Università degli Studi di Napoli Federico II Esame di Reti di Calcolatori a.a. 2003/2004 Prof. G. Ventre Ing. S. D antonio Ing. G.

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1 Università degli Studi di Napoli Federico II Esame di Reti di Calcolatori a.a. 2003/2004 Prof. G. Ventre Ing. S. D antonio Ing. G. Panariello Test di strumenti per la misura di banda disponibile S. Bocchetti 39/1480 A. Bruno 139/56 D. Savarese 39/1935

2 Obiettivi E possibile effettuare diversi tipi di misura di banda su di un link dati: Bottleneck Banda disponibile Throughput TCP ed inoltre è possibile misurare diversi parametri di qualità del link come ad esempio latenza (RTT,OWD) packet loss jitter Questo lavoro si propone come obiettivo il test di alcuni dei software più noti per la misura della banda disponibile (ABR) su un link Internet. Esistono in letteratura differenti approcci per la misura dell ABR. Quelli presi in considerazione da questo lavoro sono: Invio di treni di pacchetti con tempi di interarrivo esponenziali (Pathchirp) Invio di più treni di pacchetti a frequenza crescente ma equispaziati nell ambito dello stesso treno (Pathload) Ibrido (Nabev) Tutti gli approcci menzionati richiedono un canale di feedback (receiver -> sender) per il loro funzionamento. Non è stato possibile reperire strumenti che offrissero la misura di ABR senza l utilizzo di questo canale di feedback, come invece è possibile fare per misure di Bottleneck. La possibilità di operare senza feedback renderebbe possibile un approccio non cooperativo del receiver, facilitando quindi la misura in tutti i casi in cui non sia possibile installare software sul ricevitore e/o contare sull aiuto esterno del client. Ad. Es distribuzione multimediale verso apparecchiature dedicate, etc. E doveroso infine aggiungere che tutti i sistemi di misurazione presi in considerazione sono stati sviluppati avendo in mente la misurazione su link con bande di almeno qualche decina di Mbps. Perché misurare le reti Motivazioni economiche Conoscere ed interpretare esattamente le misure della prestazione della propria rete può permettere ad un operatore di acquisire preventivamente della banda necessaria a non creare disservizi agli utenti, nel contempo evitando pagare un surplus di banda da tenere inutilizzata come riserva da parte degli utenti finali e di poter verificare in modo quantitativo la bontà della propria connessione. Tra gli utenti più evoluti nasce anche la richiesta fatta agli Internet Service Provider (ISP) di offrire delle garanzie di qualità ime del servizio di interconnessione. Es : Verifiche SLA

3 Motivazioni tecniche I protocolli di trasmissione dati maggiormente utilizzati sulla rete Internet non sono stati progettati per garantire la qualità del servizio (Quality of Service, detta QoS). Da anni sono allo studio metodi per definire la QoS su reti IP. Questi sistemi permettono ad un ente di riservare a priori una parte delle risorse di banda per certi tipi di traffico oppure di darle maggior priorità. Attualmente questi sistemi possono essere adottati solo nei router sotto diretto controllo dell ente in questione. La sola possibilità sembra essere quella di dare delle garanzie a posteriori, ovvero di verificare che il livello del servizio corrisponda a certi parametri statistici predefiniti. Questo, come detto precedentemente, diventa possibile a patto che sia chiaro cosa misurare e cosa può essere misurato. Un altra forte motivazione deriva dallo sviluppo delle tecnologie GRID, che avranno un ruolo fondamentale in campo scientifico e che in seguito potranno essere applicate in ambito commerciale. Nel caso di una tipica applicazione GRID, un computer centrale dovrà decidere come distribuire un certo calcolo tra vari host remoti connessi attraverso la rete Es : Server selection, Route selection, Network monitoring, Congestion control Le caratteristiche ideali di uno strumento di misura di banda Velocità (pochi RTT) Non intrusivo (poco overhead) Accurato Ignora la topologia della rete Supporta più link congestionati Come si misurano Misure passive Consistono nella misura di dati nei nodi di rete. Non viene immesso traffico di probing ma vengono rilevati i parametri dovuti al traffico già presente in rete. o Lettura periodica contatori SNMP di router e/o switch e/o singoli nodi (es MRTG) o Analisi diretta del traffico con sniffer (ethereal, tcpdump)o pacchetti dedicati (ntop) Misure attive Consistono nell immissione di traffico generato ad hoc nella rete e nella successiva misura dei parametri della rete (usualmente OWD,RTT) I tools presi in considerazione sono classificati poco intrusivi poiché aggiungono un modesto overhead alla rete. o BTC (Bulk Transfer Capacity) Il BTC di un percorso in un certo periodo di tempo è il throughput di un trasferimento TCP grezzo. E importante sottolinare che il BTC differisce dalla banda disponibile del percorso poichè è soggetto al controllo di congestione del TCP.(usato da Treno o Cap)

4 o Packet-Pair Si invia una coppia di pacchetti della stessa dimensione,senza nessuna spaziatura tra di essi. La sorgente allora controlla di quanto sono distanziati i loro Acks. L intervallo tra i due acks è utilizzato come misura di congestione della rete. Questa tecnica è originata dai lavori di Jacobson, Keshav, e Bolot. o Packet-Train Il primo tool che si pensava riuscisse a stimare la banda disponibile faceva uso di treni di pacchetti, basandosi sull assunzione che la dispersione di lunghi treni di pacchetti fosse inversamente proporzionale alla banda disponibile. Recentemente è stato dimostrato che la dispersione di lunghi treni di pacchetti non misura la banda disponibile ma una differente metrica di throughput, la asymptotic dispersion rate (ADR). o TOPP (Train of Packet Pair) Fa uso di coppie di più pacchetti. Equivale a ripetere più volte la misurazione ottenuta con Packet Pairs e permette quindi di ottenere una stima della Capacità, nell ipotesi che almeno una coppia di pacchetti non venga accodata nei router. o SloPS (Self Loading of Periodic Streams) L idea base di questa tecnica è di mandare una lunga sequenza di pacchetti da un mittente ad un ricevitore e valutare gli OWD (One Way Delay) cioè i ritardi con cui arrivano i pacchetti a destinazione. Se la velocità di trasmissione dei pacchetti è superiore alla banda disponibile, si assisterà ad un andamento crescente dei ritardi. Supponiamo che un mittente invii un flusso di pacchetti ad un ricevitore. Un flusso non è altro che una sequenza di k pacchetti, dove K è la lunghezza del flusso. La dimensione di ciascun pacchetto sarà di L bit, mentre il periodo di trasmissione dei pacchetti è di T secondi. La velocità di trasmissione del flusso sarà L R =. T Sia ti l istante in cui il pacchetto i viene trasmesso e ai l istante in cui viene ricevuto, l OWD relativo che verrà calcolato in ricezione sarà pari Di = ai ti, a meno dell offset θ esistente tra i clock delle due macchine.non è necessario né conoscere il valore di θ, né andare a sincronizzare i clock.

5 Figura 1 SLoPS o SLoEC (Self Loading of Exponential Chirp) L algoritmo di Self Loading of Exponential Chirp è un algoritmo basato sulla congestione autoindotta che viene ottenuta spedendo lungo un percorso di rete, treni di pacchetti sonda che hanno una spaziatura temporale di tipo esponenziale. Il vantaggio di tale tecnica è che per sondare una rete su di un range di capacità che vanno da G1 Mbps a G2 MBps si usa un numero di pacchetti pari a log G1 log G2, ottenendo così dei tempi di misura ridotti e or traffico generato per la misura. Figura 2 Sequenza con interarrivi esponenziali (SLoEC) In generale il meccanismo della congestione autoindotta consiste nell inviare sul link pacchetti con una frequenza sempre crescente. Finchè ci si occupa banda con un tasso ore dell ABR la distanza temporale tra i pacchetti non verrà modificata in arrivo. Quando inizia a crescere la spaziatura ci si trova in prossimità dell ABR. Figura 3 Individuazione dell' ABR

6 Quali sono i problemi La banda disponibile può cambiare durante il tempo di misura Ciò può creare, oltre che una stima poco accurata, tempi di convergenza molto lunghi (o addirittura una non convergenza). Skew del Clock Ossia la sua frequenza non perfettamente identica a quella degli orologi campione. Va osservato che l offset del clock non è un problema in questi tipi di misure poiché le non vengono mai presi in considerazione gli istanti di arrivo ma unicamente gli interarrivi. Contest switching E dovuto al multitasking. Il Sistema Operativo potrebbe sospendere momentaneamente l elaborazione dei pacchetti di probes in arrivo per eseguire altre operazioni. I tool usati Pathchirp (SLoEC) Pathload (SLoPS) Nabev (Tecnica ibrida SLoEC e SLoPS con interfaccia grafica) D-ITG (generatore di traffico a parametri variabili) Le misure 3 Pc collegati da un Link a 10 MB

7 I risultati T sender T reciver P sender P reciver T gen BW BW max atteso ,74 9,74 10, ,74 9,74 8, ,05 9,05 6, ,70 8,14 4, ,66 12,66 2, ,99 5,99 8, ,03 10,03 6, ,14 6,31 4, ,38 4,38 2, ,14 9,14 8, ,59 3,64 6, ,96 10,24 4, ,96 3,96 2, ,13 11,13 10, ,01 9,01 8, ,47 7,55 6, ,11 3,11 4, ,55 1,55 2,00 T sender T reciver P sender P reciver T gen BW BW max atteso ,74 9,74 10, ,99 9,14 8, ,69 4,88 6, ,50 8,81 4, ,99 8,99 2, ,84 9,44 8, ,05 0,06 6, ,44 2,53 4, ,48 2,58 2, ,36 8,49 8, ,88 6,03 6, ,77 0,77 4, ,07 0,09 2, ,21 9,51 10, ,59 4,74 8,00

8 ,50 8,28 6, ,06 5,18 4, ,12 1,26 2,00 T sender T reciver P sender P reciver T gen BW BW max atteso , ,50 8,58 8, , , ,70 8,80 2, , , , , ,80 8,80 8, , , ,80 8,80 2, ,80 9,40 10, ,70 8,96 9, ,30 8,50 8, ,00 8,00 6, ,40 7,70 4, ,15 1,28 2, ,20 0,20 1,00

9 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 9,74 9,74 9,05 7,70 12,66 10,03 5,99 5,14 4,38 9,14 3,59 9,96 11,13 9,01 7,47 3,96 3,11 1,55 max atteso 0, ,00 10,00 8,00 6,00 9,74 8,99 4,69 7,50 8,99 8,84 8,36 5,88 9,21 4,59 7,50 5,06 max atteso 4,00 2,00 0,00 0,05 2,44 2,48 0,77 0,07 1, ,00 10,00 8,00 6,00 8,50 8,70 8,80 8,80 8,30 8,80 8,70 7,00 max atteso 4,00 2,00 0,00 4,40 1,15 0,

10 4 Pc collegati da un Link a 10 MB I Risultati T sender T reciver P sender P reciver T gen BW BW max atteso ,87 9,17 10, ,63 8,63 8, ,37 6,37 6, ,80 7,58 4, ,09 1,65 2, ,34 9,34 10, ,89 9,58 10, ,12 8,46 10, ,63 7,86 10, ,10 8,58 10,00 12,00 10,00 8,00 6,00 8,87 8,63 6,37 9,34 8,89 8,12 7,63 8,10 max atteso 4,00 3,80 2,00 0,00 1,

11 Commenti ai risultati Configurazione A: Il sender del probe è anche il generatore di traffico. Questo detera misurazioni profondamente inaccurate. La spiegazione più logica è che il timesharing della scheda di rete imposto dal sistema operativo imponga una trasmissione alternata di molti pacchetti di traffico in uno slot e di pacchetti di probe in un altro, cosicché i pacchetti di probe non vengono mai distanziati e la misurazione risulta poco influenzata dalla presenza del crosstraffic. Configurazioni B/C/F: Non c è crosstraffic sul link (il traffico è in direzione opposta a quella della misurazione) Configurazione D: Nonostante avere il receiver di traffico e dei probes sulla stessa macchina crei problemi di accuratezza (Context Switching, accuratezza del timer di sistema, ecc.) questa configurazione si è mostrata nei risultati delle misure di gran lunga migliore della configurazione A. Bibliografia Tesi di Laurea in Ingegneria Elettronica Giuseppe Panariello a.a. 2002/03 Università di Napoli Tesi di Laurea in Fisica Strumenti per misurare le prestazioni di reti IP Fabrizio Coccetti a.a. 2001/02 Università di Trieste PathChirp: Efficient Available Bandwidth Estimation for Network Paths V. Ribeiro, R. Riedi, R. Baraniuk, J. Navratil, and L. Cottrell. Pathload: a Measurement Tool for Available Bandwidth Estimation, M. Jain, C. Dovrolis