Generic access network modeling for next generation network applications

Abstract

Convergence of circuit-switched mobile and fixed Telecom Networks and IP-based Data Networks into one single infrastructure drives the development of new IP-based network architectures, which are termed "Next Generation Networks" (NGN). Common to all of these architectures is that they are intended to replace and therefore must match with the tremendous success of their predecessors - existing GSM and fixed circuit-switched networks, and IP-based data networks. The IP Multimedia Subsystem (IMS), standardised by the 3rd Generation Partnership Project (3GPP), is one of the most promising candidates for NGN architectures with main focus on replacing the existing 2G (GSM) and 3G (UMTS) mobile circuit switched networks with IP-based technology. The access-agnostic IMS concept builds up a highly flexible Service Delivery Platform (SDP) which enables fast service creation, integration of third-party application servers, as well as reuse of existing Internet applications. However, the access-agnostic NGN service architecture imposes high demands on NGN application testing. Users expect these IMS applications to provide the same adequate user experience for a wide variety of IMS-standardised access network technologies. This requirement contrasts with reality as Quality of Service impairments in IP-based wireless and wired access networks differ fundamentally from the ones which we typically encounter in core networks. Examples include but are not limited to high delay, low bandwidth, and high jitter. Even though most NGN architectures claim to be access-agnostic, applications deployed on NGNs have requirements which may not be met by specific access technologies.<br />This raises the need to test NGN application prototypes on user acceptance for a huge number of possible access network technology combinations. Tests relying on real access network implementations are expensive and time-consuming whereas simulation at physical or logical link layer are subject to complex parameter configuration. This thesis presents a novel approach to automated NGN application testing which is based on the sound theoretical background of the IETF IP Performance Metric (IPPM) framework. We argue that careful performance metrics selection combined with their accurate assessment in existing public access networks can capture access network properties which are sufficiently accurate to model typical access links at IP-layer level using either emulation or simulation.<br />We propose a three-step model which starts with metric and methodology selection, continues with parameter acquisition by means of measurements in existing access networks, and ends with emulation or simulation of this access network. The goal of this process is to provide NGN application developers with means to automatically test their applications from the very beginning on the compatibility with various access network technologies, covering both, signalling and data streaming aspects of access networks. The proposed access network modelling process is illustrated using UMTS as reference access technology, discussing measurement results for the following metrics: round-trip delay, one-way delay, one-way loss, one-way loss patterns, IP delay variation, and bulk transfer capacity. For reference and comparison reasons Appendix A includes a set of diagrams which target metric one-way delay for a variety of access technologies including GPRS, UMTS, HSDPA, HSUPA, WiMAX, WLAN, and ADSL. We present and evaluate two distinct payload-dependent delay implementation alternatives, one based on linear approximation and one table-based which both enable NetEm, an OpenSource Linux WAN Emulator to accurately emulate access networks. We address biasing factors which are common to all payload-dependent delay emulations or simulations like, e.g., IP fragmentation, queueing aspects, or scheduling, and propose solutions. The emulator which we have implemented operates as a bridge, being fully transparent at IP layer to any test traffic. However, users or applications can configure remotely the access technology which the bridge emulates, thus enabling fully automated application testing for Next Generation Networks.<br />

Die Konvergenz leitungsvermittelter Sprachnetze und paketvermittelter Datennetze in Richtung einer gemeinsamen Infrastruktur beschleunigt die Entwicklung neuer, IP-basierter Datennetz-Architekturen, die auch unter dem Namen "Next Generation Networks" (NGN) bekannt sind. Gemeinsames, längerfristiges Ziel all dieser Architekturen ist der vollständige Ersatz von bestehenden, leitungsvermittelten Fest- und Mobilnetzen sowie von paketvermittelten IP-Datennetzen. Somit müssen sich die neuen Architekturen am Erfolg ihrer überaus erfolgreichen Vorgänger messen, wie z.B. dem bestehenden 2G Mobilfunk-Sprachnetz entsprechend dem GSM-Standard. Das vom 3rd Generation Partnership Project (3GPP) standardisierte IP Multimedia Subsystem (IMS) ist einer der vielversprechendsten Kandidaten für den Ersatz bestehender mobiler Sprach- und Datennetze. Die IMS-Architektur abstrahiert von der konkreten Technologie der Zugriffsnetze und bietet eine horizontal strukturierte Dienstplattform an, die rasche Implementierung und Integration neuer Dienste ermöglicht.<br />Gleichzeitig erleichtert IMS aber auch die effiziente Einbindung von Dienste-Drittanbietern sowie den Zugriff auf bestehende Internet-Applikationen.<br />Zu berücksichtigen ist jedoch, dass die für NGN typische Abstraktion von Zugriffsnetzen zwar Erleichterungen für den Kunden bringt, gleichzeitig jedoch höhere Anforderungen an das Testen von NGN-Anwendungen und -Diensten zur Folge hat. Kunden erwarten von IMS, unabhängig von der Technologie des Zugriffsnetzes und der konkreten Anwendung, gleichbleibende, zufriedenstellende Dienstgüte (Quality of Service bzw. Quality of Experience). Jedoch unterscheiden sich die Dienstgüte-Parameter von Zugriffsnetzen grundlegend, abhängig von deren Technologie und Auslastung.<br />Beispiele von Faktoren, die typischerweise die Übertragung von Sprache in mobilen Funknetzen beeinträchtigen, sind etwa hohe Verzögerung, hoher Paketverlust sowie signifikante Variabilität der Verzögerung (Jitter).<br />Für Entwickler von NGN Anwendungen hat das zur Folge, dass diese ihre Applikationen auf korrekte Funktion mit allen von IMS unterstützten Zugriffstechnologien testen müssen -- sowohl im Heimnetz des Betreibers als auch in möglichen Fremdnetzen.<br />Diese Dissertation stellt ein Modell vor, das automatisiertes Testen von NGN-Anwendungen für unterschiedliche Zugriffstechnologien ermöglicht.<br />Aufbauend auf das von der IETF in RFC~2330 standardisierte IP Performance Metrics (IPPM) Rahmenwerk wird ein Prozess aus drei spezifischen Schritten definiert: (1) Auswahl von Metriken, die den formalen Kriterien des IPPM genügen, und Definition geeigneter Messverfahren, (2) Anwendung der Messverfahren, um die Werte der Metriken für real existierende Zugriffsnetze zu ermitteln, gefolgt von (3) Emulation oder Simulation dieser Zugriffsnetze anhand der zuvor ermittelten Daten. Es wird gezeigt, wie sorgfältige Analyse sowie Auswahl von Metriken und Messmethoden die notwendige Genauigkeit sicherstellen, um das typische Verhalten von Zugriffsnetzen auf IP-Ebene modellieren, d.h. emulieren oder simulieren zu können. Erklärtes Ziel des vorgestellten Prozesses ist, Entwicklern von NGN-Anwendungen die Möglichkeit zu bieten, ihre Anwendungen automatisiert auf deren Eignung für eine hohe Anzahl unterschiedlicher Zugriffsnetz-Technologien testen zu können. Der vorgestellte, theoretische Prozess der Zugriffsnetz-Modellierung wird anhand von Metrik-Auswahl und Messungen erläutert, die die präzise Emulation eines bestehenden UMTS Netzes ermöglichen. UMTS-Messergebnisse für sechs unterschiedliche Metriken des IPPM werden analysiert und Verzögerung sowie Datendurchsatz mit anderen Zugriffstechnologien verglichen. Darüber hinaus vergleicht Annex A Verzögerung und Datendurchsatz für eine große Anzahl von Zugriffsnetz-Technologien anhand von Diagrammen und Histogrammen, einschliesslich die Technolgien GPRS, UMTS, HSDPA, HSUPA, WiMAX, WLAN und ADSL. Die Dissertation stellt zwei unterschiedliche Konzepte der Emulation und Simulation vor: lineare Approximation und tabellenbasierte Verzögerung.<br />Diese Verfahren erlauben als Erweiterung eines bestehenden Netzemulators paketgrößen-gesteuerte Verzögerung in Echtzeit und somit die Emulation beliebiger Zugriffsnetze. Der störende Einfluß von Faktoren wie etwa IP Fragmentierung, Warteschlangen oder Scheduling im Funknetz auf die Anwendbarkeit paketgrößen-gesteuerter Verzögerung wird untersucht, und es werden Lösungen dafür vorgeschlagen. Ferner werden Vorzüge und Nachteile der beiden Emulationsverfahren anhand der Messergebnisse für einen modifizierten OpenSource Emulator NetEm verglichen, wobei der Emulator als Bridge geschaltet ist und dadurch transparent auf IP-Ebene zwischen zwei Ethernet-Knoten eingefügt werden kann. Anwender oder Applikationen können jedoch die von der Bridge emulierte Zugriffstechnologie über IP-basierte Protokolle fernsteuern, wodurch eine voll automatisierte Testumgebung für NGN-Anwendungen geschaffen wird.<br />