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Modélisation, estimation et contrôle pour les réseaux de télécommunication MGR 815 Prof. Zbigniew Dziong.

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1 Modélisation, estimation et contrôle pour les réseaux de télécommunication MGR 815 Prof. Zbigniew Dziong

2 Plan Introduction du prof. Introduction aux MGR-815 VoIP (Voix sur IP) : exemple de système qui sera utilisé pour l'illustration des algorithmes de modélisation, estimation et contrôle. Modélisation de VoIP : exemple

3 Bell Labs, Lucent Technologies, High Performance Communication Systems Dep., Holmdel, New Jersey, USA Consultant pour divers départements dans le domaine de la performance, des protocoles, de l'architecture et de la gestion des ressources pour la prochaine génération des réseaux optiques, IP, ATM, Ethernet, et sans fil.

4 Projets chez Bell Labs : Conception d'architecture et des algorithmes de recouvrement de panne de liens à implémenter dans Lambda Unite, le nouveau commutateur avancé et brasseur de conduits (ou cross-connect) SONET pour les réseaux optiques. Contribution au développement d'une nouvelle architecture de réseau où le nuage de MPLS est introduit dans le réseau ATM. Cette architecture permet une réduction du coût dans l'évolution vers les réseaux multi-service. En particulier, la conception du cadre et des algorithmes pour le routage QoS et la gestion des ressources. Dérivation du modèle de rendement pour le chargement de CPU dans le commutateur Ethernet MPLS conçu à Lucent. Développement d'algorithmes de routage pour réseaux optiques avec des routes partagées, ce qui a réduit de 30% le coût du réseau. Contribution à la conception d'un commutateur multi-térabit indépendant du protocole, qui a permis d'augmenter le débit de 50%.

5 Projets chez Bell Labs (cont.): Conception d'un outil nécessaire dans la conception pour localisation du secteur (location area) dans les réseaux GSM ce qui a amélioré significativement la planification du réseau. Dérivation des modèles de précision de géolocalisation pour les réseaux assistés par GPS dans les réseaux UMTS. Analyse de la performance de plusieurs algorithmes pour un système d'ordonnancement pour CDMA Conception de l'architecture de mesure de la capacité et de la performance des systèmes sans fil de la troisième génération. Conception des algorithmes d'admission d'appel adaptifs basés sur les systèmes d'exploitation pour les commutateurs ATM. Conception des modèles de performance pour le contrôle de surcharge dans les systèmes de CDMA qui ont fourni une nouvelle implémentation d'algorithme. Les réalisations mentionnées ci-dessus sont documentées dans 14 applications de brevet et plusieurs publications dans des journaux et des conférences, ainsi que dans des rapports.

6 1987 – 1997 INRS-Telecommunications, Montreal, Canada Collaboration à l'obtention et la réalisation de plusieurs contrats de recherche de BNR (Nortel) et de plusieurs subventions CRSNG et ICRT. Développement de modèles de contrôle, de performance et de dimensionnement des réseaux divers comme les réseaux à commutation de paquets rapide (ATM) et les réseaux sans fil. Obtention du prix STENTOR 1993 pour la recherche et la contribution dans le domaine de l'acheminement dynamique dans les réseaux à commutation de circuits. Les résultats majeurs de la recherche sont publiés dans le livre ``ATM network resource management``, 1997 McGraw Hill.

7 Plan Introduction du prof. Introduction aux MGR-815 VoIP (Voix sur IP) : exemple de système qui sera utilisé pour l'illustration des algorithmes de modélisation, estimation et contrôle. Modélisation de VoIP : exemple

8 MGR 815: Problématique SYSTÈME DE SERVICE DE DEMANDES ENTRÉSORTIE SUPERVISION des demandes (Estimation, Prevision) SUPERVISION de la performance (Estimation, Prevision) CONTRÔLE (admission, paramètres de système) MODÈLE (analitique ou simulation) OBJECTIFS de la performance du modèle (en ou hors ligne)

9 MGR 815: Applications Systèmes de télécommunications comme: réseaux IP réseaux MPLS réseaux VoIP Système de services avec les fils dattente comme: magasins cliniques

10 MGR 815: Description sommaire Fournir à létudiant les connaissances requises pour mesurer, analyser et contrôler les performances des réseaux de télécommunication. Lintroduction aux processus stochastiques incluant les éléments de la théorie des files dattente. Étude de lestimation en présence de bruit. Éléments de théorie de la décision en présence de bruit. Modèle de décision de Markov pour maximiser la revenue. Théorie du jeu pour avoir la performance équitable. Applications des modèles mathématiques pour contrôler le trafic (contrôle dadmission, contrôle du flou, acheminement) et gestion des ressources dans les réseaux basés sur les technologies différentes. Exemples des applications incluant les réseaux IP, MPLS.

11 Objectifs du cours À la fin de ce cours, l'étudiant sera capable de : Comprendre et appliquer les notions destimation, modélisation, et contrôle dans les réseaux de télécommunications à fin de contrôler la performance et qualité de service, QdS. Concevoir et implémenter une méthode destimation et contrôle de trafic et performance dans le réseau particulier (préférablement associée avec le sujet de la recherche). SYS 861, Prof. Zbigniew Dziong11

12 Stratégie pédagogique Les connaissances seront transmises par : Un enseignement hebdomadaire sous la forme d'un cours magistral. – Le cours va donner lintroduction aux plusieurs sujets de bases qui sont nécessaire pour adresser les problèmes destimation, modélisation, et contrôle dans les réseaux de télécommunications. La présentation évitera orientation purement théorique et sera plutôt à mi-chemin entre théorie et pratique. Le projet dimplémentations – Dans le projet dimplémentations, létudiant analysera un système de service en utilisant des méthodes de modélisation, destimation et prévision, et de contrôle de trafic et performance. Lutile préféré est Matlab.

13 Contenu du cours (1,2) 1) Introduction: a.Lintroduction aux problématiques de modélisation, estimation et contrôle dans les réseaux de télécommunications b.VoIP (Voice over IP) : exemple de système qui sera utilisé pour l'illustration des algorithmes de modélisation, estimation et contrôle. 2) Introduction aux processus aléatoires et la simulation: a.Les concepts de base de probabilité. b.Les variables aléatoires. c.Les processus aléatoires. d.Lintroduction à la simulation

14 Contenu du cours (3,4,5) 3) Modèles de séries chronologiques: a.MA, AR, ARMA, ARIMA b.Estimation c.Prévision i Extrapolation ii Lissage exponentiel - ``Exponential Smoothing``. 4) Filtre de Kalman: a.L'introduction au filtre de Kalman b.Application de filtre de Kalman pour prédiction de trafic. 5) Architecture de la gestion des ressources, basée sur la représentation multicouche du trafic et les réseaux virtuels. a. MPLS : exemple du protocole utilisé pour la gestion des ressources.

15 Contenu du cours (6,7,8) 6) Processus de Markov a.avec le temps discret b.avec le temps continu c.formule d'Erlang 7) Introduction aux processus de décision de Markov a.avec le temps discret b.avec le temps continu c.Trois modèles pour obtenir une solution 8) L'admission des appels et routage dynamique a.modèle économique basé sur le prix caché b.les exemples

16 Contenu du cours (9,10,11,12) 9) Introduction à la théorie de file d'attend a.Little's Formula b.file d'attend M/M/1,c,oo c.file d'attend M/G/1 10) ``Fair queuing``. 11) Théorie du jeu pour avoir la performance équitable. 12) Présentation des projets. - Le contenu peut être adapté selon les besoin des projets des étudiants.

17 Projets 1.Analyse des séries chronologiques a.Simulation du système de service pour obtenir des séries chronologiques b.Estimation et prévision des séries 2.Modélisation et contrôle a.Application de processus de décision de Markov pour modéliser et contrôler un système de service

18 Organisation des Projets Groups de deux étudiants (trois dans les cas exceptionnels) – Chaque group aura un coordinateur (fonctions: coordination de taches et de charge, communication avec le prof). – Il y aura un changement du coordinateur après chaque phase du projet. Évaluation du projet basé sur – Rapport, présentation,

19 Évaluation 1)Test 1 20% 2)Test 2 30% 3)Projet50% (rapport – 35%, présentation – 15%)

20 Références bibliographiques 1)Chris Chatfield. The analysis of time series: an introduction. Chapman & Hall, )Henk C. Tijms. Stochastic models : an algorithmic approach. Wiley, )Zbigniew Dziong. ATM network resource management. McGraw-Hill, )Sanjay Bose. An introduction to queuing systems. Kluwer Academic/Plenum Publishers. 2001

21 Consultations Je serai disponible pour les consultations tous les mardi de 19h à 20h dans la salle A-3334 Zbigniew Dziong: local 2482 tél :

22 Plan Introduction du prof. Introduction aux MGR-815 VoIP (Voix sur IP) : exemple de système qui sera utilisé pour l'illustration des algorithmes de modélisation, estimation et contrôle. Modélisation de VoIP : exemple

23 Understanding VoIP Networks White Paper Stefan Brunner, Senior Network Security Consultant Akhlaq A. Ali, Senior Marketing Engineer Juniper Networks, Inc North Mathilda Avenue Sunnyvale, CA USA or 888 JUNIPER

24 Why VoIP? Cost-effectiveness Convergence of voice and data networks VoIP promises to deliver many nice new features, such as: – advanced call routing, – computer integration, – integrated information services, – long-distance toll bypass, – encryption. – Integration of other media services, like video or even electronic white boards,

25 VoIP Components Call Processing Server/IP PBX User End-Devices Media/VOIP Gateways IP network

26 Call Processing Server/IP PBX

27 Call Processing Server Signaling

28 User End-Devices

29 Media/VOIP Gateways/Gatekeepers POT- Plain Old Telephone

30 Media/VOIP Gateways/Gatekeepers Trunking gateways that interface between the telephone network and a VoIPnetwork. Such gateways typically manage a large number of digital circuits. Residential gateways that provide a traditional analog interface to a VoIP network. Examples of residential gateways include cable modem/cable set-top boxes, xDSL devices and broadband wireless devices. Access media gateways that provide a traditional analog or digital PBX interface to a VoIP network. Examples include small-scale (enterprise) VoIP gateways. Business media gateways that provide a traditional digital PBX interface or an integrated soft PBX interface to a VoIP network. Network access servers that can attach a modem to a telephone circuit and provide data access to the Internet.

31 IP Network IP network must treat voice and data traffic differently. Class of service (CoS) ensures that packets of a specific application are given priority. This prioritization is required for real-time VoIP applications to ensure that the voice service is unaffected by other traffic flows.

32 VoIP Signaling Protocols Standards bodies: ITU and IETF More implementations on the ITU specifications than those of the IETF. H.323 (ITU) MGCP (IETF) SIP (IETF) Megacao/H.246 (IETF and ITU) Transport protocols – RTP – RTCP

33 H.323

34 Gateways serve as both the H.323 termination endpoint and interface with non-H.323 networks, such as the PSTN. Gatekeepers function as a central unit for call admission control, bandwidth management and call signaling. Although the gatekeeper is not a required element in H.323, it can help H.323 networks to scale to a larger size, by separating call control and management functions from the gateways.

35 H.323 First to classify and solve multimedia delivery issues over LAN technologies. H.323 is heavier (due to chattiness, in terms of control signaling). Shortcomings in scalability, especially in large-scale deployments. H.323 is dependant on TCP-based (connection-oriented) signaling. There is a challenge in maintaining large numbers of TCP sessions because of the substantial overhead involved. May not be well suited in service provider spaces, it is well positioned to deploy enterprise VoIP applications.

36 Media Gateway Control Protocol (MGCP)

37 It breaks up the role of traditional voice switches into the components of media gateway, media gateway controller (call agent) and signaling gateway functional units. This facilitates the independent managing of each VoIP gateway as a separate entity. MGCP is a master-slave control protocol that coordinates the actions of media gateways. The call agent manages the call-related signaling control intelligence, while the media gateway informs the call agent of service events. The call agent instructs the media gateway to create and tear down connections when the calls are generated. In most cases, the call agent informs the media gateways to start an RTP session between two endpoints.

38 Session Initiation Protocol (SIP)

39 Client-server signaling protocol that handles the setup and tear down of multimedia sessions between speakers; these sessions can include multimedia conferences, telephone calls, and multimedia distribution. SIP is a text-based signaling protocol transported over either TCP or UDP, and is designed to be lightweight. It inherited some design philosophy and architecture from the Hypertext Transfer Protocol (HTTP) and Simple Mail Transfer Protocol (SMTP) to ensure its simplicity, efficiency and extensibility. SIP uses invitations to create Session Description Protocol (SDP) messages to carry out capability exchange and to setup call control channel use. These invitations allow participants to agree on a set of compatible media types. SIP supports user mobility by proxying and redirecting requests to the user's current location. Users can inform the server of their current location (IP address or URL) by sending a registration message to a registrar. This function is powerful and often needed for a highly mobile voice user base.

40 Session Initiation Protocol (SIP)

41 Megaco/H.248 Megaco/H.248 is a current draft standard and represents a cooperative proposal from the IETF and ITU standards bodies. Megaco has many similarities to MGCP and borrows the same naming conventions for the VoIP elements. The Megaco architecture defines media gateways that provide media conversion and sources of calls, while media gateway controllers provide call control.

42 Megaco/H.248 goals Provides a path for rapid expansion to support sophisticated business telephony features. Allows for a wide range of telephones and similar devices to be defined from very simple to very feature rich. Implements a simple, minimal design. Allows device cost to be appropriate to capabilities provided. Package and termination types have characteristics that enable reliability.

43 Real-time Transport Protocol (RTP) RFC 1889 and RFC 1890 cover the Real-time Transport Protocol (RTP), which provides end-to-end delivery services for data with real-time characteristics, such as interactive audio and video. Ability to reconstruct timing, loss detection, security, content delivery and identification of encoding schemes. RTP is an application service built on UDP, so it is connectionless, with best-effort delivery. Although RTP is connectionless, it does have a sequencing system that allows for the detection of missing packets.

44 Real-time Transport Protocol (RTP)

45 RTP Payload Type field includes the encoding scheme that the media gateway uses to digitize the voice content. This field identifies the RTP payload format and determines its interpretation by the CODEC in the media gateway. A profile specifies a default static mapping of payload type codes to payload formats. These mappings represent the ITU G series of encoding schemes.

46 ITU G series of encoding schemes

47 Real-time Transport Control Protocol (RTCP) RTCP enables administrators to monitor the quality of a call session by tracking packet loss, latency (delay), jitter, and other key VoIP concerns. This information is provided on a periodic basis to both ends and is processed per call by the media gateways. If using RTCP (or a vendor-specific implementation) in the network, the organization needs to take into account bandwidth calculations for the protocol. RFC specifications recommend that the fraction of the session bandwidth allocated to RTCP be fixed at five percent of RTP traffic.

48 A general view and the result… Projet Planète; INRIA Rhône-Alpes August 29 th, 2001 RTP/RTCP and RTSP (from server) multimedia protocols for the Internet

49 VoIP Service Considerations Latency Jitter Bandwidth Packet loss Reliability Security

50 Latency The end-to-end latency should be less than 150 ms for toll quality phone calls. To ensure that the latency budget remains below 150 ms, administrators need to take into account the following primary causes of latency.

51 packetization delays Caused by the amount of time it takes to fill a packet with data. Generally, the larger the packet size, the greater the amount of time it takes to fill it. Packetization delay is governed by the CODEC standard being used. Nominal operation of any media gateway unit should not exceed 30 ms.

52 Serialization (transmission) delay Another source of latency is the delay it takes to serialize the digital data onto the physical links of the interconnecting equipment. This delay is inversely proportional to the link speed. In other words, the faster the media, the lower the latency. For example, it takes 125 microseconds to place one byte on a 64-Kb circuit. The same byte placed on an OC-3/STM-1 circuit takes 0.05 microseconds. Although this delay is unavoidable (regardless of the bandwidth used), keeping the number of intervening links small and using high bandwidth interfaces reduces the overall latency.

53 Propagation delay Propagation delay is the time it takes an electrical (or photonic) signal to traverse the length of a conductor. The speed of these signals is always slower than that of the speed of light. There is always propagation delay; however, it only becomes an issue when the signal (or packet) travels a great distance. The accepted formula for calculating propagation delay is as follows. – Propagation delay = Circuit km / (299,300 km x.6) Example: Calculation of one-way propagation delay of a 6,000 km fiber run (discounting any signal repeaters in between) – sec = 6000 km / (299,300 km x.6) By this calculation, the latency contributed by just propagation delay would be 33.4 ms.

54 Queuing delay A queuing delay, which is a large source of latency, is the amount of time that a packet remains buffered in a network element while it awaits transmission. Network traffic loads result in variable queuing delays. The amount of buffer that a queue uses is usually a configurable parameter, with a smaller number being better for latency values. However, this delay is also based on the amount of traffic the element is trying to pass through a given link, and therefore it increases with network load. Hence, you need to set aside adequate bandwidth and resources for voice traffic. If the queue used for voice traffic is not serviced fast enough and that queue is allowed to grow too large, the result is greater latency.

55 Packet forwarding delay Packet forwarding delay is the time it takes a network device (router, switch, firewall, etc.) to buffer a packet and make the forwarding decision. Included in that decision could be which interface to forward the packet to, whether to drop or forward the packet against an Access Control List (ACL) or security policy, etc. Packet forwarding delay is variable and depends on the function and architecture of the networking device. If a packet must be further buffered as a part of its processing, greater latency is incurred.

56 Jitter The greatest culprit of jitter is queuing variations caused by dynamic changes in network traffic loads. Another cause is packets that might sometimes take a different equal-cost link that is not physically (or electrically) the same length as the other links. Media gateways have play-out buffers that buffer a packet stream, so that the reconstructed voice waveform is not affected by packet jitter. Play-out buffers can minimize the effects of jitter, but cannot eliminate severe jitter. Although some amount of jitter is to be expected, severe jitter can cause voice quality issues because the media gateway might discard packets arriving out of order. In this condition, the media gateway could starve its play-out buffer and cause gaps in the reconstructed waveform.

57 Packet Loss The protocols used by non-real-time applications, usually TCP, are tolerant to some amount of packet loss because of their retransmission capabilities. Real-time applications based on UDP are significantly less tolerant to packet loss. UDP does not have retransmission facilities, however, retransmissions would almost never help. Although packet loss of any kind is undesirable, some loss can be tolerated. As long as the amount of packet loss is less than five percent for the total number of calls, the quality generally is not adversely affected. It is best to drop a packet, versus increasing the latency of all delivered packets by further buffering them.

58 Bandwidth If an administrator allocates too little bandwidth for voice service, there might be unacceptable quality issues. Another consideration is that voice services are less tolerant to bandwidth depletion than that of Internet traffic. Therefore, bandwidth for voice services and associated signaling must take a priority over that of best-effort Internet traffic. VoIP networks that employ compression and silence suppression could actually use less bandwidth than a similar circuit-switched network.

59 Bandwidth Allocations of network bandwidth are based on projected numbers of calls at peak hours. Any over-subscription of voice bandwidth can cause a reduction in voice quality. Also, you must set aside adequate bandwidth for signaling to ensure that calls are complete and to reduce service interruptions.

60 Bandwidth example 2,000 full-duplex G.711 encoded voice channels that have a packet creation rate of 20 ms, with a packet size of 200 bytes (40 byte IP header byte payload) – 160 Mbps = 50 x 200 x 2,000 x 8 does not take in account the overhead used by the transporting media (links between the routers) and data-link layer protocols. Signaling bandwidth requirements vary depending on the rate at which the calls are generated and the signaling protocol used. – If a large number of calls are initiated in a relatively short period, the peak bandwidth needs for the signaling could be quite high. – A general guideline for the maximum bandwidth requirement that an IP signaling protocol needs is roughly three percent of all bearer traffic. – Using the previous example, signaling bandwidth requirements, if all 2,000 calls were initiated in one second, would be approximately 4.8 Mbps (3 percent of 160- megabits).

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