Improvement strategies for the signaling performance of the session initiation protocol

Abstract

Der Erfolg von Internet-Protokoll (IP) basierten paketvermittelten Netzen führt dazu, dass bereits existierende Dienste, wie zum Beispiel traditionelle Sprachkommunika- tion, angepasst, oder durch neue Alternativen ersetzt werden müssen. Gleichzeitig werden neue Dienste entwickelt, die mit bisherigen leitungsvermittelten Netzen nicht oder nur sehr schwer umsetzbar waren. Das führt in weiterer Folge zu ansteigendem Datenverkehr in solchen Netzen, speziell in besonderen Szenarien, die ein erhöhtes Datenvolumen benötigen. Als Konsequenz steigt die Wahrscheinlichkeit eines Kol- laps des ganzen Systems, wenn keine geeigneten Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Das 3rd Generation Partnership Project hat das Session Initiation Protocol (SIP) als Signalisierungsprotokoll für das IP- Multimedia Subsystem ausgewählt.<br />Dieses Protokoll hat einige bereits bekannte Nachteile bezüglich Leistungsfähigkeit unter Hochlast. Die Internet Engineering Task Force und das European Telecommunica- tions Standards Institute entwickeln bereits explizite Mechanismen, mit deren Hilfe betroffene Knoten einen anstehenden Datenstau mitteilen können. Das Ziel dieser Arbeit ist es, implizite Mechanismen zu entwickeln, die einen Datenstau ohne das explizite Mitwirken eines betroffenen Knotens erkennen können.<br />Zu diesem Zweck wird eine Simulationsumgebung entwickelt, die die Nachteile des Protokolls verifizieren kann und auch als Werkzeug für neue Entwicklungen verwendet wird. Für die Entwicklung der neuen, impliziten Mechanismen wird das Verhalten von Proxy Servern des Session Initiation Protokolls untersucht und dokumentiert. Die Ergebnisse dieser Analyse werden benützt um zwei neue Ansätze zur impliziten Datenstauerkennung zu entwickeln. Diese werden dazu verwendet, um im Falle eines erkannten Datenstaus entsprechende Gegenmaßnahmen zu ergreifen. Als Gegenmaß- nahmen präsentiert die Arbeit auf der einen Seite eine dynamische Manipulation der Timer, die das wiederholte Übertragen von SIP Nachrichten steuern. Diese Änderung gibt dem System genug Zeit zur Abarbeitung der anstehenden Last. Auf der anderen Seite wird eine bestimmter Teil der eingehenden Nachrichten abgewiesen, um die Last am betroffenen System zu reduzieren. Mit Hilfe von Simulationen wird gezeigt, dass die neuen Mechanismen funktionieren und auf das Protokoll anwendbar sind.<br />Weiters wird ein Ansatz präsentiert, der einen Teil der Verarbeitung der Nachrichten auf einen speziellen Prozessor auslagert um dem Hauptprozessor mehr Zeit für den restlichen Teil zu lassen. Messungen und Anwendungsszenarien schließen die Arbeit ab.<br />

With the upcoming success of Internet-Protocol based packet-switched networks, ex- isting services like traditional voice communication must be migrated or replaced by alternatives. At the same time, new services are deployed that have been impossible or at least hardly implementable in circuit-switched technology. That leads to in- creasing traffic in such networks, especially for specific scenarios that require a huge number of messages to be exchanged. As a consequence, the probability of a sys- tem collapse rises if not appropriately counteracted. The 3rd Generation Partnership Project has selected the Session Initiation Protocol as main signaling protocol for its Internet-Protocol Multimedia Subsystem. That protocol has some performance drawbacks that are well-known and at the time of writing, explicit congestion no- tification mechanisms have been developed by the Internet Engineering Task Force and the European Telecommunications Standards Institute. The aim of this thesis is to specify novel implicit congestion detection mechanisms and to analyze their applicability.<br />A dedicated simulation environment is developed for this purpose that is able to ver- ify the performance drawbacks of the Session Initiation Protocol and to act as tool for further developments. In order to develop counteracting mechanisms, the behavior of proxy servers of the Session Initiation Protocol is analyzed and documented. The results of this analysis form the base of two novel implicit congestion detection mech- anisms that are used as trigger for further actions in a congestion situation. First, the manipulation of the re-transmission timers of the Session Initiation Protocol enables the system to handle the upcoming load. Second, incoming requests are rejected, therefore reducing the load that is sent to the downstream host. By means of sim- ulations it is shown that the developed mechanisms perform well and are applicable to the protocol. In addition, the author presents an approach to offload a part of message processing onto a specialized processor in order to leave the main processor more time for the remainder.<br />Measurements and application scenarios that verify the assumptions complete the work.