Bei Neuinstallationen sind Kommunikationssysteme auf der Basis von VoIP State of the Art. Schließlich bieten sie gegenüber den konventionellen digitalen Nebenstellenanlagen (PBX) zahlreiche Vorteile. Einige Faktoren können sich jedoch auf die Qualität auswirken.

Im Prinzip ist ein VoIP-Telefon ein digitales Telefon mit einer Ethernet-Schnittstelle, die Audio- und Steuerdaten für die Übertragung über das Ethernet-Netzwerk in Pakete packt. Während VoIP sich problemlos in nahezu jedes lokale Netzwerk einbinden lässt, ist es dennoch möglich, dass Leistungsstörungen auftreten, die die Erlebnisqualität beeinträchtigen.

Das menschliche Ohr reagiert empfindlich auf Verzögerungen und Unterbrechungen im Redefluss. Der Mensch bemerkt dabei zeitliche Schwankungen von mehr als 200 bis 250 ms und empfindet diese als störend. Obgleich wir ein gewisses Knistern auf der Leitung tolerieren, führen größere Übertragungsmängel dazu, dass man Teile des Gesprächs nicht versteht. Dies sind aber nur zwei Beispiele für die Qualitätsparameter, die sich im Rahmen eines Tests der Dienstgüte (QoS, Quality of Service) einer VoIP-Verbindung ermitteln lassen.

Das Ethernet unterstützt eine Vielzahl von Paketgrößen für verschiedene Applikationen. Die Größe eines Pakets kann man sich wie ein Fahrzeug vorstellen, das mehrere Passagiere befördert. Ein kleines Paket entspricht einem PKW für fünf Passagiere, während ein großes Paket mit einem Bus vergleichbar ist, der Dutzende Personen befördert. Jedes Paket beziehungsweise Fahrzeug besitzt unabhängig von seiner Größe einen nicht nutzbaren Raum mit definiertem Inhalt (Overhead), der die Menge seiner Nutzdaten beziehungsweise Passagiere (Payload) verkleinert. Auf ein Fahrzeug bezogen sind dieser Overhead der Motorraum und der Kofferraum. Dadurch ist ein Bus weitaus effizienter bei der Beförderung von Passagieren als ein PKW, wenn man den Platz betrachtet, den das Fahrzeug auf der Straße einnimmt.

Vier kleine Pakete nehmen den gleichen Platz ein wie ein großes Paket. Die wiederholte Angabe der Quell- und Zieladresse im Kopfteil (Header) und die Lücken zwischen den Paketen verringern die Gesamteffizienz. Bei der Übertragung von VoIP-Paketen steigt die Paketrate an, während sich die Datenrate verringert. Bild: Ideal Networks

Auf das Ethernet bezogen bedeutet dieser Vergleich, dass jedes Datenpaket an seinem Anfang und Ende Overhead-Daten in Form der Quell- und Zieladresse besitzt, während die Nutzdaten (Payload) in der Mitte angeordnet sind. Eine maximale Effizienz wird erreicht, wenn man möglichst große Pakete verwendet. Schließlich verringert ein solches logischerweise die Anzahl der Pakete, die es zu übertragen gilt, um eine bestimmte Menge von Nutzdaten zu senden. Weniger Pakete im Netzwerk reduzieren zudem die Auslastung der Switches und Router.

Die Standardgröße für Ethernet-Datenpakete beträgt 1.518 Byte. Damit werden alle Datentypen von E-Mail bis zu Audio- und Video-Streams übertragen. Die meisten Ethernet-Protokolle merken, wenn ein Netzwerkfehler auftritt, der zu einem Paketverlust führt. In diesem Fall übertragen sie das verloren gegangene Paket erneut und stellen sicher, dass die gesamte Nachricht beim Empfänger eintrifft. Beim Senden großer Datenmengen haben einige wenige außerhalb der Reihe eintreffende Pakete keine negativen Auswirkungen auf die Nachricht. Das Empfangsgerät erfasst die verspätet eingetroffenen Pakete und stellt die Gesamtnachricht in der richtigen Reihenfolge wieder zusammen. Das ist eine probate Lösung, wenn die über das Netzwerk übertragenen Informationen nicht zeitkritisch sind.

Sprachübertragung durch VoIP

Da das menschliche Ohr sehr empfindlich auf Verzögerungen im Telefongespräch reagiert, können VoIP-Protokolle keine Ethernet-Standardpakete von 1.518 Byte nutzen. Stattdessen verwenden diese Protokolle für gewöhnlich Rahmen (Frames) mit einer Länge von 64 Byte, um die Sprachqualität zu Lasten der Effizienz des Netzwerks zu optimieren. Da das Gespräch in viele kleine Pakete aufgeteilt wird, ergeben die resultierenden Daten im Netzwerk einen schnell fließenden Strom kurzer Übertragungseinheiten, die jeweils nur einen Bruchteil einer Sprechsilbe enthalten. Sollte eines dieser Pakete verloren gehen, hört der Gesprächspartner vielleicht nur ein kleines Knistern auf der Leitung. Würde das gleiche Gespräch dagegen in große Pakete aufgeteilt, könnte ein verlorenes Paket bereits bedeuten, dass ein ganzes Wort fehlt. Für Telefongespräche wäre das unakzeptabel.

Ein Beispiel aus der Realität wäre eine Fußballmannschaft, die mit dem Bus reist. Hat der Bus eine Panne, kommt die ganze Mannschaft zu spät. Werden die Spieler in mehreren kleineren Fahrzeugen transportiert, von denen nur eines eine Panne hat, kommen vielleicht nur vier oder fünf zu spät. Die anderen treffen pünktlich ein. Genau diese Logik steckt hinter einem VoIP-System: Es ist einfach sinnvoller, den Großteil des Gesprächs zu übertragen und dafür ein weniger effizientes Netzwerk in Kauf zu nehmen, als eine effiziente Übertragung zu gewährleisten, bei der der Gesprächspartner möglicherweise das Gesagte nicht versteht.

Neben den Übertragungstechniken in VoIP-Netzen sind die Hauptparameter zur Messung der Netzwerkleistung für eine optimale VoIP-Qualität von Bedeutung. In diesem Zusammenhang spielen der Paketverlust, die Laufzeit und der Jitter eine wichtige Rolle.

Der Paketverlust bezeichnet den Prozentsatz der Gesamtpakete, die das Netzwerk verworfen hat. Switches und Router im Netzwerk verwerfen Pakete, wenn der Eingangspuffer durch eine Überlastung auf der Ausgangsseite voll ist, sodass sie die Pakete nicht zum nächsten Abschnitt (Hop) weiterleiten können. Welcher Paketverlust sich noch kompensiert lässt, hängt von vielen Faktoren ab, obwohl ein Wert von bis zu drei Prozent als gut angesehen wird. Um diesen Wert festzustellen, empfiehlt sich ein Transmission-Tester. Dieses Messgerät überträgt einen Strom von Paketen zwischen zwei Messpunkten und ermittelt die Verlustrate. Bei VoIP-Messungen muss man eine VoIP-Voreinstellung nutzen oder die Paketgröße manuell auf 64 Byte festlegen, um die VoIP-Netzwerkleistung korrekt nachzuweisen.

Messung der Datenrate, Latenz und Jitter mit einem Unipro Mgig1 von Ideal Networks. Die gelbe Linie des linken Diagramms in der Abbildung verdeutlicht, dass die maximale Datenrate sinkt, wenn die Pakete kleiner werden. Sowohl der Latenz- als auch Jitter-Test zeigen bei über 200 ms (200.000 µs) und 30 ms (30.000 µs) gelegentlich Spitzenwerte (gelb), obgleich der Durchschnitt (rot) deutlich im tolerierbaren Bereich liegt. Bild: Ideal Networks

Die Laufzeit definiert die Zeitdauer, die ein Paket benötigt, um das Netzwerk zu durchlaufen. Je mehr Switches und Router sich zwischen den Gesprächsteilnehmern befinden, desto länger wird die Laufzeit. Eine VoIP-Laufzeit von bis zu 200 ms gilt als akzeptabel. Ein einfacher Ping-Test erlaubt, die kleinste, mittlere und größte Laufzeit zu ermitteln. Doch ist es wichtig, die Ping-Standardeinstellung für die Paketgröße, die Zählung und den Abstand (Intervall) zwischen den Tests an die VoIP-Anforderungen anzupassen. Optimale Werte sind eine Paketgröße von 64 Byte, eine Anzahl von 1.000 Paketen und ein Intervall von 10 ms. Dann erhält man einen Test mit einer Dauer von zehn Sekunden und 100 Paketen pro Sekunde.

Jitter bezeichnet die Laufzeitschwankung zwischen den Paketen. Je weniger Jitter, desto gleichmäßiger wird der Paketstrom übertragen und desto verständlicher ist der Redefluss. Die meisten VoIP-Telefone sind mit einem Jitter-Puffer ausgestattet, um eine gewisse Laufzeitschwankung auszugleichen. Weniger Jitter bedeutet immer eine bessere Klangqualität. Ein Jitter von bis zu 30 ms zwischen den Paketen ist optimal. Ab einem Wert von über 35 ms lässt die Sprachqualität jedoch deutlich nach. Jitter lässt sich mit speziell ausgestatteten Netzwerktestern messen. Computer und Mobilgeräte speisen häufig zu viele Fehler ein und können Jitter daher nicht exakt ermitteln.

Fazit

Diese drei genannten Parameter spielen eine wichtige Rolle bei der Bewertung der technischen Qualität eines VoIP-Gesprächs. Sie alle werden von verschiedenen Netzwerkbedingungen beeinflusst. Es ist wichtig, dass ein Netzwerktechniker, der für die Fehlersuche in VoIP-Systemen verantwortlich ist, die richtige Prüf- und Messtechnik zur Verfügung hat, um diese Bedingungen einschätzen und die Ursachen für eine mangelhafte VoIP-Qualität identifizieren zu können.

Dan Payerle Barrera ist Global Product Manager bei Ideal Networks, www.idealnetworks.net.