikation könnenbei der gleichen Übertragungsstrecke mit VLAN bzw.MPLS bis zu 26 Kanäle unterstützt werden (abhängigvon der Wahl der RTP-Paketgröße).

Mit einer (über die gleiche Strecke übertragen) Lastdurch Datenkommunikation von 5 % sind es nurnoch max. 24 Kanäle (bei 40 ms je RTP-Paket) bzw.21 (20 ms je RTP-Paket) oder 16 (10 ms je RTP-Pa-ket). Mit DiffServ sind es bei der gleichen Datenlastvon 5 % nur noch 11 bis 21 VoIP-Kanäle, ohne QoSsind es nur 7 bis 12 VoIP-Kanäle (H = 0,8).

Abbildung 43: Vergleich der Maßnahmen

TDM

nutzbarer VoIP-Kanal mit 10 ms je RTP-Paket



nicht nutzbar für VoIP

n

Anzahl der verfügbaren

VoIP (DiffServ,

VoIP (MPLS, VLAN)

VoIP (MPLS, VLAN)

VoIP (ohne QoS,

ohne Daten-Last

mit 5 % Last

VoIP-Kanäle

5 10 15 20 25 300

5 % Last)

5 % Last)


Fazit


6.2 Was passiert, wenn ...?

6.2.1 Wie stellt sich ein Netz ohne QoS-Maßnah-men dar?

Was passiert, wenn man das spezifische Netzverhal-ten nicht beachtet und einfach die Band-breitenanforderungen addiert und keine QoS-Maßnahmen ergreift?

• Meistens geht es gut. Die meisten LAN sindkräftig überdimensioniert, und die wirkli-chen Belastungsfälle treten selten auf.

• Manchmal ist dann die Verständigung in die-sen Systemen sehr schlecht. Wenn die Bela-stungsfälle eintreten, wirken sie sichunmittelbar auf die Echtzeitkommunikationaus, viel früher als auf die klassische Daten-kommunikation.

• Viele VoIP-Telefone gleichen einen Paketver-lust durch einen eingebauten Mechanismusbesser als andere Terminals aus. Obwohl diePakete tatsächlich fehlen, ist es für die Benut-zer kaum zu merken.

• Die klassische Datenkommunikation wirddurch die vielen RTP-Pakete beeinträchtigt.Die Netzlast steigt durch VoIP signifikant an.Hierfür sind die vielen zusätzlichen kurzenRTP-Pakete verantwortlich, nicht die zusätz-lich erforderliche Datenrate. Mit der Pake-trate (Ankunftsrate ) steigt dieNetzauslastung .

• Diese Fälle, in denen die Qualität der Sprach-kommunikation sehr schlecht wird, lassensich kaum reproduzieren. Um solche Bela-stungen zu rekonstruieren, müsste man einegroße Belastung im Bereich der Sprachkom-munikation und auch im Bereich der Daten-kommunikation erzeugen.

• Netzmessungen sind hier nur dann aussage-fähig, wenn gleichzeitig die Belastungsfälledurch spezielle Generatoren hervorgerufenwerden.

• In Netzen, die ursprünglich über saubergetrennte Bereiche für die Sprach- undDatenkommunikation verfügten, könnenunsachgemäße „Umsteckaktionen“ dieseTrennung aufheben und doch wieder zu einerMischung von Sprach- und Datenkommuni-kation führen.

6.2.2 Messen und MonitoringUm netzbedingten Problemen mit der VoIP-Sprach-qualität, die oftmals auch nur sporadisch auftreten,entgegenzuwirken oder um diesen vorzubeugen,steht die Einrichtung von QoS-Maßnahmen im Netzzur Verfügung. Wie sollten diese im Einzelfall ausge-staltet werden? Wie geeignet ist das Netz für dieVoIP-Anwendung? Liefert die eingerichtete Maßnah-me die angestrebte Qualitätsverbesserung?

Um hierfür die benötigten Erkenntnisse zu gewin-nen, können im Netz Messungen als Momentaufnah-men durchgeführt werden oder ein (VoIP-)Monitoring eingerichtet werden, mit dem sich aucheine laufende Qualitätssicherung unterstützen lässt.Dabei ist „Messung“ nicht gleich „Messung“, ver-schiedene Faktoren wie das gewählte Messverfah-ren, der Messaufbau sowie Zeitpunkt bzw. Zeitraumder Messungen bestimmen vorweg, welche Aussa-gekraft die Ergebnisse besitzen können.

Messung ohne/mit LastMan kann das Netz durch einfache Messungen ken-nenlernen, dabei sind einfache Messungen immernur wenig aussagefähige Augenblickswerte. MehrErkenntnisse liefern provozierende Tests mit be-kannten Testverkehrsquellen, die einen vorher be-stimmten Verkehr erzeugen. Mit dieser Testlastkönnen dann Messungen in Grenzbereichen der Net-zauslastung durchgeführt werden. Mit diesen Aussa-gen ist das Netzverhalten etwas besservorauszusagen.

Messung mit LastgeneratorenTestlast kann mit Lastgeneratoren erzeugt werden.Diese speisen im Idealfall möglichst typische Daten,wie sie im (geplanten) Betrieb des VoIP-Systems vor-kommen, als Lastproben in das vorhandene Netz ein.Die Durchführung von Lasttests zu verkehrsschwa-chen Zeiten begrenzt potenzielle Störungen im Netz-betrieb. Im Verlauf der Messungen können dienetztypischen Parameter (mittlere und maximale Pa-ketlaufzeit, mittlerer und maximal gemessener Jitter,Paketverlust ggf. MOS, R-Faktor oder PESQ, POLQAusw.) unter verschiedenen Bedingungen (Einzelmes-sung ohne Stresslast, mit einer durchschnittlichenNetzbelastung und einer Stressbelastung) gemessenwerden. Messungen nach Inbetriebsetzung einesVoIP-Systems können als Momentaufnahme Aus-kunft über die Robustheit des Netzes als Basis für dasVoIP-System geben.

Veränderungen im NetzAllerdings ist auch mit einer Lastmessung nicht dasVerhalten des Trägernetzes vollständig beschriebenund die Verhältnisse können sich zudem ändern. Einsauber mit VLAN logisch getrenntes Netz für dieSprachübertragung kann beispielsweise durch einunachtsames Umstecken einer Ethernetleitung dra-


QoS-Maßnahmen bei VLAN und MPLS


stisch verschlechtert werden. Oft ist dies aber nichtsofort bemerkbar, weil die Netzauslastung der Da-tenkommunikation sehr stark schwankt. Hieraus re-sultieren dann Aussagen wie: „Letzte WocheDienstag hatten wir eine sehr schlechte Verständ-lichkeit im Netz.“ In Zeiten mit einem geringen Da-tenverkehr bleibt der Fehler unentdeckt, in Zeitenmit großer Last kommt es zu sehr großen Paketlauf-zeiten und einem erhöhten Paketverlust. Das giltauch für die Datenkommunikation, VoIP-Anwendun-gen bringen mit ihren RTP-Paketen, die in kurzen Ab-ständen gesendet werden, eine hohe Last in einDatennetz. Werden beide Anwendungen nicht durcheigene, virtuelle Kanäle getrennt (Verkehrstrennung,VLAN), kommt es zu Übergriffen („Seitdem die TK-Anwendung im Netz ist, ist es viel schlechter gewor-den.“). Die Priorisierung von Echtzeitkommunikationwirkt sich benachteiligend auf die Datenkommunika-tion aus. Solange der Anteil der bevorrechtigten Pa-kete klein bleibt, geht das ohne Probleme, bei einemgrößeren Anteil von bevorrechtigtem Verkehr „lei-det“ die klassische Datenkommunikation merklich.

MonitoringFür eine laufende Sicherung der Qualität können indie Systeme eigene Mess-Clients eingebaut werden,die Probeverbindungen unterhalten. Diese Testver-bindungen werden dann sehr genau gemessen undbeobachtet, die Messergebnisse werden gesammeltund verdichtet. Änderungen an der Netzkonfigurati-on können so frühzeitig entdeckt und ggf. in einemManagementsystem angezeigt werden.

Alternativ können die Daten der durchgeführten Ver-bindungen erfasst und ausgewertet werden. Wäh-rend eines VoIP-Gesprächs werden neben den RTP-Daten auch sog. RTCP-Daten ausgetauscht, die Infor-mationen über die Eigenschaften der Übertragungenthalten. Mit RTCP werden während der Verbin-dung Rückkopplungen zur Übertragungsqualität anden Sender gegeben.

A Anhang

A.1 QoS-Maßnahmen bei VLAN und MPLS

Die Berechnungen haben gezeigt, dass eine strikteTrennung von Sprache und Daten (wie durch MPLSund VLAN) bei den Vergleichen immer am besten ab-geschnitten hat. Die Bereitstellung eigener, virtuellerKanäle ermöglichte eine strikte Trennung zwischenden beiden Verkehrsarten und dadurch die meistenVoIP-Kanäle mit den geringsten Verzögerungen. Wieist es möglich, dass so viel mehr VoIP-Kanäle inVLAN/MPLS-Systemen übertragen werden können?

A.1.1 Grundprinzip von VLAN und MPLSVereinfacht dargestellt, ordnen VLAN und MPLS je-der virtuellen Verbindung ein Label zu. Gleichzeitigwerden für jede Verbindung die Verkehrseigenschaf-ten vorgegeben. Die Eigenschaften der virtuellenVerbindungen werden laufend überwacht (Policing).Diese Überwachung kann auch für einen Port mit al-len virtuellen Verbindungen angewendet werden.Des Weiteren kann der gesamte Verkehr von einembestimmten Port einer bestimmten Verkehrsart zu-geordnet werden (Port-based QoS). Über-schreitungen der vereinbarten Eigenschaftenwerden nicht zugelassen. Die Netzelemente überwa-chen die tatsächlich verwendeten Verkehrsparame-ter (sog. Usage-Parameter) der aktivenVerbindungen. Die Missachtung der festgelegtenParameter durch eine bestimmte Quelle kann ande-re Verbindungen beispielsweise durch eine erhöhteLaufzeit dieser Zellen innerhalb des Netzelementsbeeinflussen. Unter Umständen können diese Lauf-zeiten so groß werden, dass die Qualitätsanforde-rungen dieser Verbindung nicht mehr eingehaltenwerden können. Die Verkehrsparameter werden jevirtuelle Verbindung (je Label) getrennt überwacht.

Bei der Verletzung der Verkehrsparameter werdenvon einer Kommunikationsquelle mehr Pakete ge-sendet, als beim Verbindungsaufbau vereinbart wur-den. Die zu viel produzierten Zellen können vonNetzelementen

• verworfen werden – das bedeutet Paket-verlust,

• verzögert werden, bis die Quelle wenigerPakete erzeugt (Traffic Shaping).

A.1.2 BeispielverkehrIn dem folgenden Beispiel werden von drei unter-schiedlichen Datenquellen unabhängig voneinanderPakete gesendet (Quelle 1 bis 3). Parallel werden voneiner VoIP-Quelle (Quelle 4) in regelmäßigen Abstän-den RTP-Pakete über die gleiche Schnittstelle gesen-det.


Anhang


Wird der Verkehr der vier Quellen ohne QoS-Maß-nahmen zusammengefasst, setzen sich vor allem diegrößeren Datenpakete durch. Die Verzögerungszei-ten für die kleinen RTP-Pakete sind sehr groß und va-riieren sehr stark (Bild 45a).

A.1.3 DiffServWerden die RTP-Pakete vorrangig transportiert, z. B.durch DiffServ (Strict Priority), erfolgt die Reihenfol-ge beim Pakettransport nicht in der Reihenfolge desEintreffens der Pakete. Die kleinen RTP-Pakete kön-nen sich hier etwas „vordrängeln“, allerdings müssensie warten, wenn gerade ein langes Datenpaket be-arbeitet wird. Durch das Eintreffen eines bevorrech-tigten Pakets wird der Bearbeitungsvorgang einesanderen Pakets nicht unterbrochen. Die Verzöge-rungszeiten sind hier bereits deutlich kürzer als ohneQoS-Maßnahmen (Bild 45b).

A.1.4 Übertragung mit VLAN bzw. MPLSBei VLAN und MPLS werden den Verkehrsquellen be-stimmte Verkehrseigenschaften zugeordnet. Die Ein-haltung dieser Eigenschaften wird ständigüberwacht. Für den vorgegebenen Beispielverkehrbedeutet dies, dass die eintreffenden Datenpaketedem vereinbarten Verkehr (in Pakete/s) angepasstwerden. Pakete, die in sehr kurzem Abstand hinter-einander eintreffen, werden zeitlich auseinanderge-zogen (Bild 45c).

Mit einem Takt, der der vereinbarten Übermittlungs-rate entspricht, werden die Pakete weitergeleitet.Die in unregelmäßigen (sehr kurzen) Abständen ein-treffenden Datenpakete werden in regelmäßigen(der vereinbarten Datenrate entsprechenden) Ab-

ständen weitergeleitet, dies wird auch als TrafficShaping (Verkehrsanpassung) bezeichnet. DieserMechanismus arbeitet in den hardwarebasiertenMPLS- oder VLAN-Systemen sehr verlässlich. Diesestrikte Trennung von VoIP- und Datenverkehr mussaber durchgängig gewährleistet werden. Werden fürdie externe Anschaltung doch wieder unterschiedli-che Verkehre gemeinsam über eine Leitung bzw. ei-nen logischen Kanal übertragen, können die gutenEigenschaften hierbei verloren gehen. Softwareba-sierte Systeme sind von der Realisierung der jeweili-gen Hersteller und der Last im System abhängig. Hierwurden nur die HW-basierten Systeme betrachtet. Indem ersten Bild wird der Verkehr der Quelle 2 ange-passt.

Werden nun die angepassten Verkehre zusammen-gefasst, entspannt sich die Situation für die Echt-zeitübertragung. Die Verzögerungszeiten sind beidiesem Verfahren deutlich geringer als bei DiffServoder einer Übertragung ohne Maßnahmen. Durchdie zeitliche „Dehnung“ des Eintreffens der Datenpa-kete sind die Paketabstände groß genug, dass die Pa-kete der Echtzeitkommunikation sich durchsetzen.Häufig blockieren hier auch keine langen Datenpake-te die Bearbeitung der RTP-Pakete.

Die Effekte der verschiedenen QoS-Mechanismenmachen sich bereits bei diesem einfachen Beispielbemerkbar. In der Realität sind die Datenpakete imVerhältnis zu den Paketen der Echtzeitkommunikati-on viel größer, d. h., die Behinderung der RTP-Paketeist noch viel stärker, als hier darstellbar. Dieses zeigtsich in den vereinfachten Berechnungen im folgen-den Abschnitt.

Abbildung 44: Musterverkehr

Quelle 1

Quelle 2

Quelle 3

Quelle 4

t

t


QoS-Maßnahmen bei VLAN und MPLS


Abbildung 45: Wirkung von QoS-Maßnahmen

d) VoIP mit Traffic Shaping (MPLS, VLAN)Quelle 1

Quelle 2

Quelle 3

Quelle 4

Multiplex

t

Freigabe-Raster

Quelle 2

t

c) Traffic Shaping

b) VoIP mit DiffServQuelle 1

Quelle 2

Quelle 3

Quelle 4

Multiplext

a) VoIP ohne QoSQuelle 1

Quelle 2

Quelle 3

Quelle 4

Multiplext


Anhang


A.2 Jitter

Abbildung 46: Jitter und Delay

Die Laufzeit eines RTP-Pakets schwankt von Paket zuPaket. Diese Varianz der Laufzeit eines einzelnenRTP-Pakets wird als Jitter bezeichnet. Werden auf einer Übertragungsstrecke nur RTP-Pa-kete übertragen, bleibt der Jitter relativ klein. In ei-

ner Mischung mit den viel längeren IP-Paketenwerden die mittlere Paketlaufzeit und der Jitter grö-ßer. Durchläuft das RTP-Paket mehrere Netzelemen-te, in denen eine Verkehrsmischung aus RTP-Paketenund Datenpaketen transportiert wird, wird der Jittervon Netzelement zu Netzelement immer größer.

Abbildung 47: Mehr Netzelemente größerer Jitter

tS

t

Jitter

Paket 1 Paket 2

Internet

RTP-Pakettransport

Jitter

Jitter am Eingang des Netzes Jitter am Ausgang des Netzes

Transport


Die genaueren Berechnungen


A.3 Die genaueren Berechnungen

Die oben beschriebenen Zusammenhänge liegen inden Eigenschaften der Netze und der eingebrachtenVerkehre begründet. Diesem Verhalten versuchtman sich mit mathematischen Modellen zu nähern,um diese besser verstehen und berechnen zu kön-nen. Die Berechnungsgrundlagen liegen in den War-tezeitmodellen begründet. Im Folgenden werden dieverwendeten Formeln und Berechnungsansätze zu-sammenfassend dargestellt.

In den Darstellungen oben und in der Berechnungwurden einige Vereinfachungen gemacht, um die Zu-sammenhänge und Systemeigenschaften zu ver-deutlichen. Genauere Berechnungen wären deutlichaufwendiger, deren Ergebnisse aber nicht unbedingtviel besser. Das liegt insbesondere in den speziellenEigenschaften des Internetverkehrs begründet.

Der IP-Verkehr zeigt ein selbstähnliches Verhaltenund eine Langzeitabhängigkeit. Mit diesen beiden Ei-genschaften ergeben sich Mittelwerte im beobach-teten Verkehr erst nach sehr langenBeobachtungszeiten. Diese Mittelwerte weisen zu-dem eine sehr große Varianz auf, die unter bestimm-ten Umständen gegen unendlich strebt. Damitwerden die ermittelten Werte (ob gemessen oder er-rechnet) sehr ungenau und erlauben kaum Vorhersa-gen auf ein zukünftiges Verhalten.

A.3.1 Wichtige Anmerkungen zu den Berechnungen

Die Berechnungen wurden für diese Betrachtungenetwas vereinfacht:

• Für DiffServ wurde der Berechnungswegetwas vereinfacht. Eigentlich ist das Verfah-ren für einen sehr geringen Anteil mit bevor-rechtigtem Verkehr vorgesehen (ca. 5 %). Beigrößeren Anteilen (die in diesen Berechnun-gen betrachtet wurden) wären die Berech-nungen dann viel komplexer – hier sollte nurder Trend dargestellt werden, daher wurdeauch bei größeren Anteilen vereinfachtgerechnet.Weiterhin wurde von einem „Strict PriorityQueueing“ ausgegangen, d. h., dass die RTP-Pakete mit einem absoluten Vorrang bearbei-tet werden. Für die RTP-Pakete existiert eineeigene Warteschlange. Ist ein Paket in dieserWarteschlange vorhanden, wird es als näch-stes vom Router bearbeitet (DiffServ-Router).Ist kein Paket in dieser Warteschlange vor-handen, geht der Router zur Warteschlangemit der nächstniedrigeren Priorität über. Isthier ein Paket vorhanden, wird es bearbeitet.Danach geht der Mechanismus wieder in diebevorrechtigte Warteschlange zurück. Ist hier

inzwischen wieder ein Paket vorhanden, wirdes bearbeitet. Andere Mechanismen arbeiten mit bestimm-ten Vorgaben für die Bearbeitung (Fair Queu-eing, Weighted Random Queueing usw.), indiesem Fall werden die Wartespeicher mitden verschiedenen Prioritäten nach den Vor-gaben bearbeitet. Für den Transport von RTP-Paketen kann dies aber bedeuten, dass einoder mehrere IP-Pakete mehr als bei demStrict-Priority-Verfahren zwischen den RTP-Paketen liegen können. Die Anzahl der über-tragbaren VoIP-Kanäle läge bei diesen Ver-fahren zwischen den Ergebnissen vonDiffServ (Strict Priority) und der Übertragungohne QoS-Maßnahmen (Überdimensionie-rung).

• Für den Transport mittels MPLS und VLANwurde bei den Berechnungen von einer hard-warebasierten Lösung ausgegangen. Es sindauch softwarebasierte MPLS- oder VLAN-Lösungen auf dem Markt, die nicht über einvergleichbares Verhalten verfügen. Soft-warebasierte Lösungen sind in ihrer Lei-stungsfähigkeit von der Belastung und derjeweiligen Realisierung durch den Herstellerabhängig. Allgemeine Berechnungen sindhier nur schwer möglich. Die Ergebnissewären Hersteller- und Lastabhängig.Die Berechnungen für MPLS- und VLAN-Systeme mit QoS und Policing-Funktionenwurden in die idealisierten Berechnungen fürexklusive Leitungen übernommen. Dies isteine Vereinfachung der wahren Verhältnisse,die deutlich komplexer berechnet werdenmüssen. Hier sollten nur die grundsätzlichen,unterschiedlichen Eigenschaften der ver-schiedenen QoS-Maßnahmen dargestelltwerden. Es ist kein Ansatz für eine exakteBerechnung der Verhältnisse.

• Die Berechnungen ohne QoS-Maßnahmenwurden ebenfalls vereinfacht. Bei genauerenBetrachtungen müsste der Hurst-Parametermit steigender RTP-Last verringert werden –dies wurde hier vernachlässigt. Insgesamtwerden die Berechnungen bei genauerenBetrachtungen sehr viel komplexer, abernicht genauer. Aus diesem Grund wurde auchhier der vereinfachte Ansatz gewählt.

Alle Ergebnisse sind Durchschnittswerte, gerade beider Verkehrsmischung können diese um ein Vielfa-ches überschritten werden. Auf den folgenden Sei-ten sind die grundsätzlichen mathematischenAnsätze und die verwendeten Formeln ohne weitereErläuterungen zusammenfassend dargestellt.


Anhang


Abbildung 48: Entstehung von Wartezeiten

A.3.2 Berechnung der mittleren Wartezeit für den exklusiven RTP-Transport [Klot11]

Die mittlere Wartezeit für ein RTP-Paket hängt bei ei-ner exklusiven Übertragung von RTP-Paketen nurvon der gewählten RTP-Größe, der Übertragungsge-schwindigkeit und von der Anzahl der laufenden Ver-bindungen ab. Werden die RTP-Pakete alle 20 msübertragen, ist die Zeit für den Transport tS einesRTP-Pakets: (230 · 8 bit)/2,048 Mbit/s = 0,898 ms. Für2 RTP-Pakete ist die Zeit 2 · 0,898 ms = 1,796 ms, für3 RTP-Pakete ist die Zeit 3 · 0,898 ms = 2,694 ms usw.Allgemein ist ts:

Für ein Paket mit einem RTP-Abstand von 20 ms istein RTP-Paket 160 Byte groß. Zusammen mit demOverhead von RTP und den der unterliegenden Pro-tokolle (in Summe 70 Byte) macht das 230 Byte. DieZeit für den Pakettransport ist mit einer Übermitt-lungsrate von 2,048 Mbit/s:

In einem Zeitrahmen können N RTP-Pakete gesendetwerden (hier N=10). Kommt ein zweites Gesprächdazu, passiert meistens nichts, da ja noch genügendfreie Kapazität vorhanden ist. Allerdings könnte daserste Paket des zweiten Gesprächs während der Sen-dezeit eines Pakets des ersten ankommen, dannmuss es warten.

Mit einer Wahrscheinlichkeit von 1/N muss das zwei-te Paket warten, die mittlere Wartezeit ist dann tS/2.Das erste Paket wartet nicht (tW1=0), das zweite war-tet:

Die mittlere Wartezeit bei zwei Gesprächen ist dann:

Bei 3 Gesprächen warten die Pakete des ersten nicht,die des zweiten tW2=1/N* tS/2 und die des drittentW3=2/N* tS/2, da die Wahrscheinlichkeit des War-tens für die Pakete des dritten Gesprächs größer ist.Die mittlere Wartezeit ist jetzt

Allgemein ist die mittlere Wartezeit für n von N mög-lichen Verbindungen:

Werden die RTP-Pakete alle 10 ms erzeugt, ist diemaximal mögliche Anzahl von VoIP-Kanälen (N) beieiner Übermittlungsrate von 2,048 Mbit/s:

Werden die RTP-Pakete alle 20 ms bzw. alle 40 msgesendet, ist N:

Die maximale Wartezeit wird erreicht, wenn zufälligalle laufenden Verbindungen genau gleich begonnenwurden.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2mögliche Übertragungen N

Übertragung 1

Übertragung 2

tW

tSPaketgröße in Byte 8 bitÜbermittlungsrate in bit/s-------------------------------------------------------------------=

tS230 8 bit

2 048 106bit/s------------------------------------------=

tW21N----

tS2-----=

tW t W1 t+W2

2=

tW 0 1N----+

tS2----- 2 1

N----

tS4----- ==

tW t W1 t+W2

tW3+ 3=

tW 0 1N----+

tS2----- 1

N----

2 t S2

-------------+ 3=

tWtS

2 N n-------------------- n 1 n–

2---------------------

tS n 1 –

4 N-----------------------------==

tWtS

2 N n-------------------- i

i 1=

n 1– =

N 2 048 106

bit/s 0 01s,150 Byte 8 bit

-----------------------------------------------------------=

N 2 048 106


-----------------------------------------------------------=

N 2 048 106


-----------------------------------------------------------=




Exklusiver Zugriff ( MPLS und VLAN mit QoS)

0,000

2,000

4,000

6,000

8,000

10,000

12,000

14,000

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25

tw 10ms 0,000

tw 20ms 0,528

tw 40ms 0,896

tw 40ms ms

Router

MUX Multiplex (Paket-Ebene)

Nur RTP-Pakete (alle gleich lang)

µnur RTP-Pakete

Feste Paket-RateBeginn aber zufällig

alle RTP-Pakete gleich langBearbeitungszeit ist immer gleich

D/D/1

Ankünfte


Konfiguration

Modell

Auslastung

Formeln

tW in ms

Anzahl der VoIP-Kanäle

(mittlere Wartezeitfür ein Paket)

für 10 ms für 20 ms für 40 ms

tW = 150 · 8 bit

2048 · 103 bit/s · (n - 1)4 · N tW =

230 · 8 bit2048 · 103 bit/s ·

(n - 1)4 · N tW =

390 · 8 bit2048 · 103 bit/s ·

(n - 1)4 · N

für RTP mit 10 ms Abstand




Anhang


Priorisierung (DiffServ, strict priority queuing)

RTP-Pakete bevorrechtigt

Feste Paket-RateBeginn aber zufällig

RTP-Pakete + Bearbeitung der Datenpakete die mittlere Paketlänge

M/M/1

Poisson

8

6

4

2

00,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Anza

hl d

er W

arte

spei

cher

plät

ze

Auslastung (

DiffServNQ

M/M/1

NQ = 2

1 -tW =

µ -

= µ

Router

Routingstatistisches Multiplex

Priorität

Priorität

!

Bevorrechtigung von RTP-Paketen

und die Bearbeitungszeit sind unterschiedlich

Ankünfte

bevorrechtigte

Bedieneinheit

Warteschlange (Daten)

Warteschlange

Konfiguration

Modell

Auslastung

Formeln

(vereinfacht)

Die hier verwendeten Formeln vereinfachen das DiffServ-Prinzip auf eine einfache M/M/1-Warteschlange, für einegenauere Berechnung sind eigene Formeln für die bevor-rechtigten Pakete und die benachteiligten Pakete zu ver-wenden [Tra05].




Überdimensionierung (kein QoS)

µRTP- plus Daten-Pakete

Zufällige Pakete-RateM/M/1

8

6

4

2

00,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Anza

hl d

er W

arte

spei

cher

plät

ze

Auslastung (

H=0,9

H=0,75

NQohne QoS

NQ = (1/(2*(1-H)))

(1 - ) H/(1-H)tW =

NQ

= µ

Router

Routingstatistisches Multiplex

H = 0,8(selbstähnlicher Verkehr)

RTP-Pakete + Bearbeitung der Datenpakete die mittlere Paketlängeund die Bearbeitungszeit sind unterschiedlich

Ankünfte

Warteschlange Beideneinheit

Konfiguration

Modell

Auslastung

Formeln Die hier verwendeten Formeln vereinfachen die Berechnung, da mit zunehmenden VoIP-Verkehrder Hurst-Faktor kleiner wird.


Anhang


A.4 Quellen, Literatur

[Gri04]: Grimm, C., Schlüchtermann, G.: Verkehrs-theorie in IP-Netzen, Modelle, Berechnungen, stati-stische Methoden. Hüthig Verlag, Heidelberg, 2004.ISBN 3-8266-5047-6.

[Her08]: Herheuser, R.: Planung von Vermittlungs-netzen. Eine Einführung. vdf Hochschulverlag AG, Zü-rich, 2008. UTB-ISBN 978-3-8252-8394-0.

[Kle75]: Kleinrock, L.: Queueing Systems, Volume I:Theory. John Wiley-Interscience Publication, NewYork, Chichester, Brisbane, Toronto, 1975. ISBN 0-471-49110-1.

[Klot11]: Klotz, B.: Berechnung der mitteren Warte-zeit, interne Aufzeichnungen. Stuttgart, 2011.

[McDysan, Paw 2002]: McDysan, D. E. und Paw, D.:ATM & MPLS Theory & Application. McGraw-Hill/Osborne, Berkeley, USA, 2002.

[Sie09]: Siegmund, G.: Technik der Netze, Band 2:Neue Ansätze: SIP in IMS und NGN. 6. Auflage. HüthigVerlag, Heidelberg, 2009. ISBN 978-3-7785-4063-3.

[Sie10]: Siegmund, G.: Technik der Netze, Band 1:Grundlagen, Verkehrstheorie, ISDN/GSM/IN. 6. Auf-lage. VDE Verlag, Berlin, Offenbach, 2010. ISBN 978-3-8007-3219-7.

[Tra05]: Tran-Gia, P.: Einführung in die Leistungsbe-wertung und Verkehrstheorie. 2. Auflage. Olden-bourg Wissenschaftsverlag, München, 2005. ISBN 3-486-57882-0.


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