Presence Traffic Optimization Techniques

With the growth of presence-based services, it is important to provision the network to support high traffic and load generated by presence services. Presence event distribution systems amplify a single incoming PUBLISH message into possibly numerous outgoing NOTIFY messages from the server. This can increase the network load on inter-domain links and can potentially disrupt other QoS-sensitive applications. In this document, we present existing as well as new techniques that can be used to reduce presence traffic both in inter-domain and intra-domain scenarios. Specifically, we propose two new techniques: sending common NOTIFY for multiple watchers and batched notifications. We also propose some generic heuristics that can be used to reduce network traffic due to presence

Optimizing IETF multimedia signaling protocols and architectures in 3GPP networks : an evolutionary approach

Signaling in Next Generation IP-based networks heavily relies in the family of multimedia signaling protocols defined by IETF. Two of these signaling protocols are RTSP and SIP, which are text-based, client-server, request-response signaling protocols aimed at enabling multimedia sessions over IP networks. RTSP was conceived to set up streaming sessions from a Content / Streaming Server to a Streaming Client, while SIP was conceived to set up media (e.g.: voice, video, chat, file sharing, …) sessions among users. However, their scope has evolved and expanded over time to cover virtually any type of content and media session. As mobile networks progressively evolved towards an IP-only (All-IP) concept, particularly in 4G and 5G networks, 3GPP had to select IP-based signaling protocols for core mobile services, as opposed to traditional SS7-based protocols used in the circuit-switched domain in use in 2G and 3G networks. In that context, rather than reinventing the wheel, 3GPP decided to leverage Internet protocols and the work carried on by the IETF. Hence, it was not surprise that when 3GPP defined the so-called Packet-switched Streaming Service (PSS) for real-time continuous media delivery, it selected RTSP as its signaling protocol and, more importantly, SIP was eventually selected as the core signaling protocol for all multimedia core services in the mobile (All-)IP domain. This 3GPP decision to use off-the-shelf IETF-standardized signaling protocols has been a key cornerstone for the future of All-IP fixed / mobile networks convergence and Next Generation Networks (NGN) in general. In this context, the main goal of our work has been analyzing how such general purpose IP multimedia signaling protocols are deployed and behave over 3GPP mobile networks. Effectively, usage of IP protocols is key to enable cross-vendor interoperability. On the other hand, due to the specific nature of the mobile domain, there are scenarios where it might be possible to leverage some additional “context” to enhance the performance of such protocols in the particular case of mobile networks. With this idea in mind, the bulk of this thesis work has consisted on analyzing and optimizing the performance of SIP and RTSP multimedia signaling protocols and defining optimized deployment architectures, with particular focus on the 3GPP PSS and the 3GPP Mission Critical Push-to-Talk (MCPTT) service. This work was preceded by a detailed analysis work of the performance of underlying IP, UDP and TCP protocol performance over 3GPP networks, which provided the best baseline for the future work around IP multimedia signaling protocols. Our contributions include the proposal of new optimizations to enhance multimedia streaming session setup procedures, detailed analysis and optimizations of a SIP-based Presence service and, finally, the definition of new use cases and optimized deployment architectures for the 3GPP MCPTT service. All this work has been published in the form of one book, three papers published in JCR cited International Journals, 5 articles published in International Conferences, one paper published in a National Conference and one awarded patent. This thesis work provides a detailed description of all contributions plus a comprehensive overview of their context, the guiding principles beneath all contributions, their applicability to different network deployment technologies (from 2.5G to 5G), a detailed overview of the related OMA and 3GPP architectures, services and design principles. Last but not least, the potential evolution of this research work into the 5G domain is also outlined as well.Els mecanismes de Senyalització en xarxes de nova generació es fonamenten en protocols de senyalització definits per IETF. En particular, SIP i RTSP són dos protocols extensibles basats en missatges de text i paradigma petició-resposta. RTSP va ser concebut per a establir sessions de streaming de continguts, mentre SIP va ser creat inicialment per a facilitar l’establiment de sessions multimèdia (veu, vídeo, xat, compartició) entre usuaris. Tot i així, el seu àmbit d’aplicació s’ha anat expandint i evolucionant fins a cobrir virtualment qualsevol tipus de contingut i sessió multimèdia. A mesura que les xarxes mòbils han anat evolucionant cap a un paradigma “All-IP”, particularment en xarxes 4G i 5G, 3GPP va seleccionar els protocols i arquitectures destinats a gestionar la senyalització dels serveis mòbils presents i futurs. En un moment determinat 3GPP decideix que, a diferència dels sistemes 2G i 3G que fan servir protocols basats en SS7, els sistemes de nova generació farien servir protocols estandarditzats per IETF. Quan 3GPP va començar a estandarditzar el servei de Streaming sobre xarxes mòbils PSS (Packet-switched Streaming Service) va escollir el protocol RTSP com a mecanisme de senyalització. Encara més significatiu, el protocol SIP va ser escollit com a mecanisme de senyalització per a IMS (IP Multimedia Subsystem), l’arquitectura de nova generació que substituirà la xarxa telefònica tradicional i permetrà el desplegament de nous serveis multimèdia. La decisió per part de 3GPP de seleccionar protocols estàndards definits per IETF ha representat una fita cabdal per a la convergència del sistemes All-IP fixes i mòbils, i per al desenvolupament de xarxes NGN (Next Generation Networks) en general. En aquest context, el nostre objectiu inicial ha estat analitzar com aquests protocols de senyalització multimèdia, dissenyats per a xarxes IP genèriques, es comporten sobre xarxes mòbils 3GPP. Efectivament, l’ús de protocols IP és fonamental de cara a facilitar la interoperabilitat de solucions diferents. Per altra banda, hi ha escenaris a on és possible aprofitar informació de “context” addicional per a millorar el comportament d’aquests protocols en al cas particular de xarxes mòbils. El cos principal del treball de la tesi ha consistit en l’anàlisi i optimització del rendiment dels protocols de senyalització multimèdia SIP i RTSP, i la definició d’arquitectures de desplegament, amb èmfasi en els serveis 3GPP PSS i 3GPP Mission Critical Push-to-Talk (MCPTT). Aquest treball ha estat precedit per una feina d’anàlisi detallada del comportament dels protocols IP, TCP i UDP sobre xarxes 3GPP, que va proporcionar els fonaments adequats per a la posterior tasca d’anàlisi de protocols de senyalització sobre xarxes mòbils. Les contribucions inclouen la proposta de noves optimitzacions per a millorar els procediments d’establiment de sessions de streaming multimèdia, l’anàlisi detallat i optimització del servei de Presència basat en SIP i la definició de nous casos d’ús i exemples de desplegament d’arquitectures optimitzades per al servei 3GPP MCPTT. Aquestes contribucions ha quedat reflectides en un llibre, tres articles publicats en Revistes Internacionals amb índex JCR, 5 articles publicats en Conferències Internacionals, un article publicat en Congrés Nacional i l’adjudicació d’una patent. La tesi proporciona una descripció detallada de totes les contribucions, així com un exhaustiu repàs del seu context, dels principis fonamentals subjacents a totes les contribucions, la seva aplicabilitat a diferents tipus de desplegaments de xarxa (des de 2.5G a 5G), així una presentació detallada de les arquitectures associades definides per organismes com OMA o 3GPP. Finalment també es presenta l’evolució potencial de la tasca de recerca cap a sistemes 5G.Postprint (published version

Optimizing IETF multimedia signaling protocols and architectures in 3GPP networks : an evolutionary approach

Signaling in Next Generation IP-based networks heavily relies in the family of multimedia signaling protocols defined by IETF. Two of these signaling protocols are RTSP and SIP, which are text-based, client-server, request-response signaling protocols aimed at enabling multimedia sessions over IP networks. RTSP was conceived to set up streaming sessions from a Content / Streaming Server to a Streaming Client, while SIP was conceived to set up media (e.g.: voice, video, chat, file sharing, …) sessions among users. However, their scope has evolved and expanded over time to cover virtually any type of content and media session. As mobile networks progressively evolved towards an IP-only (All-IP) concept, particularly in 4G and 5G networks, 3GPP had to select IP-based signaling protocols for core mobile services, as opposed to traditional SS7-based protocols used in the circuit-switched domain in use in 2G and 3G networks. In that context, rather than reinventing the wheel, 3GPP decided to leverage Internet protocols and the work carried on by the IETF. Hence, it was not surprise that when 3GPP defined the so-called Packet-switched Streaming Service (PSS) for real-time continuous media delivery, it selected RTSP as its signaling protocol and, more importantly, SIP was eventually selected as the core signaling protocol for all multimedia core services in the mobile (All-)IP domain. This 3GPP decision to use off-the-shelf IETF-standardized signaling protocols has been a key cornerstone for the future of All-IP fixed / mobile networks convergence and Next Generation Networks (NGN) in general. In this context, the main goal of our work has been analyzing how such general purpose IP multimedia signaling protocols are deployed and behave over 3GPP mobile networks. Effectively, usage of IP protocols is key to enable cross-vendor interoperability. On the other hand, due to the specific nature of the mobile domain, there are scenarios where it might be possible to leverage some additional “context” to enhance the performance of such protocols in the particular case of mobile networks. With this idea in mind, the bulk of this thesis work has consisted on analyzing and optimizing the performance of SIP and RTSP multimedia signaling protocols and defining optimized deployment architectures, with particular focus on the 3GPP PSS and the 3GPP Mission Critical Push-to-Talk (MCPTT) service. This work was preceded by a detailed analysis work of the performance of underlying IP, UDP and TCP protocol performance over 3GPP networks, which provided the best baseline for the future work around IP multimedia signaling protocols. Our contributions include the proposal of new optimizations to enhance multimedia streaming session setup procedures, detailed analysis and optimizations of a SIP-based Presence service and, finally, the definition of new use cases and optimized deployment architectures for the 3GPP MCPTT service. All this work has been published in the form of one book, three papers published in JCR cited International Journals, 5 articles published in International Conferences, one paper published in a National Conference and one awarded patent. This thesis work provides a detailed description of all contributions plus a comprehensive overview of their context, the guiding principles beneath all contributions, their applicability to different network deployment technologies (from 2.5G to 5G), a detailed overview of the related OMA and 3GPP architectures, services and design principles. Last but not least, the potential evolution of this research work into the 5G domain is also outlined as well.Els mecanismes de Senyalització en xarxes de nova generació es fonamenten en protocols de senyalització definits per IETF. En particular, SIP i RTSP són dos protocols extensibles basats en missatges de text i paradigma petició-resposta. RTSP va ser concebut per a establir sessions de streaming de continguts, mentre SIP va ser creat inicialment per a facilitar l’establiment de sessions multimèdia (veu, vídeo, xat, compartició) entre usuaris. Tot i així, el seu àmbit d’aplicació s’ha anat expandint i evolucionant fins a cobrir virtualment qualsevol tipus de contingut i sessió multimèdia. A mesura que les xarxes mòbils han anat evolucionant cap a un paradigma “All-IP”, particularment en xarxes 4G i 5G, 3GPP va seleccionar els protocols i arquitectures destinats a gestionar la senyalització dels serveis mòbils presents i futurs. En un moment determinat 3GPP decideix que, a diferència dels sistemes 2G i 3G que fan servir protocols basats en SS7, els sistemes de nova generació farien servir protocols estandarditzats per IETF. Quan 3GPP va començar a estandarditzar el servei de Streaming sobre xarxes mòbils PSS (Packet-switched Streaming Service) va escollir el protocol RTSP com a mecanisme de senyalització. Encara més significatiu, el protocol SIP va ser escollit com a mecanisme de senyalització per a IMS (IP Multimedia Subsystem), l’arquitectura de nova generació que substituirà la xarxa telefònica tradicional i permetrà el desplegament de nous serveis multimèdia. La decisió per part de 3GPP de seleccionar protocols estàndards definits per IETF ha representat una fita cabdal per a la convergència del sistemes All-IP fixes i mòbils, i per al desenvolupament de xarxes NGN (Next Generation Networks) en general. En aquest context, el nostre objectiu inicial ha estat analitzar com aquests protocols de senyalització multimèdia, dissenyats per a xarxes IP genèriques, es comporten sobre xarxes mòbils 3GPP. Efectivament, l’ús de protocols IP és fonamental de cara a facilitar la interoperabilitat de solucions diferents. Per altra banda, hi ha escenaris a on és possible aprofitar informació de “context” addicional per a millorar el comportament d’aquests protocols en al cas particular de xarxes mòbils. El cos principal del treball de la tesi ha consistit en l’anàlisi i optimització del rendiment dels protocols de senyalització multimèdia SIP i RTSP, i la definició d’arquitectures de desplegament, amb èmfasi en els serveis 3GPP PSS i 3GPP Mission Critical Push-to-Talk (MCPTT). Aquest treball ha estat precedit per una feina d’anàlisi detallada del comportament dels protocols IP, TCP i UDP sobre xarxes 3GPP, que va proporcionar els fonaments adequats per a la posterior tasca d’anàlisi de protocols de senyalització sobre xarxes mòbils. Les contribucions inclouen la proposta de noves optimitzacions per a millorar els procediments d’establiment de sessions de streaming multimèdia, l’anàlisi detallat i optimització del servei de Presència basat en SIP i la definició de nous casos d’ús i exemples de desplegament d’arquitectures optimitzades per al servei 3GPP MCPTT. Aquestes contribucions ha quedat reflectides en un llibre, tres articles publicats en Revistes Internacionals amb índex JCR, 5 articles publicats en Conferències Internacionals, un article publicat en Congrés Nacional i l’adjudicació d’una patent. La tesi proporciona una descripció detallada de totes les contribucions, així com un exhaustiu repàs del seu context, dels principis fonamentals subjacents a totes les contribucions, la seva aplicabilitat a diferents tipus de desplegaments de xarxa (des de 2.5G a 5G), així una presentació detallada de les arquitectures associades definides per organismes com OMA o 3GPP. Finalment també es presenta l’evolució potencial de la tasca de recerca cap a sistemes 5G

Contributions to presence-based systems for deploying ubiquitous communication services

Next-Generation Networks (NGNs) will converge the existing fixed and wireless networks. These networks rely on the IMS (IP Multimedia Subsystem), introduced by the 3GPP. The presence service came into being in instant messaging applications. A user¿s presence information consists in any context that is necessary for applications to handle and adapt the user's communications. The presence service is crucial in the IMS to deploy ubiquitous services. SIMPLE is the standard protocol for handling presence and instant messages. This protocol disseminates users' presence information through subscriptions, notifications and publications. SIMPLE generates much signaling traffic for constantly disseminating presence information and maintaining subscriptions, which may overload network servers. This issue is even more harmful to the IMS due to its centralized servers. A key factor in the success of NGNs is to provide users with always-on services that are seamlessly part of their daily life. Personalizing these services according to the users' needs is necessary for the success of these services. To this end, presence information is considered as a crucial tool for user-based personalization. This thesis can be briefly summarized through the following contributions: We propose filtering and controlling the rate of presence publications so as to reduce the information sent over access links. We probabilistically model presence information through Markov chains, and analyzed the efficiency of controlling the rate of publications that are modeled by a particular Markov chain. The reported results show that this technique certainly reduces presence overload. We mathematically study the amount of presence traffic exchanged between domains, and analyze the efficiency of several strategies for reducing this traffic. We propose an strategy, which we call Common Subscribe (CS), for reducing the presence traffic exchanged between federated domains. We compare this strategy traffic with that generated by other optimizations. The reported results show that CS is the most efficient at reducing presence traffic. We analyze the load in the number of messages that several inter-domain traffic optimizations cause to the IMS centralized servers. Our proposed strategy, CS, combined with an RLS (i.e., a SIMPLE optimization) is the only optimization that reduces the IMS load; the others increase this load. We estimate the efficiency of the RLS, thereby concluding that the RLS is not efficient under certain circumstances, and hence this optimization is discouraged. We propose a queuing system for optimizing presence traffic on both the network core and access link, which is capable to adapt the publication and notification rate based on some quality conditions (e.g, maximum delay). We probabilistically model this system, and validate it in different scenarios. We propose, and implement a prototype of, a fully-distributed platform for handling user presence information. This approach allows integrating Internet Services, such as HTTP or VoIP, and optimizing these services in an easy, user-personalized way. We have developed SECE (Sense Everything, Control Everything), a platform for users to create rules that handle their communications and Internet Services proactively. SECE interacts with multiple third-party services for obtaining as much user context as possible. We have developed a natural-English-like formal language for SECE rules. We have enhanced SECE for discovering web services automatically through the Web Ontology Language (OWL). SECE allows composing web services automatically based on real-world events, which is a significant contribution to the Semantic Web. The research presented in this thesis has been published through 3 book chapters, 4 international journals (3 of them are indexed in JCR), 10 international conference papers, 1 demonstration at an international conference, and 1 national conferenceNext-Generation Networks (NGNs) son las redes de próxima generación que soportaran la convergencia de redes de telecomunicación inalámbricas y fijas. La base de NGNs es el IMS (IP Multimedia Subsystem), introducido por el 3GPP. El servicio de presencia nació de aplicaciones de mesajería instantánea. La información de presencia de un usuario consiste en cualquier tipo de información que es de utilidad para manejar las comunicaciones con el usuario. El servicio de presencia es una parte esencial del IMS para el despliegue de servicios ubicuos. SIMPLE es el protocolo estándar para manejar presencia y mensajes instantáneos en el IMS. Este protocolo distribuye la información de presencia de los usuarios a través de suscripciones, notificaciones y publicaciones. SIMPLE genera mucho tráfico por la diseminación constante de información de presencia y el mantenimiento de las suscripciones, lo cual puede saturar los servidores de red. Este problema es todavía más perjudicial en el IMS, debido al carácter centralizado de sus servidores. Un factor clave en el éxito de NGNs es proporcionar a los usuarios servicios ubicuos que esten integrados en su vida diaria y asi interactúen con los usuarios constantemente. La personalización de estos servicios basado en los usuarios es imprescindible para el éxito de los mismos. Para este fin, la información de presencia es considerada como una herramienta base. La tesis realizada se puede resumir brevemente en los siguientes contribuciones: Proponemos filtrar y controlar el ratio de las publicaciones de presencia para reducir la cantidad de información enviada en la red de acceso. Modelamos la información de presencia probabilísticamente mediante cadenas de Markov, y analizamos la eficiencia de controlar el ratio de publicaciones con una cadena de Markov. Los resultados muestran que este mecanismo puede efectivamente reducir el tráfico de presencia. Estudiamos matemáticamente la cantidad de tráfico de presencia generada entre dominios y analizamos el rendimiento de tres estrategias para reducir este tráfico. Proponemos una estrategia, la cual llamamos Common Subscribe (CS), para reducir el tráfico de presencia entre dominios federados. Comparamos el tráfico generado por CS frente a otras estrategias de optimización. Los resultados de este análisis muestran que CS es la estrategia más efectiva. Analizamos la carga en numero de mensajes introducida por diferentes optimizaciones de tráfico de presencia en los servidores centralizados del IMS. Nuestra propuesta, CS, combinada con un RLS (i.e, una optimización de SIMPLE), es la unica optimización que reduce la carga en el IMS. Estimamos la eficiencia del RLS, deduciendo que un RLS no es eficiente en ciertas circunstancias, en las que es preferible no usar esta optimización. Proponemos un sistema de colas para optimizar el tráfico de presencia tanto en el núcleo de red como en la red de acceso, y que puede adaptar el ratio de publicación y notificación en base a varios parametros de calidad (e.g., maximo retraso). Modelamos y analizamos este sistema de colas probabilísticamente en diferentes escenarios. Proponemos una arquitectura totalmente distribuida para manejar las información de presencia del usuario, de la cual hemos implementado un prototipo. Esta propuesta permite la integracion sencilla y personalizada al usuario de servicios de Internet, como HTTP o VoIP, asi como la optimizacón de estos servicios. Hemos desarrollado SECE (Sense Everything, Control Everything), una plataforma donde los usuarios pueden crear reglas para manejar todas sus comunicaciones y servicios de Internet de forma proactiva. SECE interactúa con una multitud de servicios para conseguir todo el contexto possible del usuario. Hemos desarollado un lenguaje formal que parace como Ingles natural para que los usuarios puedan crear sus reglas. Hemos mejorado SECE para descubrir servicios web automaticamente a través del lenguaje OWL (Web Ontology Language)

Study, Analysis and Modeling of IP Multimedia systems on next generation networks providing mobile and fixed multimedia services

Not availabl

SIP based IP-telephony network security analysis

Masteroppgave i informasjons- og kommunikasjonsteknologi 2004 - Høgskolen i Agder, GrimstadThis thesis evaluates the SIP Protocol implementation used in the Voice over IP (VoIP) solution at the fibre/DSL network of Èlla Kommunikasjon AS. The evaluation focuses on security in the telephony service, and is performed from the perspective of an attacker trying to find weaknesses in the network. For each type of attempt by the malicious attacker, we examined the security level and possible solutions to flaws in the system. The conclusion of this analysis is that the VoIP service is exploitable, and that serious improvements are needed to achieve a satisfying level of security for the system

A criação de redes de próxima geração IMS usando produtos Open Source

Estágio realizado na PT InovaçãoTese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 200

Handling of IP-Addresses in the Context of Remote Access

Masteroppgave i informasjons- og kommunikasjonsteknologi 2008 – Universitetet i Agder, GrimstadFor various reasons (e.g., security, lack of IPv4-addresses) the services in the home smart space only use private IP addresses. This is unfortunate in the remote service access since these addresses frequently appear in responses sent from a service in the remote smart space (e.g., your home) to the visited smart space (e.g., your friend’s home).The Internet Engineering Task Force (IETF) provides some solutions and workarounds for the problem caused by NAT. In this project, the challenge to me is to summarize the available options, rank the options according to which one is preferred for the RA-scenario. I will come up with my practical NAT traversal techniques by testing and gathering data on the reliability of NAT traversal techniques since none of the existing ones seems to work well. A demonstration of the key features will be shown in the thesis. NAT traversal techniques apply to TCP and UDP need to be researched in advance. Handling of peers behind all kinds of NAT need to be tested and determined for the communication. The result of the paper will well improve the evaluation of specific issues on NAT and the creating of an UNSAF proposal