PROBLEMATICHE DI VALUTAZIONE PER LA SCELTA DI SOLUZIONI OTTIME NELL INTERCONNESSIONE DI RETI SWITCHED ETHERNET

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1 PROBLEMATICHE DI VALUTAZIONE PER LA SCELTA DI SOLUZIONI OTTIME NELL INTERCONNESSIONE DI RETI SWITCHED ETHERNET 1

2 NETWORK DIVISION PROBLEM Espansione di una LAN (unico canale broadcast) senza incorrere nella sua congestione. Suddivisione LAN in sottoreti/segmenti distinti. Uso di apparati Packet switching : 2 liv. OSI : bridge, switch ; 3 liv. OSI : router (filtering più sofisticato, capacità di routing); switch : simile a un bridge multiporta ad alta velocità operativa (Fast Packet switching). rete Ethernet (10 Mbps) SEGMENTAZIONE SWITCH segment A (10 Mbps) segment B (10 Mbps) Rete SWITCHED ETHERNET Singolo dominio di collisione segment C (10 Mbps) Rete switched Ethernet : banda complessiva notevolmente ampliata. 1

3 PIANIFICAZIONE DELLA SEGMENTAZIONE DI UNA LAN Problemi da risolvere : 1) raggruppamento host nei segmenti ; 2) rete d interconnessione segmenti ; HST1 Gruppo A HST8 HST2 Raggruppamento host HST3 HST6 HST8 HST7 HST3 Gruppo B HST6 HST5 HST4 HST1 HST5 HST2 HST7 HST4 Obiettivi raggruppamento host : segmenti non saturati ; distribuzione equa del traffico ; minimizzazione traffico inter-segment. Scelta della rete d interconnessione per garantire delle prestazioni ottimali : bassi ritardi d accesso e di trasmissione; throughput (frame/sec) adeguato ; tolleranza ai picchi di traffico ; affidabilità (errori, loss packets) ; riduzione downtime (manutenzione, guasti) sicurezza di certe comunicazioni (privacy). 2

4 LA RETE D INTERCONNESSIONE Valutazione strettamente correlata alle condizioni del traffico : livelli del workload (frm/sec ); matrice traffico inter-segment. Rete d Interconnessione segment 1 segment 2 segment 3 Packet switch device Packet switch device comunicazioni inter segment segment 4 segment 5 segment 6 Esigenze primarie dell utente a basso livello : 1. tempi di attesa e di trasmissione piccoli ; 2. trasferimento-dati (frm/sec) veloce. Scelta performance metrics : access delay (msec) per un nodo Tx ; trip delay (msec) mittente destinatario ; max throughput (frm/sec) tra due nodi. Trip delay (o packet delay) dipendente da : -) propagation delay dei link ; -) numero di hops (packet switch device); -) intensità del traffico ; 3

5 IL SEGMENTO ETHERNET 10 BASE-T Oggi realizzato tramite (repeater multiporta). connessione al resto della rete cavetti UTP Capacità max (teorica) canale Ethernet : 10 7 Cmax = frm / sec IFG= 12 bytes ; 8( L + IFG) L(bytes): lunghezza frame ( ) ; Con L=800 bytes (lung. media) C max = 1540 frm/sec. Tipico trace del traffico in un segmento (regular use). frm/sec burst burst finestra temporale: 30 min (camp. a 10 sec) burst sec Condizioni d uso normali : utilizzazione media < 50% 4

6 SWITCH ETHERNET Architettura interna fast packet switching : -) struttura crossbar (matrice cross-point) con ASICs ; -) high speed internal backbone (ordine Gbps); porta Ethernet (10 Mbps) SWITCH Ethernet up-link (high bit rate) cavetto UTP Segmento Ethernet (dominio di collisione) Funzioni Filtering & Forwarding supportate tramite SAT (Source Address Table). Propagazione traffico broadcast ; Flooding delle frame con destinatario ignoto. Categorie switch: Cut-through : switching ad alta velocità ; Store & Forward : capacità controllo errori. Indici prestazionali : latenza o propagation delay (usec) ; throughput max (PPS o frm/sec); Packet loss rate. 5

7 RETI SWITCHED ETHERNET SWITCH Ethernet switch backbone global server switch uplink Eth. 10Base-T SWITCH Ethernet SWITCH Ethernet Eth. 10Base-T Eth. 10Base-T Eth. 10Base-T Eth. 10Base-T Eth. 10Base-T Eth. 10Base-T Eth. 10Base-T Eth. 10Base-T Eth. 10Base-T basic legacy Ethernet workgroup server farm workgroup distributed server workgroup Rappresentazione sintetica di un workgroup SWITCH Ethernet throughput max (PPS) latency (usec) SWITCH Ethernet p1 p2 p3 switch workload generatore traffico Gen x.2 generatore traffico Staz x.1 Gen x.1 Segmento Ethernet (10 Mbps) Segmento Ethernet (10 Mbps) 6

8 METODOLOGIA VALUTAZIONE PERFORMANCE Moduli-PN di Libreria Petri Net Petri Net Petri Net Petri Net Interfaccia e stazione Ethernet Interfaccia e stazione FDDI Generatori traffico Hub Switch Ethernet Assemblaggio moduli-pn componenti Enhanced GSPN -) funzioni-utente associabili alle transizioni ; -) oggetti frame associati ai token della PN ; Interconnessione moduli-pn Data-Network Petri Net Model Condizioni di Traffico livelli workload ; matrice traffico ; lunghezza frame ; SIMULAZIONE event driven time ANALISI RISULTATI Performance metrics : access delay trip delay throughput 7

9 ESEMPIO DI MODULO-PN: STAZIONE ETHERNET t2 P2 t1 P1 q P4 t3 P3 generatore frame bursty P6 t4 (#) P5 elaborazione frame ricevute t5(#) P10 P7 t6 t9 (#) t8 t10 P8 P9 t7 (#) P13 P11 P12 (#): transizione al cui scatto è associata l esecuzione di una funzione-utente P14 inizio Tx fine Tx inizio Rx fine Rx Nodi di uscita Punti di interconnessione del modulo-pn Nodi di ingresso 8

10 Case study n 1 : INTERCONNESSIONE DI TRE SWITCHED WORKGROUP Rete : LAN01 SWITCH 1 p1 p2 p3 SWITCH 2 p1 p2 p3 SWITCH 3 p1 p2 p3 Gen 1.2 Gen 2.2 Gen 3.2 Staz 1.1 Gen 1.1 Staz 2.1 Gen 2.1 Staz 3.1 Gen 3.1 SWITCH 1 p1 p2 p3 p4 SWITCH 3 p3 p2 p1 Gen 1.2 Gen 3.2 Gen 1.1 Gen 3.1 Staz 1.1 SWITCH 2 p3 p2 p1 Staz 3.1 Rete : LAN02 Gen 2.2 Gen 2.1 Staz 2.1 Dual Ring FDDI (100 Mbps) SWITCH 1 p1 p2 p3 SWITCH 2 p1 p2 p3 SWITCH 3 p1 p2 p3 Gen 1.2 Gen 2.2 Gen 3.2 Staz 1.1 Gen 1.1 Staz 2.1 Gen 2.1 Rete : LAN03 Staz 3.1 Gen 3.1 9

11 Case study n 1 : CONDIZIONI DI TRAFFICO Distribuzione del traffico : percentuali riferite al traffico generato in un workgroup. 28 % 28 % Workgroup n 1 36 % 36 % Workgroup n 2 36 % 36 % 36 % 36 % Workgroup n 3 28 % Throughput di generazione frame : stazioni singole : a burst di tipo on/off ; generatori traffico : a periodi alternati high/low data rate. Due condizioni di workload : throughput medio 10 throughput medio gen. traffico stazioni basso carico 170 frm/sec 220 frm/sec alto carico 250 frm/sec 300 frm/sec Lunghezza frame : distribuzione uniforme di tre valori : L=100 bytes ; L=400 bytes; L=800 bytes ;

12 Case study n 1 : TRIP DELAY MEDIO a basso carico 1,40 Trip Delay medio (msec) mitt : STAZ 1.1 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 staz 1.1 gen 1.2 staz 2.1 gen 2.2 staz 3.1 gen 3.2 2,00 Lan01 Lan02 Lan03 Trip Delay medio (msec) 1,50 mitt : STAZ 2.1 1,00 0,50 0,00 staz 1.1 gen 1.2 staz 2.1 gen 2.2 staz 3.1 gen 3.2 Lan01 Lan02 Lan03 2,00 Trip Delay medio (msec) 1,60 mitt : STAZ 3.1 1,20 0,80 0,40 0,00 staz 1.1 gen 1.2 staz 2.1 gen 2.2 staz 3.1 gen 3.2 Lan01 Lan02 Lan03 11

13 Case study n 1 : TRIP DELAY MEDIO ad alto carico 100 Trip Delay medio (msec) mitt : STAZ ,1 staz 1.1 gen 1.2 staz 2.1 gen 2.2 staz 3.1 gen 3.2 Lan01 Lan02 Lan03 Trip Delay medio (msec) mitt : STAZ ,1 staz 1.1 gen 1.2 staz 2.1 gen 2.2 staz 3.1 gen 3.2 Lan01 Lan02 Lan03 Trip Delay medio (msec) 10 mitt : STAZ ,1 staz 1.1 gen 1.2 staz 2.1 gen 2.2 staz 3.1 gen 3.2 Lan01 Lan02 Lan03 12

14 Case study n 1 : THROUGHPUT TRA DUE NODI Generazione workload (nodi Tx): random con distribuzione gauss (dev. stand.=10). Rete di interconnessione dei workgroup STAZ frm/sec STAZ 3.1 Workgroup 1 : 1020 frm/sec workload medio tot frm/sec Workgroup 2 : 980 frm/sec Workgroup 3 : 800 frm/sec Trace throughput effettivo Staz 1.1 Staz 3.1 (camp. ogni 50 msec): frm/sec 0 0 0,75 1,5 2,25 3 3,75 4,5 5,25 6 6,75 7,5 8,25 9 9,75 sec Lan01 Lan02 Lan03 13

15 Case study n 2 : Condivisione di server tra più segmenti Rete: LAN01 Server A Server B Gen 1 Gen 2 Gen 3 Gen 4 Staz 1 Staz 2 Staz 3 Staz 4 Rete: LAN02 Server A SWITCH Ethernet Server B Gen 1 Gen 2 Gen 3 Gen 4 Staz 1 Staz 2 Staz 3 Staz 4 Server A SWITCH A Ethernet Rete: LAN03 SWITCH B Ethernet Server B Gen 1 Gen 2 Gen 3 Gen 4 Staz 1 Staz 2 Staz 3 Staz 4 Workgroup A Workgroup B 14

16 Case study n 2 : CONDIZIONI DI TRAFFICO Distribuzione del traffico inter-segment: (percentuali riferite al traffico totale nella rete). Segm. n 1 3% 12% 12% Segm. n 2 5% Server A 5% 7% 1% 7% 5% Server B 5% 12% Segm. n 3 Segm. n 4 Throughput di generazione frame : frame di lunghezza L=800 bytes ; stazioni singole : a burst di tipo on/off ; generatori traffico : a periodi alternati high/low data rate. 3% 12% Due condizioni di workload : throughput medio throughput medio throughput medio client server gen. traffico basso carico 30 frm/sec 100 frm/sec 85 frm/sec alto carico 60 frm/sec 200 frm/sec 160 frm/sec Carico totale (medio) della rete : basso = 660 frm/sec ; alto = 1280 frm/sec ; (Ethernet C max =1538 frm/sec) 15

17 Case study n 2 : confronto tra LAN01 e LAN02 Per la rete LAN02 (ad alto carico) due diverse condizioni operative: A) max throughput switch = frm/sec ; B) max throughput switch = frm/sec ; Access Delay (msec) a basso carico : LAN01 LAN02 (c. A) client avg= 0,52 max= 20 avg= 0,054 max= 1,2 server avg= 0,52 max= 20 avg= 0,027 max= 1,2 Access Delay (msec) ad alto carico : LAN01 LAN02 (c. A) LAN02 (c. B) client avg= 7,85 max= 125 avg= 0,088 max= 2,2 avg= 0,101 max= 2,4 server avg= 7,85 max= 125 avg= 0,052 max= 2,1 avg= 0,058 max= 2,2 ACCESS DELAY per i CLIENT msec 100 Basso Carico msec 1000 Alto Carico 10 max 100 max 1 avg max 10 1 avg max max 0,1 avg 0,1 avg avg 0,01 LAN01 LAN02 0,01 LAN01 LAN02 (A) LAN02 (B) 16

18 Case study n 2 : confronto tra LAN01 e LAN02 In LAN01 (trip delay)=(propag. delay) costante: Server A ( 2 usec ) 1 usec 1 usec Server B 1 usec ( 2 usec ) 1 usec Client Server 1 usec 7 usec 1 usec ( 2 usec ) 1 usec In LAN02 trip delay circa uguale per qualunque coppia (mitt dest); valori medi : -) a basso carico (c. A) = 0,76 msec ; -) ad alto carico (c. A) = 0,81 msec ; -) ad alto carico (c. B) = 2,58 msec ; Confronto in termini di : (Total Delay)=(Access Delay)+(Trip Delay) msec 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 Basso Carico msec Alto Carico throughput switch inadeguato Lan01 Lan02 (A) 17 Lan02 (B)

19 Case study n 2 : confronto tra LAN01, LAN02, LAN03 Confronto in termini di : (Total Delay)=(Access Delay)+(Trip Delay) a partire dai client. Basso carico (workload tot. medio= 660 frm/sec): msec 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 mitt: Client A srv A srv B client A client B dest msec 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 Lan01 Lan02 Lan03 mitt: Client B srv A srv B client A client B Alto carico (workload tot. medio= 1280 frm/sec): msec 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 mitt: Client A srv A srv B client A client B dest msec 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 Lan01 Lan02 Lan03 dest mitt: Client B srv A srv B client A client B dest 18

20 Case study n 2 una altra soluzione : LAN04 Nello stesso workgroup i segmenti che comunicano maggiormente tra loro. Workgroup A Workgroup B Segm. n 1 3% 12% 12% Segm. n 2 5% Server A 5% 7% 1% 7% 5% Server B 5% 12% 12% Segm. n 3 Segm. n 4 3% Server su un segmento Ethernet (Hub ) condiviso dai due workgroup. Rete: LAN04 SWITCH A Ethernet SWITCH B Ethernet Server A Server B Gen 1 Gen 3 Gen 2 Gen 4 Staz 1 Staz 3 Staz 2 Staz 4 Workgroup A Workgroup B 19

21 Case study n 2 : confronto tra LAN02, LAN03, LAN04 Confronto in termini di : (Total Delay)=(Access Delay)+(Trip Delay) a partire dai client. Basso carico (workload tot. medio= 660 frm/sec): msec 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 mitt: Client A srv A srv B client A client B dest msec mitt: Client B 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 Lan02 Lan03 Lan04 srv A srv B client A client B Alto carico (workload tot. medio= 1280 frm/sec): msec 2,00 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 mitt: Client A srv A srv B client A client B dest msec 2,00 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 Lan02 Lan03 Lan04 dest mitt: Client B srv A srv B client A client B dest 20

22 CONCLUSIONI Metodologia adatta alla valutazione di sistemi di rete complessi (data-network design). Realizzazione del modello di un sistema (GSPN model) con approccio modulare : definizione di moduli-base (libreria PN) ; interconnessione moduli componenti ; Possibilità di verifica off-line delle capacità di una rete : limiti e miglioramenti ottenibili. Possibilità di definire nei dettagli la topologia e le condizioni operative (tipo di traffico). Flessibilità di scelta di performance metrics : valutazione di un sistema sotto diversi aspetti. POSSIBILI SVILUPPI : Estensione del network division al 3 liv. OSI : introduzione dei router. Automazione interconnessione moduli-pn di libreria. Implementazione interfaccia grafica per Editing GSPN. 21

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