Grundlagen: Jitter - der unvermeidliche Netzwerkfehler

Emulation des Jitter-Puffers

In den vorherigen Abschnitten dieses Papiers haben wurde dargestellt, welche Jitter es gibt und wie diese berechnet werden. Da ein Jitter unumgänglich ist, da es zu den negativen Eigenschaften des IP-Netzwerkes gehören, müssen Lösungen zur Milderung gefunden werden. Durch den Einsatz eines so genannten Jitterpuffers werden Daten gepuffert um einen den Jitter auszugleichen. Bei diesem Lösungsansatz wird direkt bestimmt, wie viele Pakete als Folge des Jitters verworfen werden. Dies hat den Vorteil, dass man direkt die zeitliche Verteilung der Datenverluste beobachten kann. Dabei wird vermieden, die jeweilige Jitter-Metrik mit der Datenverlustrate zu korrelieren.

Ein Jitter-Puffer hat die Aufgabe die im dekodierten Sprach/Videostrom Auswirkungen des Jitters zu beseitigen. Dabei wird jedes empfangene Paket kurzzeitig zwischengepuffert, bevor es an den Empfänger (Applikation) weitergeleitet wird. Im Jitter-Puffer werden die zu spät empfangenen Pakete direkt verworfen. Durch die Kontrollfunktion treten im Jitter-Puffer zusätzliche Verzögerung auf. Jitter-Puffer haben entweder eine feste Größe oder die Größe des Puffers wird dynamisch festgelegt. Letztere Varianten werden auch als adaptive Jitter-Puffer bezeichnet. Diese haben die Fähigkeit ihre Größe dynamisch zu optimieren, um sich optimal an die jeweiligen Verzögerungen/ Datenverluste anzupassen.

Adaptive Jitter-Puffer sind in der Lage, sich automatisch an Verzögerungsänderungen anzupassen. Erfolgt beispielsweise eine schrittweise Veränderung der Verzögerung um 20 Millisekunden, hat dies kurzfristig einige Paketverluste zur Folge. Über diesen Zeitraum justiert sich der Jitter-Puffer jedoch neu und vermeidet somit weitere Datenverluste. Der Jitter-Puffer kann somit wie ein Zeitfenster angesehen werden. Auf der einen Seite des Fensters (der frühen Seite) werden die aktuellen Daten erfasst und auf die andere Seite des Fensters (der späten Seite) repräsentiert die maximal zulässige Verzögerung (nach der ein Paket zu verwerfen ist).

Die Abbildung 5 zeigt ein Beispiel für die Beziehung zwischen verworfenen Paketen und unterschiedlichen Jitter-Metriken. Man erkennt, dass der Anstieg des RTCP-Jitter einen ungefähren Hinweis auf den voraussichtlichen Verwurf einzelner verzögerter Pakete gibt.

Adaptive Jitter-Puffer reagieren der Regel entweder auf Ereignisse oder die Erhöhung des gemessenen Jitters. Wird ein zu spät empfangenes Paket festgestellt (und dies daher verworfen) wird automatisch der Jitter-Puffer vergrößert. Wird kein zu spät empfangenes Paket festgestellt, wird der Jitter-Puffer reduziert.

Treten in einem LAN häufiger Staus auf oder ändern sich die Routen häufig, dann liegen die Jitter-Ereignisse weit auseinander. Die durch adaptive Jitter-Puffer hervorgerufene Vergrößerung des Jitter-Puffers kann sich kontraproduktiv auf die Kommunikation auswirken. Die Verzögerungen werden durch das erste Ereignis adaptiv vergrößert. Aber es dauert zu lange bis das nächste Ereignis eintritt und der Jitter-Puffer automatisch wieder verringert wurde. Ein adaptiver Jitter-Puffer reagiert hervorragend, wenn Jitter in größeren Mengen (beispielsweise bei Staus auf WAN-Links) auftritt.

Da heute adaptive Jitter-Puffer hauptsächlich genutzt werden und deren Betrieb recht empfindlich auf die Jitter-Verteilung reagiert, ist es wichtig, dass die Jitter Messungen die zeitliche Verteilung einkalkulieren. Durch eine zusätzliche Emulation des Jitter-Puffers kann eine pragmatische Lösung erreicht werden, die dafür sorgt, dass sich daraus die Jitter-basierten Datenverluste abschätzen lassen.

Wie oben dargestellt, müssen zur Jitter-Modellierung und zur korrekten Jitter-Messung die zeitlichen Charakteristiken und die Auswirkungen auf die Berechnung der Jitter-Puffer einbezogen werden. Hierfür stehen mehrere Techniken zur Verfügung:

· Modellierung: Zur Ermittlung plausibler Daten im Zusammenhang mit einer IP-Netzwerk-Emulation oder Simulation zu ermitteln, sollte ein Impuls getriebenes Zeitreihen-Modell verwendet werden.

· Jitter-Messungen: Um den Jitter unabhängig von den spezifischen Anwendung messen zu können, empfiehlt es sich, die mittlere Abweichung von den kurzfristigen durchschnittliche Verzögerung als Messgröße zur Generierung eines Histogramms heranzuziehen, um Abweichungen des Jitters feststellen zu können.

· Auswirkungen des Jitters: Zur Beurteilung der Auswirkungen des Jitters auf VoIP-Dienste ist es empfehlenswert, dass ein Jitter-Puffer-Emulator genutzt wird und somit direkt die Anzahl der verworfenen Pakete ermitteln zu können.

Der Jitter ist ein unumgänglicher Fehler in einem Netzwerk. Dieser Fehler kann kaum verhindert werden, daher ist es notwendig diesen zu untersuchen. Jitter kann unterschiedliche Fehler verursachen. Bei Datenanwendungen sind diese Fehler vernachlässigbar. Bei VoIP können diese Fehler zu unangenehmen Störungen führen. Die Messsoftware von Nextragen ist darauf spezialisiert die Eigenschaften des Dienstes VoIP zu prüfen. Die Software TraceView 3Q ist zur passiven Analyse von VoIP-Strömen. Der Jitter kann hier von jedem Strom einzeln begutachtet werden. Die Fehler (Paketverluste) die durch den vorgekommenen Jitter verursacht werden können, werden berechnet. Die Software TraceSim VoIP simuliert VoIP-Verbindungen. Hier können Sprachqualitätsmessungen durchgeführt werden. Die Folgen des Jitters werden berücksichtigt und dargestellt.

Benjamin Kolbe, CTO Nextragen

Mathias Hein, freier Journalist

1. Grundlagen: Jitter - der unvermeidliche Netzwerkfehler
2. Ursachen des Jitters
3. Messungen des Jitters
4. Emulation des Jitter-Puffers