avaliação de desempenho simulando a internet carlos alberto kamienski ( [email protected] ) ufabc
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Avaliação de Desempenho Avaliação de Desempenho
Simulando a InternetSimulando a Internet
Carlos Alberto Kamienski ([email protected])
UFABC
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stiç
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Carga (chamadas - x 1000)
20 30 40 50 60
Fases
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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
A Internet é um grande alvo móvelalvo móvel
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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
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Dimensões da Internet
http://www.netsizer.com
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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TopologiasTopologias de redes locais não representam a Internet
Topologias típicas:
Provedores não revelam topologia Interconexão de provedores é inferida a partir
de tabelas BGP
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Topologias - Interconexão
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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
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Topologia – Exemplo Tiers
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Modelos de tráfegoGeração 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
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Tráfego On-Off
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Tráfego VBR
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Tráfego FTP (TCP)
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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
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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
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Visualização
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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
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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
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Configurações para a InternetModelos 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
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Fluxos e agregaçõesQuantidades 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
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Fluxos e agregações
Ethernet
Agregação
Internet
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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
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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
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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++
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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
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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
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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
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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
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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)
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Topologia de simulação
18 Mbps5 ms
São Paulo Rio
Belo Horizonte
Brasília
Florianópolis
20 Mbps5 ms
10 Mbps8 ms
16 Mbps10 ms
20 Mbps5 ms
12 Mbps
8 msRecife
10 Mbps
20 ms
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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
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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 Quantidade de fontes foi variada (fatorfator)
Técnicas de QoS Melhor esforço (BE) IntServ (serviço de carga controlada) DiffServ (PHB EF)
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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
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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 231 – 2 Marsenne-Twister: período de 219937 – 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
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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
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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%
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Vazão - comparação
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melhor esforço
DiffServ
IntServ
Carga (número de fontes de retaguarda)
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Kbp
s)
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melhor esforço
DiffServ
IntServ
Carga (número de fontes de retaguarda)
Vaz
ão (
Kbp
s)
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Vazão: melhor esforço (série)
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40
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1 21 41 61
Tempo de simulação (segundos)
Vaz
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Kbp
s)
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Atraso: comparação
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melhor esforço
DiffServ
IntServ
0 5 50
Carga (número de fontes de retaguarda)
Atr
aso
(ms)
20
30
40
50
60
70
80
90
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
melhor esforço
DiffServ
IntServ
0 5 50
Carga (número de fontes de retaguarda)
Atr
aso
(ms)
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Atraso: melhor esforço (série)
0
20
40
60
80
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1 21 41 61
Tempo de simulação (segundos)
Atr
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Simulando a InternetSimulando a Internet
Carlos Alberto Kamienski ([email protected])
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Carga (chamadas - x 1000)
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