Carlos Alberto Kamienski ([email protected])
UFABC
Avaliação de Desempenho
Simulando a Internet
Média do índice de justiça
100
95
Fases
1
90
2
5
85
10
80
75
0
20
1
30
2
40
3
50
4
Carga (chamadas - x 1000)
60
5
6
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 móvel
2
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
3
Dimensões da Internet
http://www.netsizer.com
4
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
5
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
6
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
7
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
8
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
9
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
10
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
11
Topologias - Interconexão
12
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
13
Topologia – Exemplo Tiers
14
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
15
Tráfego On-Off
16
Tráfego VBR
17
Tráfego FTP (TCP)
18
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
20
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
21
Visualização
22
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
23
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
24
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
25
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
26
Fluxos e agregações
27
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
28
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
29
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++
30
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
31
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
32
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
33
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
34
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)
35
Topologia de simulação
Brasília
10 Mbps
8 ms
12 Mbps
10 Mbps
20 Mbps
5 ms
8 ms
Florianópolis
16 Mbps
10 ms
20 ms
São Paulo
Rio
18 Mbps
5 ms
Recife
20 Mbps
5 ms
Belo Horizonte
36
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
37
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 (fator)
Técnicas de QoS

Melhor esforço (BE)

IntServ (serviço de carga controlada)

DiffServ (PHB EF)
38
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
39
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
40
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
41
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%
42
Vazão - comparação
70
60
Vazão (Kbps)
50
40
30
melhor esforço
20
DiffServ
IntServ
10
0
0
5
50
Carga (número de fontes de retaguarda)
43
Vazão: melhor esforço (série)
100
Vazão (Kbps)
80
60
0
5
40
50
20
0
1
21
41
61
Tempo de simulação (segundos)
44
Atraso: comparação
90
melhor esforço
80
DiffServ
IntServ
Atraso (ms)
70
60
50
40
30
20
0.5
10
1.5
25
2.5
350
Carga (número de fontes de retaguarda)
3.5
45
Atraso: melhor esforço (série)
100
Atraso (ms)
80
0
60
5
50
40
20
0
1
21
41
61
Tempo de simulação (segundos)
46
Carlos Alberto Kamienski ([email protected])
UFABC
Avaliação de Desempenho
Simulando a Internet
Média do índice de justiça
100
95
Fases
1
90
2
5
85
10
80
75
0
20
1
30
2
40
3
50
4
Carga (chamadas - x 1000)
60
5
6