P2P VoIP應用的性能評測

楊永銘　王喆 2008/09/24

圖1　實驗系統(tǒng)框架

　　3.2　網絡的度量衡量標準

　　實驗中需要評測的性能參數有：語音質量和從S到R的數據傳輸率（它是Skype與GTalk適應性能的直接表現）。對于傳輸數據流的分析工具是tcpstat。

　　語音質量的測評方法有幾種：一種是MOS（平均主觀值法）[6]，這是由ITU-T制定的一個較為主觀的評價方法，由直接參與到語音通信中的人來評定語音的質量，語音質量最終被評為1～5分，分數越高語音質量越好。與MOS相比，E-model[7]是一種較為客觀的評估語音質量的方法，關注影響語音質量的全面的網絡損傷因素（如時延、抖動、回音、編解碼等）。由于不能獲得有關Skype與GTalk編解碼器的信息，所以就無法采用此方法來評測語音質量。實驗中所采用的是PESQ（感知評估通話質量測評）[8]，此方法實際上是通過復雜信號處理，用PESQ算法對發(fā)送信號和接收信號進行校準，然后評估這兩個信號間的差異，最終評測結果對應于MOS。

　　3.3　實驗描述

　　在一個可控的網絡狀態(tài)下，對Skype和GTalk進行評測。本文建立了4個具體的實驗，在這些實驗中以下幾個參數分別出現：信道容量、時延、丟包率和抖動，這些參數值的選取是針對Skype與GTalk來具體確定[9]。
　　
　　實驗過程中，網絡參數會被定義為幾個不同的值，在語音傳輸過程中，這些值是動態(tài)變化的，在變化的每個階段，發(fā)送端會發(fā)送1 h的語音信號，接收端收到的是60個1 min的語音信號。實驗對Skype與GTalk是在相同狀況下重復進行，Skype的版本為2.0.0.81，GTalk的版本為1.0.0.92。

4、性能評測

　　4.1　信道容量影響

　　在此實驗中，設定時延25 ms且沒有明顯的丟包和抖動。要研究的是當信道容量逐漸變化（50 kbit/s、40 kbit/s、30 kbit/s、20 kbit/s、15 kbit/s）時，Skype與GTalk相應的變化。通過觀察傳輸率（見圖2）和PESQ MOS（見圖3），發(fā)現在信道容量為50 kbit/s時GTalk利用了更多的帶寬，傳輸速率比Skype更高。當信道容量變?yōu)?0 kbit/s時，GTalk發(fā)生了很明顯的變化，傳輸速率降低到了35 kbit/s。這個變化使得其PESQ MOS分數與Skype相比有所提高，而Skype的傳輸速率則接近信道容量。當信道容量變?yōu)?0 kbit/s時，兩者間差異不大。當信道容量為20 kbit/s時，Skype首次優(yōu)于Gtalk，當信道容量為15 kbit/s時，Skype的PESQ MOS分數比GTalk高5.5%。通過觀察知道，在容量為20 kbit/s時兩者的傳輸率相同，但PESQ MOS分數卻不一致，合理的解釋就是GTalk出現了很嚴重的網絡抖動情況（如圖4所示）。

圖2　吞吐量隨信道容量變化狀況

圖3　PESQ MOS隨信道容量變化狀況

圖4　平均抖動隨信道容量變化狀況

　　4.2　時延影響

　　網絡參數設置為信道容量50 kbit/s且沒有丟包和抖動發(fā)生。確定幾個等級范圍，其中時延為1 ms、10 ms、100 ms時通話是可以接受的，時延為500 ms、1 000 ms時語音質量就變得不可接受。對于Skype，時延對其服務質量的影響更為明顯，如圖5所示，傳輸率從37.5 kbit/s降為19.36 kbit/s。然而，對于GTalk其傳輸率則沒有明顯變化。由圖6可知，在時延為1 ms、10 ms、100 ms時Skype的PESQ MOS高于GTalk，在時延為500 ms、1 000 ms時GTalk則略優(yōu)于Skype。

圖5　不同時延下吞吐量的變化狀況

圖6　PESQ MOS隨時延的變化狀況

　　4.3　丟包影響

　　設置信道容量為50 kbit/s，時延為25 ms，沒有抖動，丟包率分別定為0、1%、5%、10%、30%、40%。如圖7所示，GTalk對于丟包發(fā)生，沒有適應性機制。可以設想Skype對數據流增加了冗余信息來減少丟包對語音質量的影響，這就解釋了在丟包率為1%、5%、10%時傳輸率的增長。然而，Skype的這些適應機制并沒有使得PESQ MOS分數比GTalk高，如圖8所示。在丟包率為5%時，Skype添加了過多的冗余，消耗了過多的網絡帶寬，而PESQ MOS并沒有期待中的提高。

圖7　不同丟包率下的吞吐量的變化狀況

圖8　不同丟包率下的PESQ MOS變化狀況

　　4.4　抖動影響

　　設置信道容量為50 kbit/s，沒有丟包，時延為100 ms，抖動為0 ms、20 ms、40 ms、60 ms、80 ms。但是測量數據沒有顯示出任何適應性的跡象。在本實驗中抖動只是改變了接收端的緩沖區(qū)大小，對數據流傳送沒有任何影響，并且實驗結果也顯示PESQ MOS或者說語音質量與抖動沒直接關系，具體的實驗圖示不再贅述。

　　4.5　實驗分析

　　雖然實驗比較了VoIP的兩個應用GTalk與Skype，但目的不是要分出它們的優(yōu)劣，而是要找出普遍存在問題，給VoIP的應用開發(fā)商提出建議。

　　采用不同的編解碼方式，其對應的業(yè)務質量可能不同。即使是使用相同的編解碼方式，也可能會表現出不同的語音質量。對于VoIP的應用來說，具有高效的適應機制來適應復雜可變的網絡環(huán)境相當重要，適應性好的應用會更有優(yōu)勢，例如，當帶寬有限時，GTalk始終保持一個較高的傳輸率，從而產生了嚴重的抖動和PESQ MOS分數的下降。另一方面，Skype在有較高時，傳輸率有明顯的下降，導致業(yè)務質量更糟。

　　數據流中添加冗余信息可能會產生好的效果，如圖7、8所示，當丟包率小于10%時，Skype可以使PESQ MOS的分數保持在3分之上，GTalk沒有采用適應性機制，從而其語音質量隨著丟包率而線性下降。但是，也需要對添加冗余信息的量度有一個把握，否則會產生不好的效果，因此還需要進一步地提出更有效的冗余設計方案來適應可變網絡。

5、結束語

　　本實驗比較了P2P VoIP的兩個應用Skype和Gtalk，討論了它們在網絡狀況變化時的動態(tài)適應策略，并且通過PESQ MOS方法評估了它們語音質量的優(yōu)劣。通過實驗可知：在理想的網絡狀況下，Skype表現得更好一些（兩者PESQ MOS的分數差別為0.1），總體而言它們的語音質量還是較為接近。在網絡有較長的時延時，Skype有不必要的適應性。當丟包情況發(fā)生時，GTalk沒有實施任何機制來提高其性能，與此同時，Skype使用數據冗余機制來對抗丟包以提高其語音質量。在抖動情況發(fā)生時，兩者都沒有很好的機制來提高其適應性。當有較長的時延時，PESQ MOS并不是最佳的評估語音質量的方法。所以，盡管實驗中包含有時延對語音質量的影響結果，但這可能不是十分準確，有待于進一步研究。另外，以上的實驗是Skype與GTalk分別進行，之間沒有相互影響，若是VoIP的具體應用需要競爭相同的網絡資源時，它們的表現情況如何研究者需要進一步的研究。

參考文獻

　　1　朱海毅，周春楠.VoIP基本原理.信息技術.2003，5(5)

　　2　Shen Q.Performance of VoIP over GPRS.In:17th International Conference.on Advanced Information Networking　and Applications(AINA’03)，2003

　　3　Furuya H，Nomoto S，Yamada H.Experimental investigation of the relationship between IP network performances and speech quality of VoIP.In：10th　International Conference on Telecommunications(ICT 2003)，March 2003

　　4　Salman A B，Henning S.An analysis of the peer-to-peer Internet telephony protocol.In：IEEE INFOCOM 2006，April 2006

　　5　Guha S，Daswani N，Jain R.An experimental study of the skype peer-to-peer VoIP system.In：5th Workshop on Peer-to-Peer Systems(IPTPS)，February 2006

　　6　International Telecommunications Union.Methods for subjective determination of transmission quality. Recommendation P.800，August 1996

　　7　International Telecommunications Union.The E-model，a computational　model　for　use　in transmission planning. Recommendation G.107，1998

　　8　吳耀文，王平.VoIP語音評價方法綜述.艦船電子工程，2006(1)

　　9　Miras D.A survey on network QoS needs of advanced Internet applications. Internet QoS Working Group，2002

電信科學