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 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 3 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 Red PTR Terminal Servicio portador Teleservicio Terminal 4

Tráfico Información originada por un servicio de telecomunicación y entregada hacia la red que lo transporta Aplicación Aplicación Terminal 1 Nodo 1 Nodo n 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. 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) 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 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 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) 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. 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 NumLlamadas DuraciónMediaLlamada( s) N º Erlangs = 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: E B ( c, I) = c k = 0 c I c! k I k! c: nº de circuitos I: Intensidad de tráfico en Erlangs 11 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 OFF Normalmente se modela mediante 2 estados (ON y OFF) Tiempo de permanencia en cada estado sigue una distribución estadística exponencial f(t) de media t 0 EJEMPLO 30% ON Conversación Silencio Conversación Silencio t ( ) 227 0 ON OFF = ms 1 t exp = 0 ON OFF 70% ( ) t 0 t f t tiempo t ( ) 596 0 OFF ON = ms 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 ON OFF Tiempo entre paquetes Tamaño de paquete Codificador Tamaño de paquete (bytes) Tiempo entre paquetes (ms) Throughput (kbps) Calidad subjetiva (MOS: 1-5) G. 711 (PCM) 160 20 64 4.1 G. 726 80 20 32 3.85 RPE-LTP (GSM) 32.5 (260 bits) 20 13 3.5 G. 729 20 20 8 3.92 G. 723.1 20 30 5.3 3.65 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) 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 data data jitter Velocidad constante 15 Requisitos de retardo entre extremos (ITU G.114) Excelente Bueno Tolerable Mala Muy mala 0 100 200 300 400 500 Retardo (ms) 16

Servicios móviles Radiobúsqueda (paging) Radio Móvil Privada y sistemas troncales (trunking) Servicios móviles vía satélite Telefonía Móvil SMS MMS 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 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 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 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 21 Telefonía móvil: Servicios GSM (2G) Teleservicios Voz digital sobre conmutación de circuitos a 13 kbps (Full Rate, FR) ó 6.5 kbps (HalfRate, 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 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 MessageServiceCenter) que se encarga de almacenarlos hasta que son enviados Se transmite por canales de señalización 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. 24

Clases de contenidos MMS 25 Servicios de distribución de audio y vídeo Radiodifusión sonora o Analógica o Digital (DAB) Televisión Digital o TV Digital Terrestre (TDT) o TV Digital vía Satélite o TV por Cable (CATV) o Televisión por ADSL Streaming Características del tráfico de audio y video 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 Red primaria (emisores) o Red secundaria (re-emisores) Tecnología: Analógica Digital (DAB) 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 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 29 Funcionamiento de streaming Re-buffering: necesidad de llenar de nuevo el buffer por no haber más datos disponibles Interrupción en el servicio Bytes Retardo de red no constante Servidor Cliente buffer 384 kbps Re-buffering retardo buffer Tiempo (s) 30

Características del tráfico de audio Los requisitos de throughput vienen determinados por: Frecuencia de muestreo Bits/muestra Mono/estéreo Algoritmo de compresión Frecuencia muestreo Audio: Calidad CD 44.1 khz Bits /muestra 16 Mono/estéreo Throughput (sin comprimir) Throughput(comprimido) Estéreo 1.4Mbps 128kbps 31 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 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 VBR 32

Codificadores de audio Bajo Retardo Elevado retardo Formato Frec. Muestreo (khz) Canales Throughput por canal (kbps) 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 Audio Hi-Fi 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 Uso 33 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 Aplicación Transporte Red Enlace 18 bytes Ethernet EJEMPLO 20 bytes IP IP 8 bytes UDP UDP UDP 12 bytes RTP RTP RTP RTP 20 bytes, 20 ms/paq DATOS DATOS DATOS DATOS DATOS 8.0 kbps 12.8 kbps 16.0 kbps 24.0 kbps 31.2 kbps 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 α αb si / 1 f ( x) = α α + ( 1 c ) x 1 exp si x 0 2 2 > f ( x) = x 2πσ 2σ 0 resto b x b c 0 resto donde α, b 0 y b x b/c Lognormal Pareto Truncada 35 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 Audio Mono Estéreo Estéreo Bitrate (comprimido) 32-64kbps 1.5 Mbps 8 Mbps 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 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 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. Tiempo de lectura Página Paquete 1º paquete de la sesión Sesión Último paquete de la sesión 39 Modelo de tráfico web A nivel de página: Objeto principal Objetos secundarios embedded objects embedded objects main object 40

Modelo de tráfico web Variable Distribución Parámetros PDF Tamaño del objeto principal Tamaño del objeto secundario Número de objetos secundarios por página Tiempo de lectura Tiempo de procesamiento Tamaño de paquete Lognormal Truncada Lognormal Truncada Pareto Truncada Exponencial Exponencial Determinista Media = 10710 bytes Std dev = 25032 bytes Min = 100 bytes Max = 2 Mbytes Media = 7758 bytes Std dev = 126168 bytes Min = 50 bytes Max = 2 Mbytes Media = 5.64 Max = 53 Media = 30 s Media = 0.13 s ( ln x µ ) 1 2 f x = exp, x 0 2πσx 2 2 σ σ = 1.37, µ = 8.35 1 ( ln x µ ) 2 fx = exp, x 0 2πσ x 2σ 2 σ = 2.36, µ = 6.17 α α k f =, α 1 k x < m x + xα α k f =, x = m x m Nota: Restar k al número aleatorio para obtener N λx f = λ e, x 0 x λ = 0.033 λx f = λ e, x 0 x λ = 7.69 Media = (MTU - Cabeceras TCP/IP) α = 1.1, k = 2, m = 55 41 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 Tiempo entre ficheros Lognormal Truncada Exponencial Media = 2 Mbytes Std Dev = 0.722 Mbytes Max = 5 Mbytes Media = 180 s ( ln x µ ) 1 2 f x = exp, x 0 2πσx 2 2 σ σ = 0.35, µ = 14.45 λx f = λ e, x 0 x λ = 0.006 42