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Avaliação de Desempenho Simulando a Internet Carlos Alberto Kamienski ( ) UFABC.

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1 Avaliação de Desempenho Simulando a Internet Carlos Alberto Kamienski ( ) UFABC

2 2 Simular a Internet: dificuldades Simular a Internet representa um desafio Devido às suas características únicas é difícil obter uma caracterização precisa Internet global: pública + privada Algumas conclusões obtidas há alguns anos não são mais válidas Mudanças nos perfis dos usuários Novos protocolos e aplicações alvo móvel A Internet é um grande alvo móvel

3 3 Dimensões da Internet A Internet é muito grande (qualquer aspecto) Métricas para o tamanho da Internet: Número de usuários, redes, computadores, interconexões, tráfego, acessos a sites, mensagens de correio eletrônico, etc. Problemas: Pouco representa muito Escalabilidade

4 4 Dimensões da Internet

5 5 Heterogeneidade Sucesso da Internet: protocolo IP Aceita praticamente qualquer rede subjacente Utilização de muitas tecnologias diferentes Ethernet, WLAN (Wi-Fi), WiMax Linha discada, ADSL, RDSI, Modem a cabo Modem celular, Blue Tooth, GPRS, 3G, 3.5G, 3.75G, 4G ATM, Frame Relay, SDH, WDM Dificuldade em compreender o funcionamento Não existe uma topologia típica da Internet Diversidade de enlaces: alguns Kbps até 10 Gbps (e além) Protocolos e padrões de tráfego

6 6 Mudanças drásticas Mudanças ocorrem de maneira rápida e imprevisível Exemplo: Crescimento súbito do tráfego de alguma aplicação Depois de algum tempo, volta aos padrões antigos Exemplos: compartilhamento P2P: filmes, músicas, programas Possíveis fontes de mudanças imprevisíveis: Estruturas de tarifação Tecnologias de redes sem fio e dispositivos móveis Cache de Web

7 7 Requisitos para pesquisa Requisitos que pesquisadores necessitam nos simuladores da Internet Abstração Emulação Geração de cenários Visualização Possibilidade de expansão Disponibilidade de protocolos e mecanismos

8 8 Abstração Abstração: nível de detalhamento do modelo Simulações de alto nível Simulações detalhadas Vários níveis abstração (ou granularidade) em um mesmo simulador são úteis Dúvida: nível de representação de componentes Abstrair ou não abstrair: Precisão nos resultados Tempo de desenvolvimento do simulador e de simulação Exemplos Redes locais, protocolos de aplicação, roteamento dinâmico

9 9 Emulação Interação de elementos da rede real com um ambiente de simulação Utilização em experimentação e simulação Tipos: Aplicação no simulador conversa com aplicação real Simulador utilizado como uma nuvem de rede, uma WAN Vários roteadores e enlaces com características distintas Pode introduzir atrasos, descartes, congestionamentos, etc. Mecanismos de escalonamento e encaminhamento Pode ser usado para simular uma WAN em um testbed Emuladores: Nist Net, ns

10 10 Geração de cenários É difícil obter cenários representativos da Internet através de configuração manual Geração automática de: Topologias Padrões de tráfego Eventos dinâmicos (falhas em enlaces) Avaliação de robustez de protocolos é mais confiável com geração automática Por outro lado, cenários simples possibilitam entender melhor o comportamento da rede

11 11 Topologias Topologias de redes locais não representam a Internet Topologias típicas: Provedores não revelam topologia Interconexão de provedores é inferida a partir de tabelas BGP

12 12 Topologias - Interconexão

13 13 Topologias - geradores Geradores ad-hoc: GT-ITM e Tiers Topologias em três níveis Geradores baseados em medições BRITE e Inet Crescimento incremental e número de interconexões

14 14 Topologia – Exemplo Tiers

15 15 Modelos de tráfego Geração de tráfego sintético (modelos) Simular corretamente o tráfego real Características dos pacotes gerados: Tamanho, periodicidade, rajadas, etc. Tráfego de dados: protocolo TCP HTTP, FTP, SMTP, TELNET, POP, IMAP 90% do tráfego da Internet Tráfego multimídia: UDP Voz: CBR, On-Off Vídeo: CBR e VBR (MPEG 1-2-4, H.261, H263) Tráfego agregado Auto-similar

16 16 Tráfego On-Off

17 17 Tráfego VBR

18 18 Tráfego FTP (TCP)

19 19 Tráfego auto-similar Identidade visual em várias escalas Propriedades matemáticas semelhantes

20 20 Dinâmica da rede Dinâmica da rede significa que os nós podem ficar fora do ar e retornar Isso é muito comum na Internet, gerando instabilidades de roteamento Utilização: Simulações com topologias complexas Protocolos de roteamento Testes de robustez à falha de enlaces

21 21 Visualização Importante para compreender o cenário simulado Inclui visualização da topologia e animação do tráfego de pacotes, inclusive descartes Recurso muito útil no ensino de redes de computadores Em pesquisa, geralmente somente os resultados interessam Simulador ns: possui animador nam

22 22 Visualização

23 23 Expansão e recursos Possibilidade de expansão O simulador deve permitir expansão com grande flexibilidade Essencial para pesquisa Disponibilidade de protocolos e mecanismos Nem sempre o melhor simulador é o mais adequado para todos os casos Exemplo: O ns-2 não possui todas as funcionalidades necessárias

24 24 Configurações para a Internet Topologias Iniciar com topologias simples para obter melhor compreensão (embora não representativas) Rede com gargalo: topologia em halteres Topologias complexas: usar gerador Aplicações e protocolos TCP: 90% do tráfego (da Internet) HTTP: 65% do tráfego FTP: mais fácil de controlar em simulações UDP: simular aplicações multimídia Voz, vídeo, RealPlayer, jogos

25 25 Configurações para a Internet Modelos de tráfego Simuladores geralmente implementam modelos para FTP, HTTP e TELNET Número de chegadas de chamadas de voz Poisson, com intervalo entre chegadas Exponencial Duração das chamadas de voz: Exponencial com média de 2 (ou 3) minutos Tráfego de voz: CBR: Taxa de acordo com o codificador (ex.: 80 Kbps para PCM, incluindo os cabeçalhos IP/UDP/RTP) On-Off: distribuição Exponencial ou Pareto dos períodos On (1,004 s) e Off (1,587 s) Tráfego de vídeo: modelos (complexos) para VBR

26 26 Fluxos e agregações Quantidades de fontes e destinos de dados Fluxos individuais ou agregações Quantidade de sistemas finais Um para cada fonte Várias fontes em um sistema final ou roteador Depende da abstração utilizada Ponto de origem ou destino Rede local ou linha discada Nem sempre precisam ser representados Agregações: Não são fontes individuais com taxas muito grandes Têm modelagem diferente: Auto-similar

27 27 Fluxos e agregações

28 28 Tamanho de pacotes Compromisso: Pacote maior: eficiência Pacote menor: interatividade Pacote IPv4: máximo de 64 KB Pacotes jumbo: até 8 KB Tamanho máximo real: 1500 bytes FTP, HTTP e SMTP (1000 ou 1500 bytes) Pacotes de voz: 200 bytes ou menos Vídeo sob demanda: pacotes maiores Tamanho comuns: 536, 576, 40, 44, 1500

29 29 Tempo de simulação Regra empírica: Iniciar com pouco tempo e ir dobrando até que não haja alteração significativa nos resultados Segurança: intervalo de confiança Simulações típicas são executadas por alguns minutos (60 a 3600 segundos) Tempo de relógio é menor em simulações simples e maior para complexas Segundos, minutos, horas, dias Depende da topologia, quantidade de fontes, tempo de simulação e quantidade de replicações

30 30 Simuladores para a Internet OPNET Simulador comercial completo e caro $$$$$$$$$$$$$$$$$$$ Network Simulator (ns) Usado no meio acadêmico É de graça OMNeT++ Arcabouço para construir simuladores de rede OverSim: simulador P2P baseado no OMNet++

31 31 Simulação – QoS na Internet Exemplo de pesquisa sobre a Internet através de simulação com o ns Objetivo: Comparar o desempenho de aplicações multimídia na Internet usando o serviço de melhor esforço e as tecnologias IntServ e DiffServ Contexto Qualidade de Serviço (QoS) na Internet Problema A Internet não oferece garantias de QoS

32 32 Definições para QoS em Redes O desempenho de uma rede relativo às necessidades das aplicações O conjunto de tecnologias que possibilita à rede oferecer garantias de desempenho Requisitos de QoS São as exigências mínimas de uma aplicação sobre métricas da rede Vazão > 128kbps Atraso < 150ms Variação do atraso < 20ms

33 33 Serviço de melhor esforço Todos os usuários e aplicações recebem o mesmo tratamento nos roteadores Congestionamento: fila FIFO Capacidade esgotada: descarte Vantagens: Simplicidade, robustez, escalabilidade Uns dos motivos do sucesso da Internet Problema: Não permite aplicações que precisam de garantias

34 34 Métricas de QoS Atraso Tempo do pacote dentro da rede Entre transmissor e receptor (fim a fim) Variação do atraso (jitter) Medido entre pacotes consecutivos Vazão (largura de banda ) Taxa de transmissão de dados (Mbps) Confiabilidade Perda de pacotes

35 35 Propostas para QoS na Internet IETF (Internet Engineering Task Force) Responsável por padrões na Internet IntServ (serviços integrados) Reservas de recursos para cada fluxo Procolo RSVP (Resource Reservation Protocol) Problema: falta de escalabilidade DiffServ (serviços diferenciados) Baseado em Classes de Serviços Agregação de fluxos Provisionamento para cada classe (PHB)

36 36 Topologia de simulação

37 37 Plano de simulação Simplificação da RNP2, incluindo os PoPs: PE, SC, RJ, SP, MG e DF Avaliar tráfego entre Recife e Florianópolis Métricas: vazão e atraso Roteadores Cada PoP representado por um roteador PE ligado somente a RJ e SC ligado somente a SP Enlaces Situação da RNP2 em abril de 2002 Atraso: de acordo com distâncias físicas

38 38 Plano de simulação Modelo de tráfego Voz: principal CBR a 64 Kbps e pacotes de 100 bytes Motivo: facilidade de acompanhar a vazão 20 fontes entre SC-PE 10 fontes entre: SC-DF, SC-MG, DF-PE, MG-PE, RJ-SP Dados: retaguarda FTP com pacotes de 1500 bytes fator Quantidade de fontes foi variada (fator) Técnicas de QoS Melhor esforço (BE) IntServ (serviço de carga controlada) DiffServ (PHB EF)

39 39 Plano de simulação Tempo de simulação Experimentos com duração de 10 segundos Tempos maiores não mostraram diferenças significativas Período generoso para observas as métricas de interesse Fontes CBR e FTP iniciam entre 0 e 1 segundo de simulação Escolha aleatória com distribuição uniforme Replicações 100 replicações para cada experimento Fatores e níveis Carga da rede: número de fontes FTP 0, 5 e 50 Tecnologias de QoS: BE, IS e DS

40 40 Execução e coleta de resultados Simulador ns, versão 2.1b8a Funcionalidades da distribuição padrão DiffServ: PHB EF com WRR do módulo CBQ Troca do gerador de números aleatórios Park-Miller: período de 2 31 – 2 Marsenne-Twister: período de – 1 Coleta de resultados Vazão: componente LossMonitor Amostras a cada 0,5 segundos e média do experimento Atraso: componente PktStats Atraso para cada pacote e média do experimento

41 41 Execução e coleta de resultados Plataforma de simulação CPU AMD Athlon de 1.3 GHz e 512 MB Sistema operacional Linux 9 conjuntos de de 100 replicações de 10 segundos Tempo de relógio: alguns minutos

42 42 Apresentação e análise Resultados de 1 fonte CBR entre SC e PE Motivo: representatividade e baixa complexidade Estudo mais detalhado pode medir todas as fontes CBR e extrair estatísticas Resultados se referem à média das médias de cada uma das 100 replicações Intervalo de confiança ao nível de 99,9%

43 43 Vazão - comparação

44 44 Vazão: melhor esforço (série)

45 45 Atraso: comparação

46 46 Atraso: melhor esforço (série)

47 Avaliação de Desempenho Simulando a Internet Carlos Alberto Kamienski ( ) UFABC


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