VoIP QoS (서비스 품질)

QoS(서비스 품질)는 라우터를 통과하는 네트워크 트래픽의 우선순위를 지정하여 대부분의 사용자에게 적합한 서비스를 제공하는 방법이다. 관리자는 오디오 품질 문제를 해결하기 위해 QoS를 설정한다

 

개요

IP 네트워크의 통신은 데이터 패킷이 손실되지 않고 순차적으로 전달되도록 하는 네트워크 기반 메커니즘을 제공하지 않기 때문에 회선 교환 공중전화 네트워크와 달리 덜 안정적으로 인식되고 있다. 근본적인 서비스 품질(QoS) 보장이 없는 최선형 네트워크이다. 음성 및 기타 모든 데이터는 고정된 최대 용량의 IP 네트워크를 통해 패킷으로 이동한다. 이 시스템은 기존의 회선 교환 시스템보다 정체가 있는 경우 데이터 손실이 더 발생할 수 있습니다. 용량이 부족한 회선 교환 시스템은 새로운 연결을 거부하고 나머지는 손상 없이 전달하는 반면 패킷 교환 네트워크의 전화 대화와 같은 실시간 데이터 품질은 크게 저하된다. 따라서 VoIP 구현은 대기 시간, 패킷 손실(Packet Loss) 및 지터(Jitter) 문제에 직면할 수 있다.

 

기본적으로 네트워크 라우터는 선착순으로 트래픽을 처리한다. 고정 지연은 패킷이 이동하는 물리적 거리로 인해 발생하므로 제어할 수 없다. 정지 위성과의 거리가 멀기 때문에 위성 회로가 포함될 때 특히 문제가 된다. 400–600ms의 지연이 일반적입니다. DiffServ(차별화 서비스)와 같은 QoS 방법으로 음성 패킷을 지연에 민감한 것으로 표시하여 대기 시간을 최소화할 수 있다.

 

대용량 트래픽 링크의 네트워크 라우터는 VoIP에 대해 허용되는 임계값을 초과하는 대기 시간을 유발할 수 있다. 링크에 대한 과도한 로드는 정체 및 관련 대기열 지연 및 패킷 손실을 유발할 수 있다. 이것은 혼잡을 완화하기 위해 전송 속도를 줄이기 위해 TCP와 같은 전송 프로토콜에 신호를 보낸다. 그러나 VoIP는 일반적으로 재전송을 통해 혼잡에서 복구하는 데 너무 많은 대기 시간이 수반되기 때문에 일반적으로 TCP가 아닌 UDP를 사용한다.[ 따라서 QoS 메커니즘은 링크가 대량 트래픽으로 혼잡한 경우에도 동일한 링크에서 대기 중인 대량 트래픽보다 먼저 패킷을 즉시 전송하여 VoIP 패킷의 손실을 방지할 수 있다.

 

VoIP 엔드포인트는 일반적으로 새 데이터가 전송되기 전에 이전 패킷 전송이 완료될 때까지 기다려야 한다. 전송 중 덜 중요한 패킷을 선점(중단)하는 것이 가능하지만 일반적으로 수행되지 않으며 특히 최대 크기의 패킷에 대해서도 전송 시간이 짧은 고속 링크에서 더욱 그렇다. 전화 접속 및 DSL(디지털 가입자 회선)과 같은 느린 링크에 대한 선점의 대안은 최대 전송 단위를 줄여 최대 전송 시간을 줄이는 것이다. 그러나 모든 패킷에는 프로토콜 헤더가 포함되어야 하기 때문에 통과하는 모든 링크에서 상대적 헤더 오버헤드가 증가된다.

 

수신기는 순서가 잘못된 IP 패킷의 순서를 변경하고 패킷이 너무 늦게 도착하거나 전혀 도착하지 않을 때 정상적으로 복구해야만 한다. 패킷 지연 변동은 동일한 전송 링크에 대한 다른 사용자의 경쟁으로 인해 주어진 네트워크 경로를 따라 대기 지연의 변경으로 인해 발생한다. VoIP 수신기는 수신 패킷을 재생 버퍼에 잠시 저장하고 의도적으로 대기 시간을 늘려 음성 엔진이 재생할 때 각 패킷을 사용할 수 있는 가능성을 높임으로써 이러한 변화를 수용한다. 따라서 추가된 지연은 과도한 지연과 과도한 Drop Out(순간적인 오디오 중단) 사이의 절충안이다.

 

지터(jitter)는 랜덤 변수이지만 최소한 다소 독립적인 다른 여러 랜덤 변수의 합이다.

문제의 인터넷 경로를 따라 라우터의 개별 대기 지연이다. 중심 극한 정리에 의해 동기가 부여된 지터는 가우스 랜덤 변수로 모델링 될 수가 있다. 이것은 평균 지연과 표준 편차를 지속적으로 추정하고 평균보다 몇 표준 편차 이상 지연된 패킷만 너무 늦게 도착하여 유용하지 않도록 재생 지연을 설정하는 것이 추천된다. 실제로 많은 인터넷 경로의 대기 시간 변동은 비교적 느리고 혼잡한 병목 링크의 소수에 의해 지배된다. 대부분의 인터넷 백본(backbone) 링크는 매우 속도가 빠르기에(예: 10 Gbit/s)지연이 전송 매체(예: 광섬유)에 의해 지배되고 이를 구동하는 라우터는 대기열 지연이 상당할 만큼 충분한 버퍼링이 없다.

VoIP 통화에 대한 서비스 품질(QoS) 및 경험 품질(QoE) 보고를 지원하기 위해 여러 프로토콜이 정의되었다. 여기에는 RTCP(RTP Control Protocol) 확장 보고서, SIP RTCP 요약 보고서, H.460.9 Annex B(H.323용), H.248.30 및 MGCP 확장이 포함된다.

 

RFC 3611에 지정된 RTCP 확장 보고서 VoIP 메트릭 블록은 라이브 통화 중에 IP 전화 또는 게이트웨이에서 생성되며 패킷 손실률, 패킷 폐기율(지터로 인한), 패킷 손실/폐기 버스트 메트릭(버스트 길이/ 밀도, 갭 길이/밀도), 네트워크 지연, 최종 시스템 지연, 신호/잡음/에코 레벨, 평균 의견 점수(MOS) 및 R 요인 및 지터 버퍼와 관련된 구성 정보. VoIP 메트릭 보고서는 통화 중 가끔 IP 끝점 간에 교환되며 SIP RTCP 요약 보고서 또는 다른 신호 프로토콜 확장 중 하나를 통해 전송된 통화 종료 메시지가 전송된다. VoIP 메트릭 보고서는 QoS 문제, 향상된 통화 품질 계산을 위한 끝점(End Point) 간의 정보 교환 및 기타 다양한 응용 프로그램과 관련된 실시간 피드백을 지원하기 위한 것이다.

 

DSL 및 ATM

DSL 모뎀은 일반적으로 로컬 장비에 대한 이더넷 연결을 제공하지만 내부는 실제로 ATM(Asynchronous Transfer Mode) 모뎀일 수 있다. AAL5(ATM Adaptation Layer 5)를 사용하여 각 이더넷 패킷을 일련의 53바이트 ATM 셀로 분할한다. 전송을 위해 수신단에서 이더넷 프레임으로 다시 구성한다.

 

IP를 통한 오디오에 대해 별도의 VCI(가상 회로 식별자)를 사용하면 공유 연결에서 대기 시간을 줄일 수 있다. ATM의 대기 시간 감소 잠재력은 링크 속도가 증가함에 따라 최악의 대기 시간이 감소하기 때문에 느린 링크에서 가장 크다. 전체 크기(1500바이트) 이더넷 프레임은128 kbit/s에서 전송하는 데 94ms가 걸리지만1.5 Mbit/s에서는에 불과하다. 이것이 병목 링크인 경우 이 대기 시간은 MTU 감소 또는 여러 ATM VC 없이도 우수한 VoIP 성능을 보장하기에 충분히 작을 수 있다. 최신 세대의 DSL, VDSL 및 VDSL2는 중간 ATM/AAL5 계층 없이 이더넷을 전송하며 일반적으로 IEEE 802.1p 우선 순위 태깅(tagging)을 지원하므로 VoIP가 덜 시간에 민감한 트래픽보다 먼저 대기할 수 있다.

 

ATM에는 상당한 헤더 오버헤드가 있다: 5/53 = 9.4%, 1500바이트 이더넷 프레임의 총 헤더 오버헤드의 대략 두배이다. 이 "ATM 텍스"은 여러 가상 회선을 활용하는지 여부에 관계없이 모든 DSL 사용자에게 부과되며 거의 사용할 수 없다.

 

 

레이어(Layer) 2

네트워크 혼잡이 있는 경우에도 VoIP 응용 프로그램이 잘 작동하도록 돕는 QoS 메커니즘을 위해 데이터 링크 계층 및 물리적 계층에 여러 프로토콜이 사용된다. 몇가지 예는 다음과 같다.

 

IEEE 802.11e는 MAC(Media Access Control) 계층 수정을 통해 무선 LAN 응용 프로그램에 대한 일련의 서비스 품질 향상을 정의하는 IEEE 802.11 표준의 승인된 수정 사항이다.

이 표준은 VoIP(Voice over Wireless IP)와 같이 지연에 민감한 애플리케이션에 매우 중요한 것으로 간주된다.

IEEE 802.1p는 레이어 2 유선 이더넷의 트래픽에 대해 8가지 서비스 클래스(음성 전용 서비스 포함)를 정의한다.

ITU-T G.hn 표준은 기존 가정 배선(전력선, 전화선 및 동축 케이블)을 사용하여 고속(초당 최대1기가 비트)을 만드는 방법을 제공한다. G.hn은 QoS가 필요하고 트워크 컨트롤러와 계약을 협상한 흐름(예:VoIP호출)에 할당되는 CFTXOP(Contention-Free Transmission Opportunities)를 통해 QoS를 제공한다.