Transaction-based signaling performance in next generation networks

Abstract

Klassische Telefonie wurde lange über leitungsvermittelnde Netze angeboten. Jedoch sehen die Architekturen der nächsten Generation, wie das IP Multimedia Subsystem (IMS), paketvermittelnde Netze vor. Diese Netze basieren auf dem IP Protokoll, wie auch das Internet. Dieser Wandel der Netzarchitektur erfordert auch ein anderes Signalisierungsprotokoll, eines das auf dem IP Protokoll basiert. Ein solches Protokoll ist das Session Initiation Protocol (SIP). Es ermöglicht viele verschiedene Services wie Instant Messaging, Presence und auch Sprach - und Videotelefonie. Die Effizienz und Performance des Protokolls wurde durch den Einsatz bei Service Anbietern und Anbietern von Internationalen Verbindungen ein wichtiges Thema. In der aktuellen Standarisierung konzentriert man sich auf Ende zu Ende Metriken die es erlauben die Performance verschiedener System zu vergleichen. Obwohl diese Ende zu Ende Metriken leicht Engpässe dadurch aufzeigen können, dass sich Antwortzeiten erhöhen, kann man aber nicht die verursachende Komponente identifizieren. Das ist erst dann möglich wenn man eine Metrik besitzt die zwischen den einzelnen Komponenten misst.<br />In dieser Dissertation präsentieren wir eine Sammlung von Metriken die zwischen zwei SIP Komponenten definiert ist. Diese Metriken wurden dann verwendet um zu evaluieren wie sich die SIP Performance ändert, wenn sich die Verbindungsqualität (Paketverzögerung und Paketverlustrate) ändert. Diese Evaluierung wurde primär mit Messungen in Laborumgebung durchgeführt, aber auch mittels analytischen Methoden verifiziert. In weiteren Messungen wurde untersucht wie sich die Wahl des Transportprotokolls auf die Performance von SIP auswirkt. Hier lässt sich zeigen dass jedes Protokoll bei bestimmten Szenarien effektiver ist (bezüglich Verzögerung und Datenaufkommen) als die anderen.<br />Diese Arbeit zeigt den Zusammenhang zwischen der Verbindungsqualität sowie des verwendeten Transportprotokolls und der Performance von SIP.<br />Dieses Wissen ist elementar für den effizienten Einsatz des Protokolls (minimale Verzögerung und minimales Datenaufkommen) und auch für zukünftige Ansätze für die Überlastabwehr von SIP Signalisierung.<br />

Modern telecommunication architectures like, e.g., the IP Multimedia Subsystem (IMS) propose the replacement of circuit-switched telephone networks and packet-switched data networks by a shared Internet-Protocol (IP) based infrastructure. The core functionality of these complex systems is implemented by IP-based signaling protocols which can set up, modify and tear down multimedia sessions. One prominent representant of these protocols is the Session Initiation Protocol (SIP) standardized by the Internet Engineering Task Force (IETF).<br />With increasing deployment and interconnect of SIP and IMS networks, objective SIP performance metrics become an indispensable tool for performance assessment, comparison and optimization. However, current standardization of performance metrics for SIP focuses primarily on end-to-end performance metrics, whereas we argue that transaction based hop-by-hop metrics are vital for the detection of bottlenecks in SIP networks and for specifying Service Level Agreements.<br />In this thesis, we propose new hop-by-hop transaction based performance metrics for SIP and study their appropriateness for objective performance estimation. Using several realistic SIP traffic scenarios we assess the performance of SIP in a complex laboratory environment under the influence of impairment factors like loss, delay and delay variation. These real-world measurement results are subsequently tested and verified using analytic methods. Additionally, we investigated into the impact of transport protocols on SIP hop-by-hop performance values.<br />The measurement results reveal that selection of the proper transport protocol for optimum SIP performance depends significantly on the specific scenario, as well as on network connection impairment factors.<br />Therefore, SIP hop-by-hop performance metrics and their detailed evaluation presented in this thesis emphasize the importance of parameter and transport protocol tuning for optimum SIP performance in a global environment. The results support SIP and IMS network optimization in terms of timing and traffic and provide essential knowledge for architecting and implementing reliable overload protection for Next Generation Networks.