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INFRAESTRUTURACapítulo 5

Crovella, M, Krishnamurthy, B. Internet Measurement: infrastructure, traffic & applications. John Wiley & Sons, 2006.

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Roteiro

Propriedades Desafios Ferramentas Estado da Arte

3 Propriedades

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Propriedades

Nesta seção são revistas as propriedades importantes da infraestrutura da Internet.

Nossa abordagem será “bottom-up”: Propriedades físicas dos componentes Topologia (interconexão dos componentes) Caminhos na Internet (rotas) Interação do tráfego com a infraestrutura

física

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Links

Visto da camada IP, o progresso de um pacote através da rede consiste da passagem de nó para nó por uma sequência de etapas.

Cada etapa pode ser considerada um link. Um link pode ser:

Um meio de transmissão ponto a ponto Sequência de conexões comutadas abaixo da camada IP Meio de difusão

Propriedades de interesse: Atraso de propagação Capacidade

Propriedades de desempenho: Atraso dos pacotes Perda de pacotes Jitter (variação do atraso)

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Roteadores

Roteadores movem pacotes de um link de entrada para um link de saída.

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Roteadores

Organização interna do motor de encaminhamento:

Estratégias para os buffers de saída: Disciplina de serviço drop-tail Gerenciamento ativo de filas

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Roteadores

Muitas técnicas de medição de rede dependem da obtenção de respostas dos roteadores.

Os detalhes da arquitetura interna podem afetar o tempo gasto para a geração de respostas.

Em particular, o tempo necessário para um roteador responder a uma mensagem de um protocolo como um pacote ICMP pode ser substancialmente diferente do tempo que ele leva para repassar um pacote.

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Roteadores

Propriedades que temos interesse de medir: Ponto de vista estático:

Endereços IP usados nas interfaces dos roteadores

Localização geográfica do roteador Tipo particular do roteador Variantes dos protocolos suportados

Ponto de vista dinâmico: Tempo necessário para responder a uma

mensagem ICMP Tempo necessário para repassar um pacote.

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Sem Fio

As conexões sem fio normalmente são usadas apenas como tecnologias de acesso e não fim-a-fim.

A escolha da tecnologia sem fio determina: Alcance máximo, Taxa de transferência de dados, Confiabilidade Interferência potencial Número de usuários concorrentes

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Tecnologias Sem Fio

Família 802.x Wi-fi

Bluetooth PAN – Personal Area Network

WiMAX

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Medições envolvendo Comunicação Sem Fio

Força do sinal Potência consumida Taxa de transferência de bits Grau de cobertura Informações relacionada com a sessão:

Duração Tempo de estabelecimento da conexão Lista das aplicações usadas Handoffs entre pontos de acesso (caso haja algum) Taxas de erros

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Medições Tradicionais

Capacidade do link: Em rede sem fio ela muda com o tempo devido

a mobilidade do usuário, obstruções físicas, tráfego cruzado na mesma frequência, etc.

Largura de banda disponível e efetiva Identificação de links gargalo Etc.

As medições tendem a ser complicadas pela combinação de redes cabeadas e sem fio.

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Propriedades da Topologia

A interconexão de componentes da Internet pode ser visualizada em quatro níveis: Sistema autônomo (AS) Ponto de presença (PoP) Roteador Interface

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Topologia: Interconexão de ASes A interconexão de ASes forma um grafo

conhecido como grafo AS. Neste grafo os vértices são os ASes e As arestas conectam ASes que trocam

tráfego diretamente. Esta é a visão mais grosseira da

topologia da Internet.

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Topologia: Interconexão de PoPs Dentro de um AS, os roteadores são

frequentemente reunidos em localidades físicas identificáveis, chamadas de pontos de presença (PoPs).

Um PoP consiste de um ou mais roteadores num único local.

Um grafo neste nível (PoP) é normalmente a visão mais detalhada que um ISP disponibiliza publicamente.

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Topologia: Grafo de roteadores Neste grafo:

Os vértices são roteadores, e As arestas são conexões de uma etapa entre

roteadores. É importante distinguir entre uma conexão em

uma etapa de um link físico ponto a ponto. Pode-se associar a cada aresta (link) o seu atraso

de propagação e capacidade. E os vértices podem ser rotulados com sua

localização física e AS proprietário. Pode ser útil rotulá-los também com a identificação do PoP correspondente.

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Topologia: Grafo de interfaces Fornece a visão mais detalhada. Neste grafo:

Vértices são interfaces de roteadores e Arestas são conexões de uma etapa.

Este grafo é importante por ser diretamente medido pela ferramenta traceroute

Um grafo de roteador pode ser obtido do grafo de interfaces agrupando os vértices de interfaces associados a cada roteador.

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Interação do Tráfego com a Rede Certos aspectos da estrutura da rede

restringem as propriedades de tráfego: Menor atraso possível Vazão máxima possível

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Atraso de Pacotes

O atraso experimentado por um pacote ao passar pela rede corresponde à soma da contribuição de diversos fenômenos: Atraso de Roteamento

Atraso de processamento do pacote Atraso de enfileiramento Outros atrasos

Atraso de Transmissão onde é o tamanho do pacote e é a capacidade do link

Atraso de Propagação onde é a distância física e é a velocidade de

propagação

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Atraso de Pacotes

O atraso de pacotes é uma métrica aditiva. Cada um dos fenômenos listados

anteriormente potencialmente ocorrem em cada etapa ao longo de um caminho.

Os atrasos por etapa são aditivos ao longo de um caminho.

Dado um conjunto de atrasos por etapa e uma matriz de roteamento , podemos expressar o conjunto de atrasos por caminho como sendo = .

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Perda de Pacotes

Causas: Descarte explícito por um elemento de rede, ou Descarte por erro de transmissão identificado pela verificação de

erros. A fonte mais significativa de perda de pacotes é o

congestionamento. A perda explícita de pacotes poderia ser caracterizada como

um processo de chegada de eventos de descarte. No entanto, normalmente é difícil obter informações sobre os instantes das perdas.

Portanto, as perdas são normalmente caracterizadas como uma série temporal de contagens. E a quantidade de perdas por unidade de tempo podem ser interpretadas como estimativas das taxas de perdas de pacotes.

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Perda de Pacotes

A medida mais comum é a taxa relativa de perda de pacotes: fração de pacotes perdidos durante um certo intervalo de tempo: / onde é o número de pacotes que entraram no

elemento de rede no período de tempo e é o número de pacotes perdidos neste mesmo intervalo de tempo.

A perda relativa de pacotes ao longo de um caminho (assumindo independência das perdas) é dada por:

Que pode ser convertida para uma relação linear usando logaritmos: Seja Então

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Vazão (Throughput)

Taxa na qual o tráfego pode fluir através da rede. Limitada pelos limites de capacidade dos elementos

de rede e pelo congestionamento. Considerando um intervalo de tempo grande o

suficiente em relação ao tempo necessário para atravessar um caminho da rede, então a vazão do caminho durante o período pode ser estimado como , onde corresponde ao número de pacotes que atravessam o caminho sem perdas.

O recíproco da vazão é o é o intervalo de tempo médio entre chegadas de pacotes durante o intervalo .

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Vazão

A vazão pode ser expressa também em bytes por unidade de tempo:

A vazão através de uma sequência de etapas é determinada pelo elemento com a menor capacidade disponível.

O gargalo pode ser um sistema final ou um dos elementos internos à rede.

Limitando a restrição aos elementos internos, a vazão em um conjunto de caminhos é determinada pela capacidade por etapa por , onde a multiplicação da matriz é efetuada usando a álgebra

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Jitter de Pacotes

É uma medida da suavidade do processo de chegada de pacotes e pode ser expresso como a variabilidade do intervalo de tempo entre chegada de pacotes.

O jitter pode ocorrer devido à variação no tempo dos atrasos das filas nos roteadores ao longo do caminho.

Chegada de pacotes com baixo jitter são mais previsíveis e leva a um desempenho na camada de aplicação mais confiável.

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Jitter

A caracterização do jitter requer medições dos intervalos entre chegadas.

Uma caracterização completa é dada pelo processo entre chegadas

Medidas mais econômicas e mais usadas são os momentos da distribuição , a variância dos intervalos entre chegadas, por exemplo.

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Conexões

Podem ser importantes medidas de taxa de perda de pacotes, atraso de pacotes e vazão para conexões individuais, por exemplo para o TCP.

Como a taxa média de pacotes do TCP depende do tamanho da sua janela e do tempo de ida e volta (RTT), medidas de RTT de uma conexão pode ser muito valiosa.

Como há retransmissões, nem todos os bytes recebidos são repassados para a aplicação.

Chamamos de goodput à taxa na qual a aplicação recebe dados com sucesso.

29 Desafios

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Desafios

Simplicidade do Núcleo Camadas Escondidas Pedaços Escondidos Barreiras Administrativas

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Simplicidade do Núcleo

Os elementos de comutação da Internet são projetados para ser “sem estados” em relação às conexões e fluxos que passam por eles.

Este princípio de projeto permitiu aos roteadores Internet ser muito simples.

Qualquer forma de instrumentação, mesmo simples contadores por pacote ou por byte, adicionam custo e complexidade ao projeto.

Isto prejudica a observabilidade em muitos pontos da rede. Medições de atraso e perda de pacotes assim como vazão

são fornecidos apenas de forma agregada através do SNMP. Para a obtenção de medições detalhadas seria necessária uma captura de pacotes.

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Camadas Escondidas

Abaixo da camada IP a transmissão de pacotes pode ser implementada de formas muito diferentes.

Estes detalhes estão escondidos no nível do IP. Nem mesmo a captura de pacotes pode detectar estas diferenças.

Pacotes que passam por uma etapa do IP podem na verdade estar passando por: Um enlace sem fio com sinalização complexa e

retransmissões na camada de enlace Caminho comutado por rótulos envolvendo diversos

elementos de comutação de nível 2. Redes ópticas...

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Pedaços Escondidos

O argumento fim-a-fim indica que certas funções devem ser executadas apenas nos sistemas finais.

No entanto, há diversos dispositivos que desviam deste princípio: Coletivamente chamados de middleboxes: firewalls,

tradutores de endereços e proxies Razões para o uso de middleboxes:

Segurança Gerenciamento Desempenho Tradução de endereços

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Pedaços Escondidos

Cada um destes tipos de middleboxes impede a visibilidade de alguns componentes da rede. Firewalls bloqueiam pacotes UDP ou ICMP

usados pelo traceroute. NAT pode impedir a descoberta de sistemas

finais via ping.

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Barreiras Administrativas

ISPs normalmente escondem os detalhes de suas redes do público externo.

Detalhes de configuração de roteadores individuais, padrões de interconexão, e a quantidade de tráfego transportado nos links são todos considerados sensíveis à competição.

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Barreiras Administrativas

Os ISPs bloqueiam tráfego que possa ser usado para medir a infraestrutura: Pacotes de eco ICMP são bloqueados nos roteadores

de entrada Tentativas de estabelecer conexões SNMP são

bloqueadas. Informações fornecidas como as de topologia são

normalmente simplificadas. Portanto, pode ser difícil obter uma figura

detalhada de porções da infraestrutura da Internet simplesmente porque os ISPs procuram ativamente esconder estes detalhes.