ANKARA ÜNĐVERSĐTESĐ FEN BĐLĐMLERĐ ENSTĐTÜSÜ YÜKSEK LĐSANS TEZĐ ADAPTĐF VERĐ HIZLARINDA ÇALIŞAN VoIP UYGULAMALARINDA KULLANILMAK ÜZERE TIKANIKLIK BĐLDĐRĐMĐ CEM DENĐZ PELĐT ELEKTRONĐK MÜHENDĐSLĐĞĐ ANABĐLĐM DALI ANKARA 2005 Her hakkı saklıdır.
Yrd. Doç. Dr. H. Gökhan ĐLK danışmanlığında, Cem Deniz PELĐT tarafından hazırlanan bu çalışma 03/06/2005 tarihinde aşağıdaki jüri tarafından. Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı nda yüksek lisans tezi olarak kabul edilmiştir. Başkan : Prof. Dr. Mümtaz YILMAZ Üye : Doç. Dr. Bilal GÜNEŞ Üye : Yard. Doç. Dr. H. Gökhan ĐLK Yukarıdaki sonucu onaylarım Prof. Dr. Ülkü MEHMETOĞLU Enstitü Müdürü
ÖZET Yüksek Lisans Tezi ADAPTĐF VERĐ HIZLARINDA ÇALIŞAN VoIP UYGULAMALARINDA KULLANILMAK ÜZERE TIKANIKLIK BĐLDĐRĐMĐ Cem Deniz PELĐT Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman: Yrd. Doç. Dr. H. Gökhan ĐLK Günümüzde internet kullanımı hayatımızın bir parçası haline gelmiştir. Đnternet kullanımı kapsamında sesin iletimi üzerine yapılmakta olan çalışmalar telefon görüşmelerinde tasarruf, düşük destek maliyeti, esneklik ve daha yüksek seviyelerde ölçeklenebilirlik sağlayacaktır. Ayrıca böyle bir yapı içinde sesin kalitesinin arttırılması daha kolay olacaktır. Bu çalışmada ilk olarak sesin internet üzerinden iletimi sırasında karşılaşılacak tıkanıklığın tespit edilmesi alanındaki mevcut yayınlar taranmış ve değerlendirilmiştir. Daha sonra adaptif hızlarında çalışmakta olan bir ses kodlayıcısına ağda oluşan tıkanıklık durumunu bildirebilecek bir mekanizma incelenmiştir. SNMP (Basit Ağ Yönetim Protokolü Simple Network Management Protocol) ile Ankara Üniversitesi ağında bulunan Ankara Üniversitesi Geliştirme Vakfı Okullarının hat kullanım oranları anlık olarak alınmış ve adaptif veri hızlarında çalışmakta olan bir VoIP uygulamasına tıkanıklık bildirme parametreleri olarak verilmiştir. Araştırma sonuçları önerilen sistemin uygulama sırasında başarılı sonuçlar verebileceğini göstermiştir. 2005, 71 Sayfa ANAHTAR KELĐMELER: VoIP, Tıkanıklık bildirimi, SNMP, QoS i
ABSTRACT Master Thesis CONGESTION NOTIFICATION IN ADAPTIVE BIT RATE VoIP APPLICATIONS Cem Deniz PELĐT Ankara University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Electronics Engineering Supervisor: Asst. Prof. Dr. H. Gökhan ĐLK Internet, which becomes an integral part of our lives, enables a model which provides low support costs, flexibility and more scalability to voice transmission that human kind has been working on for centuries. In addition it is easier to enhance the quality of voice in this model. In this thesis, articles on detection of the problems that is encountered during the transmission of voice over the Internet were investigated initially. Then a mechanism that informs the congestion that occurs in the network to the voice codec, which is working on adaptive speeds, is developed. With SNMP (Simple Network Management System), instant usage ratios of Ankara University Foundation Schools that is present in the Ankara University network are gathered and considered in the VoIP application, which works on adaptive data speeds, as congestion notification parameters. The subjective listening test results revealed that the proposed scheme could be successfully applied in a VoIP environment. 2005, 71 Pages Key Words: VoIP, Congestion Notification, SNMP, QoS ii
TEŞEKKÜR Tez konumun belirlenmesinin ilk gününden bu yana çalışmalarımın her safhasında yakın ilgi ve önerileri ile beni yönlendiren, iş hayatımdaki yoğunluk sebebiyle çalışmalarımda oluşan aksamalarda büyük sabır gösteren, tez danışmanım Sayın Yrd. Doç. Dr. Hakkı Gökhan ĐLK e teşekkürlerimi sunarım. Tez çalışmalarım sırasında iş hayatımdaki aksaklıklara göstermiş olduğu sabırdan dolayı Bilgi Đşlem Daire Başkanımız Sayın Rıza AYHAN a, aksamalar da benden destek ve yardımlarını esirgemeyen mesai arkadaşlarım Çağdaş Funda, Erdem Ağaoğlu, Fatih Erikçi ve Serdar Cihaner e teşekkür ederim. Kod yazımı sırasında fikir ve önerileri ile desteklerini her zaman hissettiğim Aldemir Akpınar ve Adaptif WSOLA kodunu benimle paylaşan Saadettin Güler e teşekkür ederim. Son olarak sevgili eşim Đlke Pelit başta olmak üzere tüm aileme bana sağladıkları moral ve destek için teşekkür ederim. Cem Deniz PELĐT ANKARA, Haziran 2005 iii
ĐÇĐNDEKĐLER ÖZET...Đ ABSTRACT...ĐĐ TEŞEKKÜR...ĐĐĐ SĐMGELER VE KISALTMALAR DĐZĐNĐ...VĐ ŞEKĐLLER DĐZĐNĐ... X ÇĐZELGELER DĐZĐNĐ... XĐĐ 1. GĐRĐŞ... 1 2. KURAMSAL TEMELLER... 2 2.1 VOIP... 2 2.1.1 VoIP nedir?... 2 2.1.2 VoIP nin kullanım alanları... 2 2.1.3 Ses sinyallerinin iletimi... 5 2.1.4 RTP... 8 2.1.5 RTCP... 12 2.1.6 Paket boyutu... 14 2.1.7 QoS mekanizmaları... 15 2.1.8 H.323... 22 2.1.9 SIP... 26 2.2 Tıkanıklık... 29 2.2.1 Tıkanıklık nedir?... 29 2.2.2 Tıkanıklık giderme... 31 2.2.3 Paket anahtarlamalı ağlarda tıkanıklık... 31 2.3 QOS... 33 2.3.1 QoS kavramları... 34 2.3.2 Temel QoS mimarisi... 35 2.3.3 Servis kalitesinin tipleri... 37 2.4 SNMP... 41 2.4.1 SNMP ana komutları... 42 2.4.2 SNMP sürümleri... 42 iv
2.4.3 SNMP uyumluluk yöntemleri... 44 2.4.4 SNMP nin avantaj ve dezavantajları... 45 2.4.5 SNMP standardı... 45 2.4.6 MIB... 47 3. MATERYAL VE YÖNTEM... 52 3.1 Materyal... 52 3.2 Yöntem... 54 3.2.1 SNMP ile hat kullanımının gözlenmesi... 54 3.2.2 SNMP ile hat kullanımı hesabı... 54 3.2.3 SNMP ile kullanılan hat kapasitesini hesaplayan program... 56 3.2.4 Adaptif WSOLA... 56 3.2.5 G.729... 56 3.2.6 Sesin kalitesini değerlendirme... 58 3.2.7 Anlamlılık testi... 59 4. ARAŞTIRMA BULGULARI VE TARTIŞMA... 61 5. SONUÇ... 67 KAYNAKLAR... 68 ÖZGEÇMĐŞ... 71 v
SĐMGELER VE KISALTMALAR DĐZĐNĐ ASCII ASN.1 ATM CC CLNS CNAME CoS CQ CSRC DBCES DDP DES DiffServ DSCP DSL DSP Bilgi Değiş Tokuşu için Amerika Standart Kodu (American Standard Code for Information Interchange) Özet Sözdizimi Gösterimi Bir (Abstract Syntax Notation One) Eşzamansız Aktarım Durumu (Asyncronous Transfer Mode) CSRC Sayısı (CSRC Count) Bağlantısız Ağ Servisi (Connectionless Network Service) Takma Ad (Canonical Name) Servis Sınıfı (Class of Service) Sabit Kalite (Constant Quality) Katılımcı Kaynağı Tanımlayıcısı (Conributing Source Identifier) Dinamik Bantgenişliği Devre Emülasyon Hizmeti (Dynamic Bandwidth Circuit Emulation Service) Datagram Gönderim Protokolü (Datagram Delivery Protocol) Veri Şifreleme Standardı (Data Encryption Standard) Ayrılmış Servisler (DIFFerentiated SERVices) Ayrılmış Servisler Kod Noktası (Differentiated Services Code Point) Sayısal Kullanıcı Hattı (Digital Subscriber Line) Sayısal Sinyal Đşleme (Digital Signal Processing) E.164 Kuzey Amerika Numaralandırma Plan Adreslemesi (North American Numbering Plan Addressing) EGP FIFO FlowSpec FTP HTTP Ağ Geçidi Dışı Protokolü (Exterior Gateway Protocol) Đlk Gelen Đlk Çıkar (First In First Out) Akış Özellikleri (Flow Specification) Dosya Transfer Protokolü (File Transfer Protokol) Hiper Yazı Taşıma Protokolü (Hyper Text Transport Protocol) vi
IETF IP Internet Mühendisliği Görev Kuvvetleri (The Internet Engineering Task Force) Internet Protokolü (Internet Protocol) IPv4 Internet Protokolü sürüm 4 (Internet Protocol version 4) IPv6 Internet Protokolü sürüm 6 (Internet Protocol version 6) IPX ITU Kbps LAN MC MCU Ağlararası Paket Değişimi (Internetwork Packet Exchange) Uluslar arası Đletişim Birliği (International Telecommunication Union) Saniye Başına Kilo bit (Kilo bit per second) Yerel Alan Ağı (Local Area Network) Çoklu nokta Kontrolcüsü (Multipoint Controller) Çoklu nokta Kontrol Birimi (Multipoint Control Unit) MD5 Mesaj Derlemesi 5 (Message Digest 5) MGCP MIB MOS MP NMS OID PC PDU PHB PQ PSTN QoS RFC Çoklu ortam Ağ geçidi Kontrol Protokolü (Multimedia Gateway Control Protocol) Yönetim Bilgisi Tabanı (Management Information Base) Ortalama Fikir Skoru ( Mean Opinion Score) Çok noktalı Đşlemci (Multipoint Processor) Ağ Yönetim Sistemleri (Network Management Systems) Nesne Tanımlayıcı (Object Identifier) Kişisel Bilgisayar (Personel Computer) Protokol Veri Birimi (Protocol Data Unit) Her atlamadaki davranış (Per Hop Behaviour) Öncelik Sıralaması (Priority Queuing) Ortam Anahtarlamalı Telefon Ağı (Public Switched Telephony Network) Servis Kalitesi (Quality of Service) Yorumlar için Đstek (Request For Comments) vii
RSVP RTCP RTP SCMP SHA SIP SMTP SNMP SONET SPSS SSRC Kaynak Rezervasyonu Protokolü (Resource Reservation Protocol) Gerçek Zamanlı Taşıma Kontrol Protokolü (Real-time Transport Control Protocol) Gerçek Zamanlı Taşıma Protokolü (Real-time Transport Protocol) Akış Protokolü Kontrol Mesajı Protokolü (Stream Protocol Control Message Protocol) Güvenli Hash Algoritması (Secure Hash Algorithm) Oturum Başlatma Protokolü (Session Initiation Protocol) Basit Posta Taşıma Protokolü (Simple Mail Transfer Protocol) Basit Ağ Yönetim Protokolü (Simple Network Management Protokol) Eşzamanlı Optik Ağ (Synchronous Optical NETwork) Sosyal Bilimler için Đstatistikî Paketler (Statistical Package for the Social Sciences) Eşzamanlama Kaynak Tanımlayıcı (Synchronisation Source Identifier) ST2 Akış Protokolü Sürüm 2 (Stream Protocol version 2) TCP TCP/IP ToS UDP URL VoIP VBR WAN WFQ WRED Đletim Kontrol Protokolü (Transmission Control Protocol) Đletim Kontrol Protokolü / Internet Protokolü (Transmission Control Protocol/ Internet Protocol) Servis Tipi (Type of Service) Kullanıcı Datagram Protokolü (User Datagram Protocol) Tek biçimli Kaynak Konumlayıcı (Uniform Resource Locator) Internet Protokolü Üzerinden Ses (Voice over Internet Protocol) Değişken Hızlı (Variable Bit Rate) Geniş Alan Ağı (Wide Area Network) Ağırlıklı Adil Sıralama (Weighted Fair Queuing) Ağırlıklı Rasgele Erken Algılama (Weighted Random Early Detection) viii
WSOLA Dalga Şekli Benzerlikli Örtüşmeli Ekleme (Waveform Similarity Overlap Add) ix
ŞEKĐLLER DĐZĐNĐ Şekil 2.1 Bilgisayar yerel ağ bağlantısı... 3 Şekil 2.2 Telefon-bilgisayar-yerel ağ bağlantısı... 3 Şekil 2.3 Telefon-ağ geçidi bağlantısı... 4 Şekil 2.4 RTP başlık bilgisi... 9 Şekil 2.5 RTCP alıcı raporu başlık... 13 Şekil 2.6 RTCP gönderici raporu... 14 Şekil 2.7 Rezervasyon örneği... 19 Şekil 2.8 Örnek H.323 sistemi... 25 Şekil 2.9 H.323 mimarisi... 25 Şekil 2.10 Tıkanıklık kontrol düzeyi... 30 Şekil 2.11 Tıkanıklık kontrol algoritmaları... 33 Şekil 2.12 Basit QoS uygulaması... 35 Şekil 2.13 Sondan sona QoS servisleri... 36 Şekil 2.14 IP başlığı... 38 Şekil 2.15 IP başlığındaki ToS alanı ayrıntısı... 38 Şekil 2.16 DSCP ve ToS alan karşılaştırması... 39 Şekil 2.17 SNMP işleyişi... 41 Şekil 2.18 MIB ağaç yapısı... 48 Şekil 3.1 Ankara Üniversitesi Geliştirme Vakfı Okulları hat kullanımı... 54 Şekil 3.2 G.729 için kodlayıcı devresi... 57 Şekil 3.3 G.729 sentez devresi... 58 Şekil 4.1 Anlık ağ trafiği... 61 Şekil 4.2 Tek yönlü trafik için örnek Adaptif WSOLA uygulaması... 61 Şekil 4.3 Kullanılan ses dalga şekli... 62 x
Şekil 4.4 Sistemden elde edilen ses dalga şekli... 62 Şekil 4.5 Adaptif WSOLA-G.729 kodek sistemi... 63 Şekil 4.6 Adaptif WSOLA-G.729 kodek sisteminin ses dalga şekli... 63 xi
ÇĐZELGELER DĐZĐNĐ Çizelge 2.1 H.323 tavsiyeleri... 23 Çizelge 2.2 Servis tipi alan bilgileri... 38 Çizelge 2.3 IP öncelik değerleri... 39 Çizelge 2.4 Ayrık servis kod noktası değerleri... 40 Çizelge 2.5 SNMP sürümleri karşılaştırması... 44 Çizelge 2.6 Örnek bazı MIB nesne değerleri... 50 Çizelge 4.1 Ortalama MOS puanları... 64 Çizelge 4.2 Orijinal ses ile Adaptif WSOLA uygulanmış seslere ait t testi... 64 Çizelge 4.3 Orijinal ses ile Adaptif WSOLA+G.729 düzeneğinden elde edilen seslere ait t testi... 65 Çizelge 4.4 Adaptif WSOLA uygulanmış ses ile Adaptif WSOLA+G.729 düzeneğinden elde edilen seslere ait t testi... 66 xii
1. GĐRĐŞ Ağ, iletişim kabiliyetlerine sahip bilgisayar, yazıcı, telefon veya santral gibi sistemlerin birbirleri ile belirli bir protokol altında iletişimde bulunabilmesini sağlayan bir sistemdir (Çölkesen 2000). Đnternet dünya üzerindeki en büyük veri ağı olmakla birlikte, insanlar arasındaki iletişimde ses her zaman en önemli konuma sahip olmuştur. Böylesine büyük bir ağı ses iletişiminde kullanmak fikri ise çok yeni sayılabilir. Đnternette oluşan hızlı gelişme ve sesin sayısallaştırılmasında atılan ciddi adımlar sesin Đnternet üzerinden aktarılmasını kolaylaştırmış ve hızlandırmıştır. Günümüzde yaşanan ses-veri bütünleşmesi eğilimi bundan yaklaşık otuz sene önce düşünülmeyen bir konu idi. Veri sadece ses iletimi için tasarımlanmış PSTN (Kamu Anahtarlamalı Telefon Ağı - Public Switched Telephony Network) üzerindeki 300bps hızında çalışan modemlerle iletiliyordu. Zaman içinde, PSTN nin veri için verimli olmadığı anlaşılmış ve değişik teknolojiler geliştirilmiştir. Đnternet üzerinde oluşabilecek tıkanıklık gibi en temel sorunlar, gerçek zamanlı olan ses haberleşmelerinde kabul edilemez boyutlara ulaşabilir. Bu konu üzerinde günümüzde çok ciddi araştırmalar yapılmaktadır. Düşük hat kapasitesine sahip kurum ya da kuruluşlarda, VoIP (IP üzerinden Ses Đletimi-Voice over Internet Protocol) sayesinde ekonomik anlamda çok ciddi katkılar sağlanabilmektedir. Bu tezde adaptif bir ses kodlayıcısına ağ üzerinde oluşabilecek tıkanıklık durumlarını bildirmesi için SNMP (Basit Ağ Yönetim Protokolü Simple Network Management Protokol) ile çalışan bir kod geliştirilmiştir. Geliştirilen bu kod sayesinde anlık olarak yönlendirici ara yüzlerindeki hat kullanım bilgileri alınmış ve değerlendirmesi yapıldıktan sonra adaptif ses kodlayıcısını uyarlamak için bir parametre olarak gönderilmiştir. 1
2. KURAMSAL TEMELLER 2.1 VoIP 2.1.1 VoIP nedir? VoIP (Internet Protokolü Üzerinden Ses Voice over Internet Protocol) konuşma sinyallerinin IP ağı üzerinden, gönderenden hedefe, kabul edilebilir bir kalitede taşınması olarak tanımlanabilir (Black 2000). IP (Internet Protokolü-Internet Protocol) ağı, bilgiyi iletmek için IP protokolünü kullanan bilgisayar ağıdır. 'Kabul edilebilir ifadesinin tanımı üzerinde çalışılan duruma bağlıdır. Konuşma sinyalleri, iki kişi arasında gerçek zamanlı iletişimin bir parçası şeklinde taşınıyorsa, gerçek zamanlı iletişimin uzun sessizlik boşluklarından kaçınma durumu göz önünde bulundurulmalıdır. Uzun sessizlik boşluklarından kaçınmak için, gönderme ve alma arasındaki toplam gecikme süresi kısa olmalıdır. Bir diğer durum ise konuşma sinyallerinin tek yönlü bir işlemin parçaları şeklinde taşınması olabilir. Bu duruma örnek olarak canlı radyo yayını verilebilir ve interaktif bir durum söz konusu olmadığı için gecikme sınırlamaları daha esnek düşünülebilir. VoIP sistemlerinde kişilerin iletişim kurabildiği ve bir uçtan diğer uca iletim sırasındaki toplam gecikmenin olabildiğince az olduğu sanal bir yapı bulunmalıdır. 2.1.2 VoIP nin kullanım alanları VoIP literatürü incelendiğinde, çalışmaların büyük bir kısmının VoIP i telefona alternatif olarak inceledikleri görülmektedir. Yeni yapılan bazı çalışmalar da VoIP in sanal ortamdaki kullanımı üzerinde de durulmaktadır. 2.1.2.1 Telefona alternatif VoIP in en yaygın kullanım şekli telefona alternatiftir. Bu kullanım birçok şekilde olabilir. Öncelikle, Ağa bağlı bir PC (Kişisel Bilgisayar Personel Computer), o ağa bağlı başka bir PC kullanıcısını aramak için kullanılabilir. VoIP in kullanımı için ağa bağlı olmanın 2
dışında, PC ye ait hoparlörler, bir mikrofon ve aramayı yapabilmek için bir yazılımın sağlanması gerekir. PC Şekil 2.1 de gösterildiği gibi bir bilgisayar ağına doğrudan bağlı olabileceği gibi bir modem vasıtası ile de bağlı olabilir. Şekil 2.1 Bilgisayar yerel ağ bağlantısı Đkinci durum birinci durumun değişime uğramış halidir. Bu durumda, telefon bir PC ye bağlıdır ve normal bir aramada kullanılan biçime benzer bir şekilde kullanılır. PC aramayı hazırlamak ve konuşma sinyallerini iletmek için gerekli tüm işlemleri yapar. Bu aynı zamanda aramanın yapılmadan önce PC nin açık olması gerektiği anlamına da gelir. Bu şekildeki düzenleme, bilgisayarlarla sık sık çalışmayan kişiler için daha kolay olabilir. Bir önceki durumdaki gibi, ağa bağlantı Şekil 2.2 deki gibi doğrudan ya da bir modem ile olabilir. Şekil 2.2 Telefon-bilgisayar-yerel ağ bağlantısı Son olarak, VoIP ağ geçidi kullanılarak, hem bir PC nin kullanımı hem de bir ağın gerekliliği ihmal edilebilir. VoIP ağ geçidi, telefon ağı ile bilgisayar ağını birbirine bağlayan ve aramanın yapılabilmesi için gerekli olan işlemleri ve konuşmaları yapan özel bir cihazdır. Karşı tarafı aramak için önce ağ geçidi aranır ve aramanın hedefi belirlenir. Sonra arama hazırlanacak ve eğer diğer uç uygun durumdaysa konuşma 3
başlayabilecektir. Bu düzenleme bir PC si olmayan kişiler için en uygun yöntemdir. Muhtemelen telefon kullanımına alışkın birçok kişi için ve etrafta bir PC nin bulunması gerekmediği için kullanımı en kolay olan yöntem Şekil 2.3 te gösterilmiştir. Şekil 2.3 Telefon-ağ geçidi bağlantısı Bu düzenlemelerin muhtemelen birçok varyasyonu yapılabilir ama bu üç ana durum telefona alternatif VoIP sistemlerin genel kullanım şekilleri olarak tanımlanabilir. Ayrıca bu yöntemler karma şekilde kullanılabilir. Örneğin bir kişi, başka birine ulaşmak için VoIP ağ geçidini kullanırken, ulaşmaya çalıştığı kişi, telefondan PC ye olan düzenlemeyi kullanabilir. Telefon kullanımının kendisi gayet kullanışlıyken, VoIP nin bir alternatif olarak neden kullanılacağı sorusu akıllara gelebilir. Bu konuda VoIP lehine söylenebilecek birçok kanıt bulunmaktadır. Bir kurum ya da kuruluşta internet erişimi için bir bilgisayar ağına ihtiyaç olabilir. Bu durumda ek bir telefon şebekesi kurulumu yerine, VoIP kullanımının kurum ya da kuruluşa getireceği bir takım faydaları vardır. Tek gereklilik olan IP protokolünün kullanılmasıdır. Günümüzde IP kullanılmakta olan en yaygın protokol olduğundan, bu gereklilik kendiliğinden sağlanmaktadır. Bilgisayarlar ve telefonlar için iki farklı ağ kurmak yerine, ihtiyaçları ortak karşılayabilecek tek ağda daha az kablolamaya ve donanıma ihtiyaç duyulacaktır. Tüm iç aramalar VoIP araçları kullanılarak gerçekleştirilebilir. Đçeriden dışarıya doğru ve dışarıdan içeriye doğru olan aramalar için ise telefon ağına bir bağlantının yapılması hala gerekmektedir. Bu durum hem telefon hem de bilgisayar ağına bağlı bir ağ geçidi kurularak çözülebilir. Bu sayede ağ geçidi, gerekli konuşmaları ve de işaretleşmeleri yaparak bu tip aramaları mümkün kılacaktır. 4
VoIP kullanımı sayesinde bilgisayar ağının kapasitesi daha verimli kullanılacaktır. Bir organizasyon içindeki ağın kullanılabilir kapasitesi genellikle büyüktür ve nadiren tamamı kullanılır. VoIP kullanılarak, ağın kapasitesinin daha fazlası kullanılmış olacaktır. Ev kullanıcısı için VoIP lehine başka bir avantaj daha bulunmaktadır. Eğer VoIP uzak mesafelerde kullanılabilirse, aynı tip görüşmeyi telefon ağı üzerinden yapmaktan daha ucuza mal olacaktır. VoIP ile normal telefon özelliklerinin mümkün olması dışında, özellikle bir PC kullanırken, birçok yeni özellik de eklenebilir. Arayan ve aranan numaraların kayıtları için bir defter tutulabilir. Konuşmalar kolaylıkla kaydedilebilir ve iletişim güvenliğini artırmak için şifreleme algoritmaları da kullanılabilir. VoIP i yerel ağ (LAN) üzerinden kullanırken genellikle büyük miktarda kullanılabilir hat kapasitesi vardır ve gönderme alma arasındaki gecikme çok düşüktür. Yerel ağda VoIP sorunsuzca kullanılabilir. Ama geniş alan ağı (WAN) kullanıldığında -örneğin Internet- tıkanıklık ve gecikme sorunları oluşabilir. LAN üzerindeki gecikme genellikle çok düşük olsa da WAN da olan gecikme çok artarsa konuşma bir şekilde gerçekleşemeyecek veya anlaşılamaz hale gelecektir. Diğer bir sorun ise konuşma sinyalinin kalitesidir. Belli hatlarda yoğun kullanım olduğunda paketler kaybolabilir. Bu kayıp paketler konuşma sinyalinde kesilmelere sebep olur. Bu kesilmeler de, yeterince büyük oldukları zaman, konuşmayı bozabilirler. Hattın yoğun kullanımına VoIP uygulaması da neden olabilir. Bu yoğunluğu azaltmak için, birçok VoIP uygulaması sıkıştırma teknikleri kullanırlar. Ancak sıkıştırma, çoğu zaman sinyalin bozulmasına neden olur. Bu durum dinleyici de rahatsızlığa neden olabilir ama sıkıştırma oranının az olması durumunda telefon kalitesine ulaşılabilinir. 2.1.3 Ses sinyallerinin iletimi IP, QoS (Servis Kalitesi Quality of Service) garantisi olmayan sadece en iyi çaba (best-effort) bir hizmet ortaya koyar. Telefon kalitesinde ses iletişimi için gecikmenin ve paket kayıplarının az olması gerekir. Gecikme ve paket kayıplarının çok olması iletişimin kalitesini olumsuz etkileyeceğinden garantilere ihtiyaç vardır. 5
Ses sinyallerinin iletimi için genel ihtiyaçlar, kullanılacak protokoller ve gecikmenin etkileri tespit edilmelidir. 2.1.3.1 Đhtiyaçlar Ses verisi içeren paketleri iletirken, konuşma sinyali içindeki senkronizasyonu koruyan bir mekanizma olmalıdır. Birbirini takip eden paketler doğru zamanda doğru sırayla karşı tarafa iletilmelidir. Bu şekildeki senkronizasyona ortam içi (intra-media) senkronizasyon denir. Gerçek zamanlı ses iletişiminde toplam gecikme mümkün olduğunca az tutulmalıdır. Bir IP ağı sadece en iyi çaba hizmet verdiği için gecikmenin ihtiyaçları sağlayacağının hiçbir garantisi yoktur. Benzer bir şekilde, kayıp paket miktarı, örneğin tıkanıklık zamanlarında, yüksek olabilir. Telefon kalitesinde konuşma yapabilmek için, gecikme ve paket kayıpları hakkında garantiler içeren bir QoS mekanizması olması gerekebilir. Gönderilmesi gereken konuşma verisi, tipik olarak düzenli küçük zaman aralıklarında yaratılır. Veriyi alan uç bu veri akışını düzgün biçimde alamayabilir. Gönderici bir şekilde alıcının, gelen akışı tutup tutamayacağını bilmelidir. Alıcının veri akışını alıp alamayacağını belirleyen yöntemlere akış kontrolü yöntemi (flow control method) denir. Aynı zamanda, verinin düzenli bir şekilde gönderildiği gerçeğinden hareketle, bağlantının aşırı yüklenmesi ve tıkanıklık oluşması muhtemeldir. Tıkanıklık, ses iletişiminde istenmeyen niteliklerden olan, paket kaybı ve gecikmede artışa sebep olur. Đletim bileşeni, artan bir tıkanıklığı algılayabilmeli ve tıkanıklık durumunu ortadan kaldırmaya yönelik işlemleri yapmalıdır. Tıkanıklığı engelleyen ve kontrol eden mekanizmalara tıkanıklık kontrolü (congestion control) adı verilir. Akış ve tıkanıklık kontrolü için yapılması gereken, gönderilen veri miktarını azaltmaktır. Tipik olarak bu işlemi sıkıştırma modülü tarafından gerçekleştirilebilir, veri oranının azaltılması gerektiği zaman, sıkıştırma modülü sıkıştırma miktarını artırması için uyarılır. Bu genellikle konuşma kalitesinin azalmasıyla sonuçlanır. Böyle bir kalite azalması, kayıp paketler ve uzun gecikmelere göre tercih edilebilir (Black 2000). 6
2.1.3.2 Đletim protokolleri Bir uygulamanın veri iletebilmesi için protokolleri kullanması gereklidir. TCP/IP mimarisinde, bir uygulamanın kullanabileceği protokoller TCP (Đletim Kontrol Protokolü-Transmission Control Protocol) veya UDP (Kullanıcı Datagram Protokolü- User Datagram Protocol) dir. Telefon benzeri bir hizmet veren VoIP uygulamaları için TCP, konuşma verisinin gönderilmesinde iyi bir aday gibi görünebilir. TCP, bağlantının güvenilir veri akışı içinde olacağı bir hizmet vermektedir. TCP kullanımında ilk önce bağlantı hazırlanır, veri alış verişi yapılır ve son olarak bağlantı sonlandırılır. TCP kullanımında senkronizasyonla ilgili herhangi bir problem bulunmamaktadır. Tüm veri tam olarak gönderildiği sırada alınabilir. Ayrıca TCP kullanımında verinin doğru bir şekilde iletildiği garantilidir. Protokolün kendi özelliklerinde, ağı aşırı yüklenmeden koruyacak, akış ve tıkanıklık kontrol mekanizmaları da vardır. TCP nin kullanımında karşılaşılabilinecek birkaç dezavantaj vardır. Temel problemlerden bir tanesi, amacı güvenilir veri akışı sağlamak olan protokol, kaybolan ya da bozulmuş paketlerin, tekrar iletilmesi esasına dayanmaktadır. Bu özellik veri akışı sırasının korunduğu güvenilir bir hizmet sunarken, tekrar iletilen paketler için bekleme süresi, iletişime fazladan gecikme eklemektedir. VoIP uygulamalarında gecikmenin artması yerine ara sıra olan kayıp ya da bozuk paketler tercih edilen bir durum olabilir. TCP paketlerin sırasını koruduğu için, bir kayıp ya da bozuk paket olması durumunda uygulamanın, o paketten sonra gelenleri almasını engelleme durumu olabilir. VoIP uygulamasında konuşma verisi belirli zaman aralıklarında sürekli gönderilmelidir. Eğer bir paket yeterli bir zaman miktarı boyunca alıcıya ulaşmaz ise, diğer paketler alınmış olsalar bile diğer paketlerin çalınmasını engelleyecektir. TCP e ait akış ve tıkanıklık kontrol özellikleri çok kullanışlı görünebilir, ama VoIP uygulaması için bu kontrol yöntemleri kısıtlayıcı bir etken olacaktır. TCP, verinin gönderildiği oranı uygulamanın isteği dışında kolaylıkla azaltabilir ve bu durum yine toplam gecikmeyi arttırır. 7
Buradaki anahtar nokta, TCP nin VoIP için kullanışlı olmayan birçok özelliğe ve karmaşıklığa sahip olmasıdır. TCP, konuşma verisinin aynı anda birden çok kişiye gönderilmesi gerektiği zamanlarda verinin etkili bir şekilde dağıtımını desteklemez. Veri TCP kullanılarak birçok hedefe gönderilmek istenirse, ayrı ayrı TCP bağlantıları kurulmak zorundadır. Bu durum bağlantı yapılan noktalar arasında hat kapasitesinin yetmemesine neden olabilir. Hat kapasitesinin yetmeme durumu tıkanıklık göstergesidir. Verinin etkili bir şekilde dağıtımı için IP çoğa-gönderim (IP multicasting) kullanılabilinir. Bu nedenler TCP kullanımından vazgeçilmesi için yeterli sebeplerdir. UDP kullanılabilecek bir diğer TCP/IP protokolüdür. Bu protokol nerdeyse hiçbir karmaşıklık içermez. UDP, basit olarak IP ye sadece en iyi çaba hizmeti ekleyen bir protokoldür. UDP kullanımında, kayıp paketlerin tekrar gönderilmesi gerekmemektedir. Bu bir avantaj olarak görülebilir. Aynı zamanda, sadece basit bir IP eklentisi olduğu için IP çoğa-gönderim (IP multicasting) özelliklerini de kullanabilir. Veri birden çok hedefe yollanmak istediği zaman hat kapasitesinde tasarruf sağlayabilir. Tüm bunlar her ne kadar iyi gibi görünse de bazı dezavantajlar da vardır. UDP, senkronizasyon için nerdeyse hiçbir mekanizma içermez ve akış ya da tıkanıklık kontrolü yapması için hiç bir mekanizması yoktur. UDP de, akış ya da tıkanıklık kontrolü olmamasını ortadan kaldırmak için konuşma verisine fazladan veri ekleyebiliriz. Bu eklentiler yapılmış protokol, kontrol ve konuşma bilgisinin dağıtılması için kullanılabilinir. Bu gerçekte Gerçek-zamanlı Taşıma Protokolünün (Real-time Transport Protocol-RTP) TCP/IP mimarisindeki çalışma şeklidir. 2.1.4 RTP RTP (Gerçek-zamanlı Taşıma Protokolü -Real-time Transport Protocol), interaktif ses ya da görüntü gibi gerçek zamanlı karakteristikleri olan veriler için uçtan uca iletim hizmetleri sağlayan bir protokoldür (Schulzrinne vd. 1996). Bu durumda VoIP uygulamaları için kullanılabilecek protokol RTP olabilir. 8
RTP özellikleri gerçekte iki ayrı protokolü tanımlar. Đlki RTP dir. Đkincisi RTCP (Gerçek Zamanlı Taşıma Kontrol Protokolü - Real-time Transport Control Protocol) dir. RTP nin fonksiyonu gerçek zamanlı veriyi taşımaktır. RTCP oturum içindeki katılımcılar hakkında bilgi sağlar. Protokoller sadece TCP/IP değil çok sayıda ağ mimarisinde kullanılabilecek şekilde tanımlanmışlardır. RTP, TCP/IP de kullanıldığında tipik olarak UDP üstünde çalışan bir protokoldür. Bu protokoller, zamanında teslimden emin olacak mekanizmalara sahip değildirler. Herhangi bir QoS garantisi de vermezler. Bunlar başka bazı mekanizmalar tarafından sağlanmak durumundadırlar. Aynı zamanda, sırası bozuk şekilde veri akışının olması hala olasıdır. RTP de akış ve tıkanıklık kontrolü direkt olarak desteklenmemektedir. Ama gelen verinin sırasının, doğru olduğundan emin olmak için gerekli veriyi uygulamalara protokoller teslim ederler. Aynı zamanda, RTCP alma kalitesi hakkında, uygulamanın yerel düzenlemeler yapabileceği bilgiyi sağlar. Örneğin tıkanıklık oluşuyorsa, uygulama veri oranını azaltmaya karar verebilir. 2.1.4.1 RTP başlığı Bir RTP paketi, bir RTP başlığı (header) ve onu takiben gönderilecek veriden ibarettir. RTP teknik bilgisinde bu veri faydalı yük (payload) olarak isimlendirilir. Başlık, aynı IP başlığında olduğu gibi ağ bayt sırasında (network byte order) iletilir. Şekil 2.4 RTP başlığının biçimini göstermektedir (Schulzrinne vd. 1996). Şekil 2.4 RTP başlık bilgisi 9
Şekilde gösterilen alanlar ve açıklamalar şöyledir: V: Sürüm Bilgisi (Version Information), RTP nin değişik sürümleri arasında ayrım yapabilmek için kullanılır. (2 bit) protokolün şuanda 2 sürümü bulunmaktadır. P: Doldurma (Padding), eğer değeri 1 olarak atanmışsa; paketin sonunda bir ya da daha fazla, yükün parçası olmayan dolgu baytları mevcut demektir. Dolgu bitleri sabit boyutlu başlıklarda bazı şifreleme algoritmaları için kullanılabilmektedir. (1 bit) X: Uzantı (Extension), eğer değeri 1 olarak atanmışsa; başlığın sonunda kesinlikle bir adet başlık uzantısı mevcut demektir. (1 bit) CC: CSRC (Katılımcı Kaynağı Tanımlayıcısı - Conributing Source Identifier Count) sayısı, sabit başlığı takip eden CSRC tanımlayıcı sayısını gösterir. (4 bit) M: Đşaretleyici (Marker), yük profili tarafından tanımlanır. Çerçeve sınırlarının işaretlenmesi benzeri önemli işlevler için kullanılır. (1 bit) PT: RTP yükünün yapısını tanımlar ve uygulama tarafından anlamlandırılacağını belirtir. (7 bit) Sıra Numarası: Gönderilen her RTP veri paketiyle birlikte, değeri bir artırılır. Alıcı tarafından paket kayıpları tespiti ve paket sıralamasının yeniden oluşturulması için kullanılabilir. (16 bit) Zaman etiketi (timestamp): RTP veri paketindeki ilk bayta ait örnekleme zaman kesitini içeren, ortama özgü bir zaman etiketidir. Örnekleme kesiti, eş zamanlılığa imkan tanımak ve gecikme değişkenliği hesaplarını yapabilmek için, zamanda doğrusal ve tekdüze artan bir saatten türetilmiş olmalıdır. (32 bit) SSRC : (Eş Zamanlama Kaynağı Tanımlayıcısı - Synchronisation Source Identifier), eş zamanlayıcı kaynağı tanımlar. Tanımlayıcı, bir oturum içinde iki ayrı kaynağın aynı tanımlayıcıya sahip olmaması için, rasgele seçilir. Kaynak tanımlamanın amacı, tek bir zamanlama ve sıra numaralama uzayına sahip olmaktır. Yerel ağ adresini (örn: IP adresi) kullanmak yeterli değildir, çünkü bu adres tek olmayabilir. RTP ayrıca taşıma katmanından bağımsız olmak üzere tasarlanmıştır. RTP çeviricileri, değişik adres 10