Plan - Modélisation, estimation et contrôle pour les réseaux de télécommunication

4/19/2021

Modélisation, estimation et contrôle
                pour
 les réseaux de télécommunication

                 MGR 817

           Prof. Zbigniew Dziong

                 Plan

 Introduction du prof.
 Introduction aux MGR-817
 VoIP (Voix sur IP) : exemple de système
  qui sera utilisé pour l'illustration des
  algorithmes de modélisation, estimation
  et contrôle.
 Modélisation de VoIP : exemple

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   1997 - 2003 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.

                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%.

                                                                          2

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              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 2000.
 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.

    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.

                                                                                     3

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                                     Plan

 Introduction du prof.
 Introduction aux MGR-817
 VoIP (Voix sur IP) : exemple de système
  qui sera utilisé pour l'illustration des
  algorithmes de modélisation, estimation
  et contrôle.
 Modélisation de VoIP : exemple

       http://youtu.be/nWCCLRgHT_k

             MGR 817: Problématique

                             SYSTÈME DE SERVICE
                                DE DEMANDES
  ENTRÉ                                                             SORTIE

  SUPERVISION                                             SUPERVISION
  des demandes                                          de la performance
(Estimation, Prevision)                                 (Estimation, Prevision)

     MODÈLE                        CONTRÔLE                    OBJECTIFS
     (analitique                    (admission,                   de la
         ou                         paramètres
     simulation)                    de système)               performance
                     performance
                      du modèle    (en ou hors ligne)

                                                                                         4

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            MGR 817: Applications

 Systèmes de télécommunications comme:
    réseaux IP
    réseaux MPLS
    réseaux VoIP

 Système de services avec les fils d’attente comme:
    magasins
    cliniques

   MGR 817: Description sommaire

 Fournir à l’étudiant les connaissances requises pour mesurer,
  analyser et contrôler les performances des réseaux de
  télécommunication.

    L’introduction aux processus stochastiques incluant les éléments de
     la théorie des files d’attente.
    Étude de l’estimation 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 d’admission, contrôle du flou, acheminement) et gestion
     des ressources dans les réseaux basés sur les technologies
     différentes.
    Exemples des applications incluant les réseaux IP, MPLS.

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                    Objectifs du cours

À la fin de ce cours, l'étudiant sera capable de :

 Comprendre et appliquer les notions d’estimation, modélisation,
  et contrôle dans les réseaux de télécommunications à fin de
  contrôler la performance et qualité de service, QdS.

 Concevoir et implémenter une méthode d’estimation ou contrôle
  de trafic et performance dans le réseau particulier.

                           SYS 861, Prof. Zbigniew Dziong                   11

                Stratégie pédagogique
 Les connaissances seront transmises par :

  Un enseignement hebdomadaire sous la forme d'un cours
   magistral.
     – Le cours va donner l’introduction aux plusieurs sujets de bases qui sont
       nécessaire pour adresser les problèmes d’estimation, 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 d’implémentations
     – Dans le projet d’implémentations, l’étudiant analysera un système de
       service en utilisant des méthodes de modélisation, d’estimation et
       prévision, et de contrôle de trafic et performance. L’utile préféré est
       Matlab.

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                 Contenu du cours (1,2)
1) Introduction:
   a. L’introduction 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.        L’introduction à la simulation

               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.

                                                                                  7

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             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

         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.

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                    Projets

1. Simulation du système de service pour
   obtenir des séries chronologiques
2. Le choix:
  a. Estimation et prévision des séries
     chronologiques
  b. Application de processus de décision de Markov
     pour modéliser et contrôler un système de
     service

 Analyse des séries chronologiques

                                                             9

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               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).
    –   On peut avoir un changement du coordinateur après chaque
        phase du projet.

•   Évaluation du projet basé sur
    –   Rapport, présentation,

                         Évaluation

        1) Test 1                                 20%

        2) Test 2                                 30%

        3) Projet                                 50%
           (rapport – 35%, présentation – 15%)

                                                                           10

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      Références bibliographiques

1) Chris Chatfield. The analysis of time
   series: an introduction. Chapman & Hall,
   2003.
2) Henk C. Tijms. Stochastic models : an
   algorithmic approach. Wiley, 1994.
3) Zbigniew Dziong. ATM network resource
   management. McGraw-Hill, 1997.
4) Sanjay Bose. An introduction to queuing
   systems.     Kluwer     Academic/Plenum
   Publishers. 2001

                Consultations

  Je serai disponible pour les consultations les
        jeudis 13 h – 14 h sur ZOOM
        (il faut aviser la présence par courriel)

  Zbigniew Dziong:
     local 2482 (ou ZOOM)
     zbigniew.dziong@etsmtl.ca
     tél : 396 8686

                                                          11

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                          Plan

 Introduction du prof.
 Introduction aux MGR-817
 VoIP (Voix sur IP) : exemple de
  système qui sera utilisé pour
  l'illustration des algorithmes de
  modélisation, estimation et contrôle.
 Modélisation de VoIP : exemple

       Understanding VoIP Networks

• White Paper

• Stefan Brunner, Senior Network Security Consultant
• Akhlaq A. Ali, Senior Marketing Engineer

•   Juniper Networks, Inc.
•   1194 North Mathilda Avenue
•   Sunnyvale, CA 94089 USA
•   408 745 2000 or 888 JUNIPER
•   www.Juniper.net

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                         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,

                   VoIP Components

•   Call Processing Server/IP PBX
•   User End-Devices
•   Media/VOIP Gateways
•   IP network

                                                                        13

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     Call Processing Server/IP PBX

• Call Processing Server/IP PBX

    Call Processing Server Signaling

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             User End-Devices

     Media/VOIP Gateways/Gatekeepers

POT-
Plain
Old
Telephone

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     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.

                          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.

                                                                                16

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            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.248 (IETF and ITU)
• Transport protocols
   – RTP
   – RTCP

                       H.323

                                                            17

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                              H.323
• 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.

                              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.

                                                                           18

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Media Gateway Control Protocol (MGCP)

Media Gateway Control Protocol (MGCP)
• 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.

                                                                              19

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          Session Initiation Protocol (SIP)

          Session Initiation Protocol (SIP)
•   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.

                                                                                              20

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     Session Initiation Protocol (SIP)

                 Megaco/H.248

• Megaco/H.248 refines MGCP to support more ports
  (participants) per gateway, and adds TDM and ATM
  communication modes to conferencing capabilities.
• 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.

                                                                21

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               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.

   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.

                                                                               22

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   Real-time Transport Protocol (RTP)

   Real-time Transport Protocol (RTP)
• 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.

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    ITU G series of encoding schemes

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.

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                        A general view

• and the result…

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RTP/RTCP and RTSP (from server)              vincent.roca@inrialpes.fr
multimedia protocols for the Internet
                                                 August 29th, 2001

          VoIP Service Considerations

•   Latency
•   Jitter
•   Bandwidth
•   Packet loss
•   Reliability
•   Security

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                        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.

             “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.

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          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.

                         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)
      – 0.0334 sec = 6000 km / (299,300 km x .6)
    By this calculation, the latency contributed by just propagation delay
     would be 33.4 ms.

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                          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.

                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.

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                                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.

                          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.

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                          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.

                          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.

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                    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 + 160 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).

                                    Plan

  Introduction du prof.
  Introduction aux MGR-817
  VoIP (Voix sur IP) : exemple de système
   qui sera utilisé pour l'illustration des
   algorithmes de modélisation, estimation
   et contrôle.
  Modélisation de VoIP : exemple

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Quelques statistiques pour les années 2015-2017

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