Avaliação de Desempenho Avaliação de Desempenho

Simulando a InternetSimulando a Internet

Carlos Alberto Kamienski (cak@ufabc.edu.br)

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

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

Dimensões da Internet

http://www.netsizer.com

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

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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

14

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

22

Visualização

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

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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

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

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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)

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

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

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

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

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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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Tempo de simulação (segundos)

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Atraso: comparação

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melhor esforço

DiffServ

IntServ

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Carga (número de fontes de retaguarda)

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0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

melhor esforço

DiffServ

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Carga (número de fontes de retaguarda)

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(ms)

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Atraso: melhor esforço (série)

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Tempo de simulação (segundos)

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Simulando a InternetSimulando a Internet

Carlos Alberto Kamienski (cak@ufabc.edu.br)

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