Predição de Tráfego de Redes Modelado Através de Transformada Wavelet

Aplicado ao Gerenciamento Adaptativo de Largura de Banda

Desde a criação das redes de computadores, houve um aumento considerável na taxa de

transmissão de dados, nos enlaces de comunicação, devido à utilização de meios físicos

mais apropriados e à elaboração de técnicas mais eficientes de transmissão, codificação

e empacotamento. Esse crescimento foi acompanhado por uma redução no custo de

transmissão e pela popularização dessas redes, tornando os enlaces de alta velocidade

mais acessíveis Error: Reference source not found-Error: Reference source not found.

Num cenário em que há redes locais de computadores se comunicando com

outras redes, sejam elas LANs (Local Area Network) ou WANs (Wide Area Network), e

em particular, se comunicando com a Internet, os roteadores são os elos chaves da

comunicação. A predominância, neste mundo de redes de computadores, é que cada um

deles interage com outros que se encontram na Internet. Um roteador, atuando ou não

como bridge, necessariamente será o gateway dessa comunicação e possuirá uma ou

mais interfaces, de entrada e de saída, e que normalmente intermedeia os equipamentos

da LAN com a Internet. As interfaces de saída possuem a largura de banda1 que,

geralmente, estão atreladas a largura de banda limitada disponível nas interfaces de

entrada, do lado da Internet.

Apesar da alta capacidade de transmissão das redes de computadores atuais, o

controle do compartilhamento da largura de banda das interfaces de entrada ainda é uma

questão relevante, pois é preciso observar que, por maior que seja esta capacidade,

sempre será finita. Se houve um aumento expressivo na oferta da largura de banda ao

longo dos anos, houve um aumento ainda maior na demanda por ela. A percepção desse

comportamento de demanda crescente nos leva a concluir que esta tende a continuar e

observa-se que seu uso pode ser ineficiente Error: Reference source not found-Error:

Reference source not found.

O fluxo de dados em uma rede de computadores pode ser inconstante, o ideal é

que o compartilhamento da largura de banda das interfaces de entrada, do meio de

comunicação, utilizada pelas as diversas interfaces de saída que podem compor essa

rede de computadores, seja adaptativo, levando em consideração tal inconstância. Caso

1 Largura de banda: é a quantidade de dados que podem ser conduzidos de um ponto a outro em um período de tempo.

contrário, se a alocação de largura de banda for estática, pode haver subutilização do

enlace gerenciado.

Assim, há uma limitação da largura de banda, em uma rede de computadores,

podendo levar a escassez deste recurso limitado. Este problema não permite que se

garanta QoS (Quality of Service) em aplicações sensíveis a largura de banda, que é a

motivação principal do trabalho proposto. Então, faz-se necessário um sistema de

gerenciamento adaptativo, que atue num gateway e realize o controle da largura de

banda em uma rede de computadores compartilhando-a de maneira justa e atendendo a

critérios pré-determinados.

O objetivo do gerenciamento adaptativo da largura de banda de um gateway, é

proporcionar uma distribuição apropriada deste recurso entre as interfaces de saída que

a compartilham, seja por questões administrativas ou para prover QoS para aplicações,

serviços ou protocolos. Uma solução para a realização deste gerenciamento de forma

satisfatória é a utilização da predição do tráfego da rede de computadores, identificando

as demandas das interfaces e propiciando o aumento ou diminuição da largura de banda.

O aumento ou diminuição do limite da largura de banda, em cada interface de saída, tem

como base as informações, anteriores ao momento atual, sobre o tráfego da rede de

computadores.

A predição de tráfego da rede de computadores baseada em TW (Transformada

Wavelet) oferece relação equilibrada entre custo computacional e precisão na predição

do tráfegoError: Reference source not found-Error: Reference source not found. A teoria sobre TW

é relativamente nova, se comparada a outras técnicas, porém tem sido bastante

empregada em várias áreas do conhecimento, como processamento de sinais e de

imagens, estatística, astronomia, música, dentre outros. Essa popularidade pode ser

explicada pelo fato de que muitas aplicações do mundo real podem ser reduzidas ao

problema de representação e reconstrução de funções.

A utilização de predição de tráfego em tempo real é uma forma apropriada para

efetuar o controle dinâmico da alocação de largura de banda para cada interface de saída

do gateway, já que as características estatísticas do tráfego agregado não são bem

conhecidas Error: Reference source not found. Nos últimos anos, vários trabalhos têm

demonstrado que métodos de predição de tráfego de rede de computadores no domínio

da freqüência, utilizando TW, são soluções apropriadas Error: Reference source not

found-Error: Reference source not found. Os coeficientes obtidos com a aplicação dessa

transformada sobre a série temporal, que representa o tráfego em uma rede de

computadores, apresentam dependência de curta duração, permitindo o emprego em

métodos de predição de forma simples Error: Reference source not found.

A solução para o problema exposto acima, ou seja, a necessidade do

gerenciamento e controle dinâmico da largura de banda em uma rede de computadores,

é aplicada ao caso particular das redes de computadores que utilizam o protocolo de

rede IPv4 (Internet Protocol version 4), onde não ocorre nenhuma diferenciação de

pacotes e o único serviço disponibilizado é o best-effort. Dessa forma, quando não há

qualquer mecanismo adicional de controle de tráfego, a seleção dos pacotes acontece

seguindo uma disciplina de escalonamento de fila do tipo FIFO (First-In, First-Out), o

que nem sempre é desejável.

A Figura 1, por exemplo, ilustra uma configuração de uma rede local IPv4 de

propósito geral, composta por várias sub-redes interligadas por meio de um roteador.

Esse roteador também atua como gateway, conectando a LAN a uma WAN por meio de

um único enlace. Cada sub-rede pode possuir características de utilização diferentes e

gerar um volume de tráfego variado. Porém, por padrão, os pacotes de cada sub-rede

destinados à WAN (ou provenientes dela) concorrem de forma aleatória e

desproporcional pelo acesso ao enlace compartilhado.

Figura 1: Exemplo do compartilhamento de enlace de saída2 em um gateway de uma rede local IPv4.

O exemplo da Figura 1, reflete um problema comum em redes locais IPv4: a

gerência do enlace de saída da rede. Na prática, muitas redes locais IPv4 possuem um

único enlace compartilhado para permitir a conexão do gateway da rede com a Internet

ou com uma outra rede maior a qual ela pertence ou com a qual ela deve interagir.

Assim, há a necessidade do desenvolvimento e utilização de soluções viáveis que

possibilitem o gerenciamento adequado da largura de banda desse enlace

compartilhado.

2 Neste documento, os termos “entrada” e “saída” são empregados no sentido LAN-WAN. Portanto, as interfaces de entrada do gateway são aquelas utilizadas para conexão do gateway com a rede interna e a interface de saída é a interface de rede que conecta o gateway à WAN.