modelado de servicios

SIMULACIÓN DE PROTOCOLOS DE ENRUTAMIENTO
PARA REDES MÓVILES AD-HOC MEDIANTE
HERRRAMIENTA DE SIMULACIÓN NS-3
MODELADO DE SERVICIOS
Contenidos
1. Introducción
2. Servicio telefónico
3. Servicios móviles
4. Servicios de distribución de audio y video
5. Servicios de datos
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
Loja - 2014
2
Definición de Servicio de Telecomunicación
• Conjunto de facilidades y medios (físicos y lógicos) gestionados
por un proveedor de servicio que éste pone a disposición de los
usuarios, con unas normas de acceso y utilización, para
satisfacer las necesidades de telecomunicaciones de los
clientes
• Elementos necesarios:
• Elementos físicos (equipos, medios de transmisión, etc.) y
lógicos (protocolos, señalización)
• Proveedor de servicios
• Clientes o usuarios del servicio
• Información que se intercambia
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
3
Loja - 2014
Clasificación de los servicios (ITU)
Servicios Portadores
Proporcionan la capacidad necesaria para la transmisión de señales
entre puntos de terminación de red (PTR) normalizados (pueden usar
redes conmutadas o no conmutadas). Ej: ADSL
Servicios Finales o Teleservicios
Proporcionan la capacidad completa para la comunicación entre
usuarios, incluidas las funciones del equipo terminal, según
procedimientos específicos de cada servicio. Ej: Videoconferencia
PTR
Terminal
Red
Servicio portador
PTR
Terminal
Teleservicio
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
Loja - 2014
4
Tráfico
Información originada por un servicio de telecomunicación
y entregada hacia la red que lo transporta
Aplicación
Aplicación
Terminal 1
Nodo n
Nodo 1
Terminal 2
Las características del tráfico dependen del servicio y del
modo en que los datos son transportados
• Conmutación de circuitos vs. paquetes
• Servicios de voz, video, datos, etc.
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
Loja - 2014
5
Definición del modelo de tráfico
Abstracción matemática, más o menos compleja, que
trata de representar alguna o varias características
estadísticas de un tipo de tráfico real
Utilidad: análisis, diseño y/o optimización de redes y
servicios mediante
• resultados de simulación con modelos de tráfico
• análisis matemático (ej. Tª de colas para tráfico de Poisson)
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
Loja - 2014
6
Servicio telefónico
Telefonía básica: comunicación de voz entre terminales
telefónicos conectados a PTR de la RTB
Rango de frecuencias audibles: 20Hz-20kHz
• El canal vocal telefónico se limita a 300-3400Hz
Transmisión analógica en el bucle de abonado y digital en
el resto
El servicio telefónico básico incluye:
• Número telefónico perteneciente a la red pública
• Instalación de un PTR (la alimentación del teléfono proviene
de la central local)
• Buzón de voz
• Facturación detallada
Posibilidad de contratar servicios suplementarios
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
Loja - 2014
7
Red inteligente
En los sistemas de comunicación previos a la Red
Inteligente (RI), todos los elementos residen en los
sistemas de conmutación
Servicios resultantes:
• Poca flexibilidad
• No existe acceso a datos centralizados
RED INTELIGENTE: Plataforma basada en la interconexión
de nodos, donde residen aplicaciones informáticas,
centrales de conmutación y sistemas de bases de datos
en tiempo real, para proveer la generación de servicios
• Arquitectura de red orientada a servicios
• Facilita el desarrollo, control y gestión de dichos servicios
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
Loja - 2014
8
Otros servicios asociados a la Red Telefónica
Transmisión de datos (servicios portadores)
• Módem en banda vocal
hasta 56kbps
• Módem ADSL
hasta 6.1Mbps
• Red Digital de Servicios Integrados (RDSI)
o
Acceso básico (BRI): 144kbps (o hasta 2 canales de voz)
o
Acceso primario (PRI): 2Mbps (o hasta 30 canales de voz)
Transmisión de imágenes
• Fax: transmisión de imagen digital a ≈9600 bps (Grupo III)
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
Loja - 2014
9
Voz sobre IP (VoIP)
Objetivo: transmisión de voz usando IP como
portadora de la voz
• La voz es codificada y transmitida sobre redes de
conmutación de paquetes y no sobre redes de
conmutación de circuitos
Además de digitalizar la voz es necesario ofrecer
todas las funciones propias de una red telefónica:
• Señalización (llamada)
• Servicios suplementarios: reenvío de llamadas,
mensajería, etc.
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
Loja - 2014
10
Características del tráfico de voz
Voz sobre conmutación de circuitos
La intensidad de tráfico de voz se suele medir en Erlangs
1 Erlang = 1 circuito en uso durante 1 hora
N º Erlangs =
NumLlamadas ⋅ DuraciónMediaLlamada( s )
3600s
Duración de la llamada
Tendencia exponencial negativa
Valor medio típico: 2 o 3 minutos
Se suele aplicar la fórmula de Erlang-B para
determinar la probabilidad de bloqueo:
Ic
E B (c , I ) = c c ! k
I
∑
k =0 k !
c: nº de circuitos
I: Intensidad de tráfico en Erlangs
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
11
Loja - 2014
Características del tráfico de voz
Voz sobre conmutación de paquetes
El tráfico de voz (sobre paquetes) se caracteriza por tener
períodos de conversación (ON) y silencio (OFF)
Throughput
Tasa constante (CBR)
ON
OFF
ON
Conversación
Silencio
OFF
Conversación
tiempo
Silencio
Normalmente se modela mediante 2 estados (ON y OFF)
Tiempo de permanencia en cada estado sigue una distribución
estadística exponencial f(t) de media t0
t0 (ON → OFF ) = 227 ms
EJEMPLO
≈30%
ON
OFF
≈70%
f (t ) =
 t 
1
exp − 
t0
 t0 
t0 (OFF → ON ) = 596 ms
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
Loja - 2014
12
Características del tráfico de voz
Voz sobre conmutación de paquetes
Durante el período ON, se suele modelar asumiendo constantes
los dos parámetros básicos que controlan la fuente:
Tamaño medio de paquete
Tiempo medio entre paquetes
OFF
ON
OFF
Tiempo entre paquetes
Codificador
Tamaño de
paquete (bytes)
G. 711 (PCM)
160
G. 726
80
RPE-LTP (GSM) 32.5 (260 bits)
G. 729
20
G. 723.1
20
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
ON
OFF
Tamaño de paquete
Tiempo entre
paquetes (ms)
20
20
20
20
30
Throughput Calidad subjetiva
(kbps)
(MOS: 1-5)
64
4.1
32
3.85
13
3.5
8
3.92
5.3
3.65
Loja - 2014
13
Requisitos de calidad del servicio de voz
Velocidad garantizada
• Depende de la tasa binaria generada por el codificador
Calidad de la voz
• Bit Error Rate (BER) < 10-6 (ITU G.113)
Retardo bajo
• Para telefonía de calidad: <200 ms extremo a extremo
(ITU G.114)
Mínimo jitter (variación del retardo)
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
Loja - 2014
14
Reducción del jitter en redes de paquetes
Forma de minimizar el efecto del jitter
• Pequeño buffer a nivel de aplicación (0-75ms)
• Amortigua las variaciones del retardo
• Proporciona una tasa constante a su salida
• Paquetes con retardo demasiado alto son descartados
Buffer (0-75ms)
data
data
data
data
data
data
data
jitter
data
data
Velocidad constante
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
15
Loja - 2014
Requisitos de retardo entre extremos (ITU G.114)
Excelente
Bueno
Tolerable
Mala
Muy mala
0
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
100
200
300
Loja - 2014
400
500
Retardo (ms)
16
Servicios móviles
•
•
•
•
•
•
Radiobúsqueda (paging)
Radio Móvil Privada y sistemas troncales (trunking)
Servicios móviles vía satélite
Telefonía Móvil
SMS
MMS
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
Loja - 2014
17
Radiobúsqueda (paging)
El sistema envía un aviso a un usuario en particular o
grupo de usuarios
• El aviso puede consistir en un bip, cadena de caracteres
Servicio unidireccional
Los primeros sistemas datan de los años 60
Existen sistemas de cobertura reducida, local o amplia
Se basa en una red de estaciones emisoras
Receptores sencillos, baratos y de bajo consumo
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
Loja - 2014
18
Radio Móvil Privada y Sistemas Troncales
Servicio de radiotelefonía de grupo cerrado de usuarios
Bidireccional (semidúplex o full-dúplex)
Conexión directa entre terminales móviles
Requiere disciplina de uso
Alcances reducidos
Sistema troncal (trunking)
• Varios grupos cerrados de usuarios comparten
infraestructuras y recursos radio
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
Loja - 2014
19
Servicios móviles vía satélite
Servicios móviles marítimo y aeronáutico
• Primeros servicios vía redes terrestres a baja frecuencia
• Actualmente: redes de satélites en órbita de gran cobertura
(INMARSAT, IRIDIUM, GLOBALSTAR, ODYSSEY)
Servicios de control de flotas
• Gestión de vehículos
• Comunicación de voz y datos
• Llamadas de emergencia
• Ejemplo: EUTELTRACS
Posicionamiento
• Cálculo de la posición mediante retardos de propagación
• Ejemplo: GPS, GALILEO, GLONASS, BEIDOU
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
Loja - 2014
20
Telefonía móvil
Sistema de comunicaciones inalámbricas y móviles que
proporciona los mismos servicios que la red de telefonía
fija clásica
Bidireccional (full-dúplex), no requiere disciplina de uso
por parte del usuario
No hay conexión directa entre terminales, siempre a
través de estaciones base (posibilitando tarificación)
Conexión con otras redes de telefonía y de datos
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
Loja - 2014
21
Telefonía móvil: Servicios GSM (2G)
Teleservicios
• Voz digital sobre conmutación de circuitos a 13 kbps (Full
Rate, FR) ó 6.5 kbps (Half Rate, HR)
• Mensajes cortos (SMS)
• Fax (grupo III)
• Mensajes Multimedia (MMS)
Requiere soporte GPRS
Servicios portadores
• Transmisión de datos hasta 9600 bps (o mayores con GPRS)
Servicios suplementarios
• Buzón de voz
• Desvío / retención de llamadas
• Restricción de llamadas
• Indicación de llamada en espera
• Ocultación de identidad
• Multiconferencia
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
Loja - 2014
22
Servicio de Mensajes Cortos (SMS)
Intercambio de mensajes de texto entre terminales
móviles
Garantiza la recepción de los mensajes aunque los
destinatarios no se encuentren disponibles en el momento
de la transmisión
Los mensajes de texto son procesados por un centro de
mensajes cortos (SMSC, Short Message Service Center) que
se encarga de almacenarlos hasta que son enviados
Se transmite por canales de señalización
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
Loja - 2014
23
Servicio de Mensajería Multimedia (MMS)
Permite enviar y recibir en un mismo mensaje: texto con
formato, sonido, imágenes, animaciones y/o vídeo a otro
teléfono móvil o a una dirección de correo
Un MMS consiste en un paquete de datos dividido en
objetos que pueden contener imágenes, sonidos o texto
El paquete incluye una cabecera que muestra el origen y
destino del paquete
El lenguaje de presentación de los mensajes es el SMIL
(Synchronized Multimedia Integration Language)
• SMIL consiste en un conjunto de etiquetas XML que describen
el contenido, sincronización, temporización, posición, etc.
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
Loja - 2014
24
Clases de contenidos MMS
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
Loja - 2014
25
Servicios de distribución de audio y vídeo
• Radiodifusión sonora
o
o
Analógica
Digital (DAB)
• Televisión Digital
o
o
o
o
TV Digital Terrestre (TDT)
TV Digital vía Satélite
TV por Cable (CATV)
Televisión por ADSL
• Streaming
• Características del tráfico de audio y video
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
Loja - 2014
26
Radiodifusión sonora
Servicio de radiodifusión unidireccional de audio
mediante ondas electromagnéticas desde un centro de
difusión y destinada a la recepción del público en general
Pueden emplear redes terrenales o de satélite
• Red Terrenal:
o
o
Red primaria (emisores)
Red secundaria
(re-emisores)
Tecnología:
• Analógica
• Digital (DAB)
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
Loja - 2014
27
Televisión digital
Difusión de las señales de TV que utiliza la tecnología
digital para transmitir video/audio, y opcionalmente,
otros servicios interactivos
Ventajas de la TV digital frente a la analógica
Mejor calidad tanto de imagen como de sonido
Facilita la incorporación de nuevos servicios
Mayor número de canales
Tecnologías de acceso a la Televisión Digital:
Ondas Terrestres (TDT)
Satélite
Cable (CATV)
ADSL
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
Loja - 2014
28
Tecnología streaming
Surgió en 1995 como nueva forma de difusión de
contenidos multimedia
El contenido de vídeo y/o audio es transmitido en “flujo”
(stream), el cual es consumido por la aplicación receptora
a medida que van llegando los datos que lo componen
Unidireccional (video/audio), Bidireccional (señalización)
Arquitectura cliente-servidor
Red
Buffering
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
29
Loja - 2014
Funcionamiento de streaming
Re-buffering: necesidad de llenar de nuevo el buffer por no
haber más datos disponibles
• Interrupción en el servicio
Servidor
Cliente
Bytes
Retardo de
red no
constante
buffer
Re-buffering
384 kbps
retardo
buffer
Tiempo (s)
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
Loja - 2014
30
Características del tráfico de audio
Los requisitos de throughput vienen determinados por:
•
•
•
•
Frecuencia de muestreo
Bits/muestra
Mono/estéreo
Algoritmo de compresión
Audio:
Calidad CD
Frecuencia muestreo
44.1 kHz
Bits /muestra
16
Mono/estéreo
Estéreo
Throughput (sin comprimir)
1.4Mbps
Throughput (comprimido)
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
≈ 128kbps
31
Loja - 2014
Características del tráfico de audio
Dependiendo del algoritmo de compresión, el throughput
resultante puede ser CBR o VBR (preferente)
• Mayor compresión implica menor calidad y mayor consumo
de CPU
Throughput
VBR
CBR
tiempo
La compresión MPEG es la más eficiente y da mayor
calidad (proporciona tráfico VBR), pero consume mucha
CPU e introduce mucho retardo
• Se utiliza para audio de alta calidad
• No puede emplearse en aplicaciones interactivas como la
videoconferencia o voz sobre IP
La familia de compresores G.72x son menos eficientes
pero más rápidos
usados para servicios interactivos
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
Loja - 2014
32
Codificadores de audio
Formato
Frec. Muestreo
(kHz)
Canales
Throughput por
canal (kbps)
Uso
PCM (G.711)
8
1
64
Telefonía
ADPCM (G.721)
8
1
32
Telefonía
SB-ADPCM (G.722)
16
1
48/56/64
Vídeoconferenc.
MP-MLQ (G.723.1)
8
1
6,3/5,3 variable
Telefonía Internet
ADPCM (G.726)
8
1
16/24/32/40
Telefonía
E-ADPCM (G.727)
8
1
16/24/32/40
Telefonía
LD-CELP (G.728)
8
1
16
Telefonía/Videoc.
CS-ACELP (G.729)
8
1
8
Telefonía Internet
RPE-LTP (GSM 06.10)
8
1
13
Telefonía GSM
CELP (FS 1016)
8
1
4,8
LPC-10E (FS 1015)
8
1
2,4
CD-DA / DAT
44,1 / 48
2
705,6/768
MPEG-1 Layer I
32 / 44,1 / 48
2
192-256 variable
MPEG-1 Layer II
32 / 44,1 / 48
2
96-128 variable
MPEG-1 Layer III (MP3)
32 / 44,1 /48
2
64 variable
Hi-Fi Internet
MPEG-2 AAC
32 / 44,1 / 48
5.1
32-44 variable
Hi-Fi Internet
Bajo
Retardo
Elevado
retardo
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
Audio Hi-Fi
33
Loja - 2014
Modelo de tráfico de audio
Sin períodos de silencio
Se suele modelar:
Tiempo entre paquetes:
o
Fijo o variable (10–50 ms)
• Tamaño de los paquetes
o
Paquetes de pequeño tamaño, fijo o variable (20-160 bytes)
o
Eficiencia baja en Internet debido a las cabeceras
EJEMPLO
Aplicación
12 bytes
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
8.0 kbps
RTP
DATOS
12.8 kbps
UDP
RTP
DATOS
16.0 kbps
IP
UDP
RTP
DATOS
24.0 kbps
IP
UDP
RTP
DATOS
31.2 kbps
20 bytes
18 bytes
Enlace Ethernet
DATOS
8 bytes
Transporte
Red
20 bytes, 20 ms/paq
Loja - 2014
34
Modelo de tráfico de audio
Cuando el tráfico es VBR, alguno de los 2 parámetros
(tiempo entre paquetes, tamaño de paquete) es variable
• En ese caso, se suele utilizar una PDF Lognormal o Pareto
Truncada para esas variables

 − ( ln x − µ )2 
1

exp 
 si x > 0
f ( x) =  x 2πσ 2
2σ 2



resto
0

α bα
si b ≤ x ≤ b / c

f ( x) =  (1 − cα ) xα +1

0
resto

donde α, b ≥ 0 y b ≤ x ≤ b/c
Pareto
Truncada
Lognormal
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
35
Loja - 2014
Tráfico de vídeo
Los compresores de video pueden proporcionar una tasa:
• CBR (más sencilla la codificación y decodificación)
• VBR (mejor calidad y eficiencia de compresión)
Los estándares de compresión de video más extendidos
(MPEG-2 = H.262, H.263, MPEG-4 = H.264) utilizan VBR
debido a que utilizan compresión espacial y temporal
Audio+Video:
QCIF
Audio+Video:
Resolución SD
Audio+Video:
Resolución HD720p
Tamaño
176x144
720x576
1280x720
Fotogramas/s
8-15 fps
25 fps
50 fps
Mono
Estéreo
Estéreo
≈ 32-64kbps
≈ 1.5 Mbps
≈ 8 Mbps
Audio
Bitrate
(comprimido)
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
Loja - 2014
36
Ejemplo de modelo de tráfico de vídeo
PDF Pareto Truncada (ó Log-normal) para el tamaño de
los paquetes y tiempo entre paquetes
Velocidad
Media
Tamaño de paquete
Tiempo entre paquetes
64 kbps
Distribución: Pareto truncada
Media = 50 bytes
Max = 250 bytes
α = 1.2
Distribución: Pareto truncada
Mean = 6 ms
Max = 12.5 ms
α = 1.2
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
Loja - 2014
37
Características del tráfico de datos
Muy dependiente de la aplicación en particular
Los modelos de tráfico más extendidos están asociados a:
• Tráfico web
• Transferencia de ficheros
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
Loja - 2014
38
Modelo de tráfico web
Suele utilizarse un modelo estructural de varios niveles:
• NIVEL DE SESIÓN: Desde que abre el navegador hasta que
termina de navegar. Está formado por la lectura de 1 ó más
páginas web.
• NIVEL DE PÁGINA: Consulta por parte del usuario de una
página Web, formada por un conjunto de ficheros (HTML,
sonido, imágenes estáticas, vídeo), que serán transferidos a
través de una o varias conexiones TCP.
• NIVEL DE PAQUETE: definido por el tamaño de los paquetes
y el tiempo entre llegadas de los mismos.
Página
Tiempo de lectura
1º paquete
de la sesión
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
Sesión
Loja - 2014
Paquete
Último paquete
de la sesión
39
Modelo de tráfico web
embedded
objects
A nivel de página:
• Objeto principal
• Objetos secundarios
embedded
objects
main object
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
Loja - 2014
40
Modelo de tráfico web
Variable
Distribución
Parámetros
PDF
Tamaño del
objeto principal
Lognormal
Truncada
Media = 10710 bytes
Std dev = 25032 bytes
Min = 100 bytes
Max = 2 Mbytes
 − (ln x − µ )2 
, x ≥ 0
2 πσx

 2σ 2
σ = 1.37, µ = 8.35
Tamaño del
objeto
secundario
Lognormal
Truncada
Media = 7758 bytes
Std dev = 126168 bytes
Min = 50 bytes
Max = 2 Mbytes
Número de
objetos
secundarios por
página
Pareto
Truncada
Media = 5.64
Max = 53
1
fx =
exp 
 −( ln x − µ ) 2 
, x ≥ 0
2
2πσ x
 2σ

σ = 2.36, µ = 6.17
fx =
1
exp 
α
α
αk
f x = α +1 , k ≤ x < m
k
f x = 
m
x
,x = m
α = 1.1, k = 2, m = 55
Nota: Restar k al número
aleatorio para obtener N
Tiempo de
lectura
Exponencial
Tiempo de
procesamiento
Exponencial
Tamaño de
paquete
Determinista
Media = 30 s
f x = λe
− λx
,x ≥ 0
λ = 0.033
Media = 0.13 s
f x = λe
− λx
,x ≥ 0
λ = 7.69
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
Media = (MTU - Cabeceras TCP/IP)
41
Loja - 2014
Modelo de tráfico FTP
Suele utilizarse un modelo de 2 parámetros:
• Tamaño medio de fichero
• Tiempo entre ficheros
Variable
Distribución
Parámetros
PDF
Tamaño de fichero
Lognormal
Truncada
Media = 2 Mbytes
Std Dev = 0.722 Mbytes
Max = 5 Mbytes
Exponencial
Media = 180 s
 − (ln x − µ )2 
, x ≥ 0
2πσx

 2σ 2
σ = 0.35, µ = 14.45
− λx
,x ≥ 0
f x = λe
Tiempo entre
ficheros
Simulación de Protocolos de
Enrutamiento para MANET con
ns-3
fx =
1
exp 
λ = 0.006
Loja - 2014
42