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Stratégie WebRTC de virtualisation de réseau pour opérateurs télécoms - Par : Duong Tuan Nguyen, Kim Khoa Nguyen, Mohamed Cheriet,

Stratégie WebRTC de virtualisation de réseau pour opérateurs télécoms


Duong Tuan Nguyen
Duong Tuan Nguyen Profil de l'auteur(e)
Duong Tuan Nguyen est étudiant au doctorat au Département de génie des systèmes de l’ÉTS. Ses recherches portent sur l’infonuagique et l’informatique en brouillard, les réseaux logiciels et les chaînes de services de l’IdO.
Programme : Génie électrique 

Kim Khoa Nguyen
Kim Khoa Nguyen Profil de l'auteur(e)
Kim Khoa Nguyen est professeur au Département de génie électrique de l’ÉTS et vice-directeur du laboratoire Synchromedia. Ses recherches portent sur l’infonuagique, la virtualisation de réseau et l’architecture de centre de données.
Programme : Génie électrique 

Mohamed Cheriet
Mohamed Cheriet Profil de l'auteur(e)
Mohamed Cheriet est professeur au Département de génie des systèmes de l’ÉTS et directeur de Synchromedia. Ses recherches portent sur l’éco-infonuagique, les systèmes d’acquisition de connaissances et d’intelligence artificielle.

Virtualisation des fonctions en infonuagique

Achetée sur Istock.com. Droits d’auteur.

RÉSUMÉ:

Le nouveau paradigme en technologie de virtualisation des fonctions réseau (NFV) se veut une solution efficace pour optimiser le déploiement de services dans l’infonuagique (cloud computing), grâce à sa capacité d’ajouter ou de supprimer de façon dynamique des ressources virtuelles lors de variations dans la charge de travail. Toutefois, les défis sont de taille pour les fournisseurs de services de télécoms quant à l’adoption efficace de la NFV dans le déploiement de services de communication web en temps réel (WebRTC) de concert avec le sous-système multimédia IP (IMS). Cet article décrit un système d’interfonctionnement virtualisé entre l’IMS et la WebRTC, du point de vue de l’architecture, et une méthode d’attribution optimale des ressources compte tenu des contraintes, soit les exigences de qualité de service (QoS). La réduction des coûts de service de la solution proposée est validée à grande échelle par simulation et à petite échelle par le banc d’essai que nous avons élaboré

Introduction

En un mot, la virtualisation des fonctions réseau (NFV) permet de fournir des services réseau à l’aide de fonctions et d’éléments réseau définis par logiciel (ponts et routeurs des serveurs classiques) au lieu d’utiliser du matériel spécialisé et coûteux. Adopter le paradigme NFV permet aux opérateurs réseau d’éviter de nombreux problèmes, comme l’espace requis par de nouveaux serveurs physiques ou l’expertise pour concevoir, exploiter et gérer une infrastructure matérielle complexe. On comprend donc que les opérateurs télécoms accordent beaucoup d’attention à la NFV, leur industrie se trouvant maintenant dans une situation précaire : nombreux marchés proches de la saturation, concurrence croissante (nouveaux opérateurs, services offerts par contournement (Over the Top), etc.) et demande stagnante ou en baisse pour les services de téléphonie et de messagerie de base.

Logo de Synchromedia

Afin d’accélérer l’adoption de la NFV dans la pratique, les milieux universitaires et industriels se sont penchés sur le défi de l’attribution des ressources. Dans une étude intitulée « NFV-based Architecture for the Interworking between WebRTC and IMS », publiée en décembre 2018 dans IEEE Transactions on Network and Service Management [1], des chercheurs du laboratoire Synchromedia présentent une solution au problème, soit une architecture NFV et un modèle analytique du système. Ils se sont concentrés sur l’interfonctionnement entre le sous-système multimédia IP (IMS) et la communication Web en temps réel (WebRTC). L’IMS est conçu pour s’intégrer à un réseau de télécoms haute qualité offrant un accès omniprésent aux données des services Internet, tandis que le WebRTC vise les communications en temps réel dans l’environnement Web. Comme la NFV, la WebRTC intéresse également les fournisseurs de télécoms en raison de sa capacité à augmenter le nombre de points de terminaison possibles pour les sessions multimédias.

Architecture d’interfonctionnement NFV

Le cadre architectural de gestion (MANO) de l’Institut européen de normalisation des télécommunications (ETSI) décrit les blocs fonctionnels, les référentiels de données et les interfaces permettant d’orchestrer des infrastructures virtualisées, des fonctions de réseau et des services. Cette architecture, cependant, ne peut répondre à toutes les exigences d’un service d’interfonctionnement entre des abonnés IMS et des utilisateurs WebRTC. L’architecture proposée dans cette recherche est basée sur la conception d’une architecture de référence basée sur le système d’exploitation (OS) 5G [2], illustrée à la figure 1 : la conception générale du OS 5G est présentée à gauche et les composants fonctionnels propres au scénario d’interfonctionnement, à droite.

Architecture entre sous-système multimédia IP et communication web en temps réel

Fig. 1 Architecture d’interfonctionnement NFV entre le IMS et la WebRTC

Mécanisme optimal d’attribution des ressources

Les auteurs examinent trois aspects, chacun représenté par des contraintes ou des objectifs, soit :

  • Les exigences de qualité de service (QoS) (latence de service);
  • La disponibilité des ressources;
  • Le coût du système lié aux ressources réseau et aux pénalités éventuelles en cas de manquements à la QoS.

Afin d’obtenir un schéma optimal d’attribution de ressources, une approximation fondée sur les modèles de Markov (MARA) a été adoptée, car ce type d’approche peut résoudre les problèmes combinatoires de réseaux. L’idée derrière cette méthode est de considérer chaque solution potentielle comme un état et de construire une chaîne de Markov pour laquelle la distribution stationnaire est connue et converge vers la solution optimale.

Simulation et résultats expérimentaux

Les avantages de l’architecture NFV et de la méthode proposée pour fournir un service d’interfonctionnement de haute qualité entre l’IMS et le WebRTC sont illustrés par les résultats obtenus tant par simulation que par expériences sous divers contextes. Nous comparons le MARA proposé avec une approche gloutonne (greedy), généralement déployée dans la pratique en raison de la simplicité de sa mise en œuvre. Ainsi, la ressource continue d’être attribuée de manière gloutonne tant que le système peut assurer un service d’interfonctionnement.

Les figures 2 et 3 illustrent comment l’approche Markov fournit un schéma optimal d’attribution de ressources en fonction de différents niveaux de demande de service (représentés par le paramètre ƛ), permettant de réduire le coût global du système.

Coût du système selon l’approche MARA et gloutonne

(a) Session de connexion : latence de service de bout en bout

Latence de services de connexion selon l’approche MARA et gloutonne

(b) Session de connexion : coût total du système
Fig. 2 Comparaison du coût total du système entre deux approches selon les cas d’usage de connexion

Coût du système selon l’approche MARA et gloutonne

(a) Session d’appel : latence de service de bout en bout

Latence de services d’appel selon l’approche MARA et gloutonne

(b) Session d’appel : coût total du système
Fig. 3 Comparaison du coût total du système entre deux approches selon les cas d’usage d’appels

À la Fig. 4, le coût de l’approche proposée est toujours inférieur à celui d’un algorithme glouton. Au fur et à mesure que la quantité de messages entrants augmente (demande de service élevée), l’approche gourmande prend beaucoup plus de temps à attribuer les ressources suffisantes que l’approche MARA, présentant un risque de violation de l’accord sur les niveaux de service plus grand et d’augmentation des coûts.

Différence de coût de connexion et d’appel entre les approches MARA et gloutonne

Fig. 4 Comparaison du coût total du système entre deux approches selon les cas d’usage d’appels

Les résultats présentés à la figure 5 sur la quantité de ressources attribuées sont similaires aux observations déjà présentées sur le coût du système.

CPU attribué à la session d’appel

(a) Session de connexion : vCPU totaux du système

CPU attribué à la session de connexion

(b) Session d’appel : vCPU totaux du système
Fig. 5 Comparaison des ressources système entre deux approches

Conclusion

Cette étude décrit de façon détaillée les composants fonctionnels d’une architecture de référence NFV et une méthode optimale d’attribution de ressources. L’architecture conçue est fondée sur le système d’exploitation 5G quant aux exigences hétérogènes des différents fournisseurs et domaines, et son adaptation à toute modification de spécifications IMS ou WebRTC. En outre, on y présente un algorithme interdomaines en temps réel (MARA) permettant l’attribution optimale des ressources tout en réduisant les coûts de service. L’algorithme a été implanté intégralement et évalué au moyen de simulations et d’expériences. Les résultats démontrent que le déploiement du MARA pour le service interfonctionnel IMS <-> WebRTC permettrait d’économiser jusqu’à 19 % des coûts de service, selon le service (connexion ou appel) et la demande.

Duong Tuan Nguyen

Profil de l'auteur(e)

Duong Tuan Nguyen est étudiant au doctorat au Département de génie des systèmes de l’ÉTS. Ses recherches portent sur l’infonuagique et l’informatique en brouillard, les réseaux logiciels et les chaînes de services de l’IdO.

Programme : Génie électrique 

Chaire de recherche : Chaire de recherche du Canada sur la durabilité écologique d'Eco-Cloud 

Laboratoires de recherche : SYNCHROMÉDIA – Laboratoire de communications multimédias en téléprésence 

Profil de l'auteur(e)

Kim Khoa Nguyen

Profil de l'auteur(e)

Kim Khoa Nguyen est professeur au Département de génie électrique de l’ÉTS et vice-directeur du laboratoire Synchromedia. Ses recherches portent sur l’infonuagique, la virtualisation de réseau et l’architecture de centre de données.

Programme : Génie électrique 

Laboratoires de recherche : SYNCHROMÉDIA – Laboratoire de communications multimédias en téléprésence 

Profil de l'auteur(e)

Mohamed Cheriet

Profil de l'auteur(e)

Mohamed Cheriet est professeur au Département de génie des systèmes de l’ÉTS et directeur de Synchromedia. Ses recherches portent sur l’éco-infonuagique, les systèmes d’acquisition de connaissances et d’intelligence artificielle.

Programme : Génie de la production automatisée 

Chaire de recherche : Chaire de recherche du Canada sur la durabilité écologique d'Eco-Cloud 

Laboratoires de recherche : SYNCHROMÉDIA – Laboratoire de communications multimédias en téléprésence 

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