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Qualité de service et problèmes liés à la VoIP


La QoS (Quality of Service) est l'ensemble des technologies permettant d'assurer la qualité du service réseau, de contrôler la bande passante ou encore d'assigner des priorités aux flux réseau. Plus particulièrement, la QoS désigne l’aptitude à pouvoir garantir un niveau de transmission acceptable dans le réseau.
  1. La latence, délai ou temps de réponse


Le temps de latence représente la durée de transmission de données entre 2 postes distants : c’est le retard entre l’émission et la réception d’un paquet.

La maîtrise du délai de transmission est un élément essentiel pour bénéficier d'un véritable mode conversationnel et minimiser la perception d'écho (similaire aux désagréments causés par les conversations par satellites, désormais largement remplacés par les câbles pour ce type d'usage). Or la durée de traversée d'un réseau IP dépend de nombreux facteurs :

  • Le débit de transmission

  • Le nombre d’éléments réseaux traversés

  • Le temps de traversée de chaque élément, qui est lui même fonction de la puissance et de la charge de ce dernier, du temps de mise en file d'attente des paquets, et du temps d'accès en sortie de l’élément

  • Le délai de propagation de l'information, qui est non négligeable si on communique à l'opposé de la terre (une transmission par fibre optique, à l'opposé de la terre, dure environ70 ms).

Il faut également prendre en compte le fait que le temps de transport de l'information n'est pas le seul facteur responsable de la durée totale de traitement de la parole. Le temps de codage et la mise en paquet de la voix contribuent aussi de manière importante à ce délai. Il est important de rappeler que sur les réseaux IP actuels (sans mécanismes de garantie de qualité de service), chaque paquet IP « fait sont chemin » indépendamment des paquets qui le précèdent ou le suivent: c'est ce qu'on appelle grossièrement le « Best effort » pour signifier que le réseau ne contrôle rien. Ce fonctionnement est fondamentalement différent de celui du réseau téléphonique où un circuit est établi pendant toute la durée de la communication.

Les chiffres suivants (tirés de la recommandation UIT-T G114) sont donnés à titre indicatif pour préciser les classes de qualité et d'interactivité en fonction du retard de transmission dans une conversation téléphonique. Ces chiffres concernent le délai total de traitement, et pas uniquement le temps de transmission de l'information sur le réseau.


Classe n°

Délai par sens

Commentaires

1

0 à 150 ms

Acceptable pour la plupart des conversations

2

150 à 300 ms

Acceptables pour des communications faiblement interactives

3

300 à 700 ms

Devient pratiquement une communication half duplex

4

Au-delà de 700 ms

Inutilisable sans une bonne pratique de la conversation half duplex

Tableau 3 : Qualité sonore en fonction du délai

En conclusion, on considère généralement que la limite supérieure "acceptable" pour une communication téléphonique se situe entre 150 et 200 ms par sens de transmission (c’est-à-dire en considérant à la fois le traitement de la voix et le délai d'acheminement).
  1. La perte de paquets (packet loss)


Les paquets IP peuvent ne pas arriver à destination sous l’effet d’une congestion (condition dans laquelle une augmentation du trafic provoque le ralentissement global de celui-ci). Or, la couche transport ne possède pas de contrôle de flux pour les paquets transportant la voix ni de retransmission des paquets perdus. Ceci provoque alors des ruptures au niveau de la conversation et elle est interrompue par des blancs de durée proportionnelle de la perte subie. Le pourcentage de pertes de paquets peut nous donner une bonne approximation de la qualité de la voix mais d’autres facteurs essentiels interviennent.

Plus précisément, lorsque les buffers des différents éléments réseaux IP sont congestionnés, ils « libèrent » automatiquement de la bande passante en se débarrassant d'une certaine proportion des paquets entrant, en fonction de seuils prédéfinis. Cela permet également d'envoyer un signal implicite aux terminaux TCP qui diminuent d'autant leur débit au vu des acquittements négatifs émis par le destinataire qui ne reçoit plus les paquets. Malheureusement, pour les paquets de voix, qui sont véhiculés au dessus d'UDP, aucun mécanisme de contrôle de flux ou de retransmission des paquets perdus n'est offert au niveau du transport. D'où l'importance des protocoles RTP et RTCP qui permettent de déterminer le taux de perte de paquet, et d'agir en conséquence au niveau applicatif.

Si aucun mécanisme performant de récupération des paquets perdus n'est mis en place (cas le plus fréquent dans les équipements actuels), alors la perte de paquet IP se traduit par des ruptures au niveau de la conversation et une impression de hachure de la parole. Cette dégradation est bien sûr accentuée si chaque paquet contient un long temps de parole (plusieurs trames de voix de paquet). Par ailleurs, les codeurs à très faible débit sont généralement plus sensibles à la perte d'information, et mettent plus de temps à « reconstruire » un codage fidèle.

Enfin connaître le pourcentage de perte de paquets sur une liaison n'est pas suffisant pour déterminer la qualité de la voix que l'on peut espérer, mais cela donne une bonne approximation. En effet, un autre facteur essentiel intervient; il s'agit du modèle de répartition de cette perte de paquets, qui peut être soit « régulièrement » répartie, soit répartie de manière corrélée, c'est à dire avec des pics de perte lors des phases de congestion, suivies de phases moins dégradées en terme de QoS (Quality of Service).
  1. La gigue (jitter)


La gigue est la variance statistique du délai de transmission. En d'autres termes, elle mesure la variation temporelle entre le moment où deux paquets auraient dû arriver et le moment de leur arrivée effective. Cette irrégularité d'arrivée des paquets est due à de multiples raisons dont: l'encapsulation des paquets IP dans les protocoles supportés, la charge du réseau à un instant donné, la variation des chemins empruntés dans le réseau, etc...

Pour compenser la gigue, on utilise généralement des mémoires tampon (buffer de gigue) qui permettent de lisser l'irrégularité des paquets. Malheureusement ces paquets présentent l'inconvénient de rallonger d'autant le temps de traversée global du système. Leur taille doit donc être soigneusement définie, et si possible adaptée de manière dynamique aux conditions du réseau.

La dégradation de la qualité de service due à la présence de gigue, se traduit en fait, par une combinaison des deux facteurs cités précédemment: le délai et la perte de paquets; puisque d'une part on introduit un délai supplémentaire de traitement (buffer de gigue) lorsque l'on décide d'attendre les paquets qui arrivent en retard, et que d'autre part on finit tout de même par perdre certains paquets lorsque ceux-ci ont un retard qui dépasse le délai maximum autorisé par le buffer.
  1. Phénomène d’écho


Il y a un phénomène d’écho lorsqu’il y a un retard dans la transmission des paquets, ce qui provoque des réflexions du signal de la voix de l’interlocuteur L’écho altère considérablement la qualité de la conversation téléphonique. Nous devons faire en sorte d’annuler ces échos.
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