Voix sur IP (VoIP) - Bande Passante par Communication

Sommaire • Introduction • Bande Passante par Communication - Définition des termes - Formules de calcul de bande passante - Exemple de calcul • Configuration des tailles de charge utiles voix dans le CallManager Cisco et dans IOS de Gateway • Impact du changement des tailles de charges utiles voix • Détection d'activité voix • Compressed RTP (cRTP) - Heuristique pour la compression

Bande passante par communication Introduction Un des facteurs les plus importants à prendre en compte quand vous construisez des réseaux avec voix paquetisée c'est une bonne capacité de planification. Dans la capcité de planification, le calcul de la bande passante est important facteur à con- sidérer quand on conçoit des réseaux et que l'on cherche à résoudre les problèmes dans les réseaux avec voix paquétisée afin d'obtenir une bonne qualité de voix. Ce document explique les calculs de bande passante des codec voix et les solutions pour modifier ou économiser de la bande passante quand la voix sur IP est utilisée. Bande passante par communication Les hypothèses sur les en-tête des protocoles utilisés sont les suivantes: • 40 octets- IP (20 octets)/UDP (8 octets) /RTP (Real time protocol) 12 octets • cRTP (compressed Real Time Protocol réduit les en-têtes IP/UDP/RTP à 2 ou 4 octets (cRTP n'est pas disponible sue Ethernet). • 6 octets pour la couche 2 PPP Multilink, Frame Relay ou FRF.12 • 1 octet pour le Flag de fin de trame pour PPP Multlink et Frame Relay • 18 octets pour Ethernet incluant 4 octets pour le FCS (Frame check séquence) Note : Le tableau de la page suivante contient les calculs pour les tailles de charge utile par dans Cisco CallManager ou l'IOS Cisco Gateway

Informations sur leCodec Calculs de Bande Passante Codec et débit (Kb/s) Codec taille de l'écha-ntillon (octets) Codec durée de l'échantillonage (ms) Mean Opinion Score (MOS) Taille charge utile voix (octets) Taille charge utile voix (ms) Paquets par sec (PPS) BP avec MP ou FR.F12 (Kbit/s) BP avec cRTP MP ou FR.F12 (Kbit/s) BP Ethernet (Kbit/s) G711 (64 Kb/s) 80 10 4,1 160 20 50 82,8 67,6 87,2 G.729 (8 Kb/s) 3,92 26,8 11,6 31,2 G.723.1 (6,3 Kb/s) 24 30 3,9 34 18,9 8,8 21,9 G723.1 (5,3 Kb/s) 3,8 17,9 7,7 20,8 G.726 (32 Kb/s) 5 3,85 50,8 35,6 55,2 G.726 (24 Kb/s) 15 3,65 60 42,8 27,6 47,2 G.728 (16 Kb/s) 3.61 28,5 18,4 31,5

Définition des termes Débit du Codec (Kbit/s) C'est le nombre de bits par secondes transmis par le Codec pour une communication voix Débit = Taille de l'échantillon/ durée d'échantil- lonnage Taille de l'échantillon (Octets) C'est le nombre d'octets utilisés par le DSP pour coder l'échantillon à chaque intervalle d'échan- tillonnage. Durée de l'échantillonage C'est l'intervalle d'échantillonnage auquel le codec opère. Par exemple le codeur G.729 opère sur un intervalle de 10 ms, correspodant à 10 octets par échantillon MOS MOS est un système d'évaluation de la qualité de la voix pour les communications téléphoniques. Un grang nombre d'utilisateurs évaluent la qualité de la voix avec une échelle de 1(mauvais) à 5 (excellent) . Une moyenne des scores est faite pour obtenir le MOS pour un Codec. Taille de la charge utile voix (Octets) La taille de la charge utile représente le nombre d'octets ou de bits contenus dans un paquet. La taille de la charge utile voix doit être un multiple de la taille d'un échantillon du Codec. Par exemple pour G.729 les paquets peuvent avoir une charge utile de 10, 20, 30, 40, 50 ou 60 octets. Taille de la charge utile voix (ms) La taille de la charge utile peut être aussi exprimée en durée. Par exemple une charge utile G.729 de 20 ms représente deux échantillons voix de 10 ms (Charge utile égale à 20 octets) Paquets Par Seconde (PPS) Représesente le nombre de paquets par seconde devant être transmis pour assurer le débit du Codec. Par exemple pour une communication G.729 avec une charge utile voix par paquet de 20 octets (160 bits), 50 paquets par seconde devront être transmis pour respecter le débit de 8 Kbit/s.

Formules de Calcul de bande passante Les calculs suivants sont utilisé: • Taille totale de paquet = ( en-tête L2 : Multilink PPP ou FRF.12 ou Ethernet) + En-tête (IP/UDP/RTP) +(Charge utile Voix) • PPS = (Débit du Codec)/ (Charge utile Voix) • Bande Passante = (Taille totale du paquet) x PPS Exemples de calcul Par exemple, la bande passante requise pour une communication G729 (8 Kbit/s débit du Codec) avec cRTP, PPP Multilink et une taille de charge utile de 20 Octets par défaut est de: • Taille totale paquet (octets) = (En-tête Multink PPP (6 Octets)) + ( En-tête IP/UDP/ RTP compressé (2 Octets)) + ( Charge utile voix (20 Octets)) = 28 Octets • Taille totale paquets en bits = 28 x 8 = 224 bits • PPS = (Débit du Codec 8Kbit/s) / (160 bits) = 50 paquets par seconde • Bande passante par communication (Taille du paquet Voix 224 bits) x 50 PPS = 11,2 Kbit/s Configuration des charges utiles voix dans le CallManager Cisco et l'IOS Cisco Gateway La charge utile voix par paquet peut être configurée dans Cisco CallManager et L'IOS Cisco Gateway. Note: Si L'IOS Cisco Gateway est configuré dans Cisco CAllManager comme Media Gateway Control Protocol (MGCP), toutes les informations relatives au Codec (Type de Codec, taille de charge utile, détection d'activité voix,etc...) sont controlées par le Cisco CallManager. Dans l'IOS CallManager, la taille de charge utile voix par paquet est configurable sur base très large. Cet attribut est configuré dans l'administration Cisco CallManager (Service> Service Parameters > select-server > Cisco CallManager) avec les trois paramètres de services suivants: • PreferredG711MillisecondPacketSize (Default setting : 20 ms.Available: 10, 20, 30 ms) • PreferredG729MillisecondPacketSize (Default setting : 20 ms.Available: 10, 20, 30, 30, 40, 50, 60 ms) • PreferredeG723MillisecondPacketSize (Default setting : 30 ms.Available: 30, 60 ms)

Dans IOS CallManager, la taille de charge utile est configurée en termes d'échan- tillons en mas. Basée sur le Codec, la table suivante donne la correspondance entre l'échantillon en millisecondes et la taille de la charge utile en octets. Codec Taille de la charge utile Voix (ms) Taille de la charge utile Voix (Octets) Commentaires G.711 20 (Par défaut) 160 Notez que le débit du Codec est maintenu. Codec G.711 =(240 x 8 bits)/ 30 ms = 64 kb/s 30 240 G.729 20 G.723 30 (Par défaut) Dans les IOS Cisco Gateways, une fonctionnalité a été ajoutée dans l'IOS Cisco Release 12.0(5)T. Elle permet de changer la taille de la charge utile pour les paquets VoIP via l'Interface Ligne de Commande. La syntaxe de la nouvelle commande est la suivante : Cisco-Router(config-dial)#codec g729r8 bytes ? Each codec sample produces 10 bytes of payload. Valid sizes are : 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190, 200, 210,220, 230 Any other value within the range will be rounded down to nearest valid size. <10-230> Choose a voice payload size from the list above Impact du changement des tailles de charge utile Le nombre d'échantillons de codec par paquet est un autre facteur déterminant la bande passante et le délai d'une communication VoIP. Le codec définit la taille de l'échantillon mais le nombre total d'échantillons placés dans un paquet affecte le nombre de paquets transmis par seconde. Quand vous augmentez la taille de la charge utile voix vous réduisez la bande passante VoIP et vous augmenter le délai global. L'exemple suivant illustre ce propos: • Communication G.729 avec une charge utile voix de 20 octets (20 ms): - (40 octets d'en-tête IP/UDP/RTP + 20 octets de charge utile voix) * (8 bits par octet) * (50 paquets par sec) = 24 Kbit/s

• Communication G.729 avec une charge utile voix de 40 octets (40 ms): - (40 octets d'en-tête IP/UDP/RTP + 40 octets de charge utile voix) * (8 bits par octet) * (25 paquets par sec) = 16 Kbit/s Note : Les en-tête couche 2 ne sont pas pris en compte Note : Les calculs montrent que lorsque la charge utile est doublée, le nombre de paquets par seconde requis est par conséquent divisé par deux. Note : Comme cela est défini dans le standard G.114 de l'UIT-T, le délai global recommandé pour un seul sens pour des communications voix est de 150 ms. Pour un réseau privé, 200 ms est un délai raisonnable et 250 ms doit être un maximum. Détection d'activité de la voix Avec les réseaux voix à commutation de circuits, toutes les communications voix utilisent une bande passante fixe de 64 Kbit/s sans tenir compte des silences. Avec les réseaux VoIP, les silences et la conversation sont paquétisés. En utilisant la détection d'activité voix (Voice Activity Detection), les paquets de silence seront supprimés. L'expérience a montré que pour un volume de communications supérieur à 24 , la VAD fournit en moyenne un gain de 35 pourcent de bande passante. Les gains ne sont pas obtenus par communication voix ou à un point de mesure spécifique. Pour les besoins de conception de réseau et d'ingénérie de bande passante la VAD ne doit pas être prise en compte et plus particulièrement pour des liaisons qui transportent moins de 24 communications simultanées. Certaines fonctionnalités comme les musiques d'attente ou le Fax rendent la VAD inefficace. Quand le réseau est conçu en tenant compte de la bande passante totale prise par les communications voix, tous les gains de bande passante procurés par la VAD seront disponibles pour les applications de type data. La VAD fournit également la génération d'un bruit de confort (CNG - Comfort Noise Generation). Comme on peut interpréter un silence comme une déconnexion, la génération de bruit de confort génère localement un bruit blanc pour que les interlo- cuteurs n'interprètent pas le silence comme une déconnexion. G729 Annexe-B et G.723.1 Annexe-A intègrent une fonction de détection d'activité voix. Dans Cisco CallManager, la VAD peut être validée (dévalidée par défaut) avec le paramètre de service suivant: • SilenceSuppressionSystemWide : Ce paramètre sélectionne les paramètres de VAD pour tous les terminaux légers ( Cisco IP Phones et "Skinny gateways") • SilenceSuppressionWithGataways : Ce paramètres sélectionne les paramètres VAD pour toutes les passerelles MGCP. Ceci n'a pas d'effet sur les passerelles H323. La VAD sur les passerelles H323 doit être dévalidée sur la passerelle. Vous pouvez trouver ces paramètres de service sous : Cisco CallManager Administration (Service > Service Parameters > select_server > Cisco CallManager)

Compresion En-tête RTP - Compressed RTP (cRTP) Tous les paquets VoIP sont constitués de deux composantes: Les échantillons voix et les en-têtes IP/UDP/RTP. Bien que les échantillons voix soient compressés par le DSP (Digital Signal Processor) et varient en taille selon le codec utilisé, les en-têtes sont constants avec une taille de 40 octets. Quand on compare cette taille au 20 octets par défaut d'un échantillon voix G.729, ces en-têtes constituent un surdébit très important. Avec l'utilisation de cRTP, ces en-têtes peuvent être compressés en deux ou quatre octets. cette compression permet un gain de bande passante VoIP très conséquent. Par exemple, une communication VoIP G729 consomme 24 Kb/s sans cRTP et seulement 12 Kbit/s quand cRTP est utilisé. Comme cRTP compresse les communications VoIP liaison par liaison, les deux extrémités d'une liaison ont besoin d'être configurées pour cRTP. Dans l'IOS Cisco release 12.05T et précédentes, cRTP est un processus commuté ce qui limite grandement l'évolutivité des solutions cRTP à cause de la charge CPU. La majorité de ces problèmes ont été résolus au travers d'améliorations de perfor- mances introduites dans l'IOS Cisco de la Release 12.07T à la Release 12.1.2T. Un sommaire de l'historique est donné ci-dessous: • cRTP est un processus commuté dans l'IOS Cisco Release 12.05T et précédents • Dans l'IOS Cisco Release 12.07T et dans 12.1.1T, le support du "Fast Switching" et "Cisco Express Forwarding-Switching" pour cRTP a été introduit. • Dans l'IOS Cisco Release 12.1.2T, les améliorations de performance de l'algorith- me sont introduites. Le passage de cRTP vers le "Fast Switching" améliore de manière très significative le nombre de sessions cRTP (Communications VoIP) que les passerelles VoIP et les routeurs intermédiaires peuvent traiter. Heuristiques de compression Comme RTP n'a pas d'en-tête paquet qui lui est propre, un flux RTP (pour cRTP) est distingué d'une session UDP (cUDP) par des heuristiques. Les heuristiques utilisés à présent pour détecter les paquets RTP pour la compression sont : • Le port destination est pair • Le numéro de port destination est dans l'intervalle 16384-32767 ou 49512-65535 • Le champ version RTP est positionné à 2 • Le champ extension est positionné à zéro