Evaluación del Protocolo CSMA/CD con Tráfico Mixto de Tipo WEB y VoIP por Medio de NS-2

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1 Evaluación del Protocolo CSMA/CD con Tráfico Mixto de Tipo WEB y VoIP por Medio de NS-2 Daniel Andrés Rodríguez Chica Pontifícia Universidad Javeriana daniel.rodriguez@javeriana.edu.co Camilo Andrés Linares Gómez Pontifícia Universidad Javeriana linaresc@javeriana.edu.co Carlos Iván Paez Rueda Pontifícia Universidad Javeriana paez.carlos@javeriana.edu.co Abstract En el presente artículo se presentan las curvas de desempeño del protocolo CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access Collision Detect) para una red LAN (Local Area Network) en arquitectura bus por medio del simulador de eventos discretos NS-2 (Network Simulator 2) bajo diversas condiciones de tráfico moderno, el cual incluye el tipo WEB y el tipo de VoIP (Voice over IP). El trabajo desarrollado muestra una metodología de evaluación de redes con tráfico mixto por medio de un simulador por eventos discretos de amplio uso en investigación internacional y suministra las curvas de desempeño relevantes para la arquitectura propuesta. Palabras Claves CSMA/CD, Simulador por Eventos Discretos, NS-2, Redes de Área Local, VoIP. 1. Introducción Parte de las labores del ingeniero de telecomunicaciones es analizar el desempeño de los protocolos asociados a los diferentes tipos de redes bajo diversas condiciones de tráfico. Este análisis, puede ser realizado por medio de complejos modelos analíticos cuya formulación pierde flexibilidad en la aplicación específica [1]. A partir del desarrollo de los microcomputadores en los años 8 s, las técnicas de evaluación numéricas se han convertido en métodos alternativos eficientes para analizar los protocolos de una red [2], y por ende, la aplicación de las herramientas asistidas por computador para el análisis de problemas de investigación en redes, ha permitido obtener importantes avances y mejoras en las tecnologías de telecomunicaciones. Un caso representativo de este tipo de simuladores, son los de tipo general, en los cuales a través de la utilización de un Kernel de simulación de propósito general, se disminuye los costos de desarrollo asociados al modelo del problema. Un importante software de simulación con estas características, se denomina NS-2 (Network Simulator 2), el cual es muy utilizado por la comunidad científica con propósitos de investigación en redes, orientado a la evaluación y optimización de protocolos de capa física, de capa de enlace de datos y de capa de red del modelo de referencia OSI [3]. En la primera parte del presente artículo se presente los antecedentes del protocolo CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect), seguido del modelo implementado por medio de NS-2,

2 finalizando con los diferentes resultados y análisis de las curvas de desempeño del protocolo CSMA/CD obtenidas a través de NS-2, al implementar diversos escenarios que representan el tráfico de una red LAN en arquitectura Bus con tráfico tipo Exponencial, de tipo Web y de tipo de VoIP (Voice Over IP). 2. Antecedentes Hacia principios de los años 7, el sistema de comunicación desarrollado por Robert Metcalfe en las islas de Hawai conocido como ALOHA, fue la primera técnica de control de acceso por contención utilizado en redes de datos y la base para el desarrollo de protocolos posteriores, como CSMA (Carrier Sense Multiple Access) [4,5]. El protocolo CSMA, se basa en el principio de escuchar el canal antes de transmitir, estrategia conocida como sondeo de portadora. Si una trama de otra estación esta siendo transmitida, la estación espera un tiempo aleatorio t, que en este protocolo se denomina tiempo de Backoff, para volver a sondear el canal. Si el canal esta vacío, la estación comienza la transmisión de la trama. Si el canal está ocupado, se repite la estrategia hasta un máximo número de reintentos. Uno de los problemas que se presenta en este protocolo, es que si dos estaciones deciden transmitir simultáneamente, las tramas colisionan. Esta situación es posible encontrarla con frecuencia cuando el tráfico de las estaciones hacia la red es bastante alto. Para lograr que el rendimiento de la red aumente, Robert Metcalfe propuso una modificación al protocolo CSMA, que en principio funcionó en las oficinas de Xerox, el cual agregaba la posibilidad de detectar cuando una colisión ocurría en el canal compartido. La modificación del protocolo dio origen al protocolo CSMA/CD el cual es la base del acceso múltiple de lo que hoy se conoce como Ethernet [6,7]. En la Figura 1 se detalla el algoritmo de funcionamiento de este protocolo [8,9]. Figura 1. Algoritmo CSMA/CD La forma de funcionamiento de CSMA/CD es similar al protocolo CSMA. En CSMA/CD, primero se sondea el canal antes de iniciar la transmisión para verificar si se encuentra libre el canal. Esta verificación se puede realizar con uno de tres métodos de persistencia, a saber: no persistente, 1-persistente y p-persistente. El método de no persistente sondea primero el medio, si esta libre transmite, de lo contrario pasa un tiempo t aleatorio previamente definido y luego se transmite. En la verificación 1-persistente, continuamente se está haciendo el sondeo del canal hasta que esté libre e inmediatamente transmite. En la verificación p-persistente

3 se sondea continuamente el canal hasta que se libera y luego se transmite con una probabilidad p. En CSMA/CD si al estar transmitiendo se detecta una colisión, todas las estaciones envían una señal interferente denotada como JAM y se detiene el envío de la trama por Tb segundos. Este proceso se realiza hasta un número máximo de iteraciones [9]. 3. Modelo Planteado Para evaluar el desempeño del protocolo CSMA/CD se utilizó el simulador NS-2, el cual fue desarrollado en el año de 1989 en la Universidad Berkeley de California, como una variante del simulador Real Network Simulator [3]. El simulador utiliza diferentes lenguajes de programación como C++ y OTcl, los cuales son usados en diferentes aproximaciones del modelo de una red de telecomunicaciones, como se ilustra en la Figura 2. Figura 2. Metodología de Simulación en NS-2 En particular, el lenguaje Tcl es un lenguaje de programación basado en línea de comandos, donde es posible la creación y configuración de las redes, la visualización de los procesos mediante su herramienta gráfica NAM y la generación y visualización de archivos de trazas por medio de la herramienta XGRAPH [1]. Adicionalmente, debido a la extensa utilización de este simulador con propósitos de investigación, se han implementado un gran variedad de protocolos, permitiendo la creación de diferentes tipos de redes terrestres, satelitales e inalámbricas con varios algoritmos de enrutamiento [3]. Igualmente, permite modelar diversas variables aleatorias facilitando el modelado del tráfico estocástico. Otra de las características de NS- 2, es que permite simular fallas en la red, incluyendo errores determinísticos y pérdidas de tramas. Para finalizar, otra de las razones por las cuales se decidió trabajar con este simulador, es que permite la visualización de flujo de tramas, el comportamiento de los protocolos a nivel de control de congestión, capacidad de retransmisión y corrección de errores y descripción de su estado actual. El modelo planteado en NS-2 para el análisis del protocolo CSMA/CD fue de una red LAN en topología bus como se ilustra en la Figura 3. La red planteada está conformada por una cantidad configurable de nodos por usuario en el rango entre 1 a 15. El modelo de transferencia planteado corresponde a enviar información de cualquier nodo hacia la Internet, a través de un Gateway. La velocidad de la red LAN fue configurada en el simulador a 1 Mbps, con una conexión Full Duplex y un retardo de propagación de 16µs.

4 Figura 3. Red LAN topología Bus para los casos de estudio. A partir del escenario de simulación planteado, se realizaron las curvas de desempeño de la red considerando como variación el número de nodos interconectados bajo las consideraciones de tráfico específico por nodo independientes. Para la generación de las curvas de desempeño, se utilizó un estimador no sesgado de la media a partir de la simulación repetitiva e independiente de cada escenario. Los escenarios de tráfico considerados para los casos de estudio fueron de tipo Exponencial, Web y WEB combinado con VoIP. El modelo de tráfico exponencial consistió de asumir todas las variables del tiempo entre arribos denotado por T a distribuidas de forma independiente y exponencial, por medio de (1)-(2). Las medidas estadísticas promedio para este escenario fueron configuradas para que cada trama tuviera en promedio 5Bytes, que bajo un enlace de 1 Mbps produce un tiempo de ocupación promedio del canal de.4ms asumiendo no colisión en las tramas. Las tasas de envío de tramas por nodo por segundo fue configurada en promedio a 25, produciendo una carga de tráfico ofrecida en el enlace de.1 Erlang por nodo. λ exp( λta ) Ta f ( Ta ) = Ta < 1 E ( T a ) = λ (2) 2 Var ( T a ) = λ (3) (1) El tráfico Web [11, 12, 13] por nodo se caracterizó en el simulador por medio de un tiempo entre envío de solicitudes de un página Web distribuida de forma exponencial con media de 5 segundos y un tamaño de paquete distribuida de forma Pareto caracterizadas por medio de (4)-(6), con media de 142,5kB. El tráfico tipo VoIP por nodo se simuló por medio de una variable determinística cuyo tiempo de solicitud de tramas fue de 2ms y siguiendo el tamaña típico en Bytes establecido en el protocolo G [14, 15, 16]. a ( a b) f ( Paq) = (4) a+1 Paq ab E ( Paq) = a 1 Var ( Paq) = 2 ( a 1) ( a 2) Con estas especificaciones, se realizaron las diferentes curvas de desempeño de la red, utilizando como herramienta el simulador NS-2. Las medidas de desempeño promedio evaluadas en la red fueron el Throughput (Caudal), el Porcentaje de Pérdida de Trama, el retardo promedio por trama y el Jitter [17]. 2 a b (5) (6)

5 4. Resultados y análisis La metodología de diseño por medio de NS-2 de la arquitectura propuesta al igual que el cálculo y análisis estadísticos de los datos simulados puede ser detallada en [16]. A continuación se presentarán los resultados relevantes encontrados en esta investigación Caso de estudio de CSMA/CD con tráfico exponencial Considerando la importancia de los modelos exponenciales en la teoría de teletráfico para el análisis comparativo de modelos, se construyeron las medidas de desempeño de la red propuesta para el caso exponencial. En la Figura 4 y Figura 5 se detalla el Throughput del enlace y el Throughput por usuario, respectivamente. En ambas figuras se detalla simultáneamente cual sería la velocidad del enlace ideal si no existiera pérdidas por colisión en el canal, considerando el número de usuarios con el tráfico propuesto y la velocidad máxima del enlace. THROUGHPUT [bps] NÚMERO DE COMPUTADORES CON CSMA/CD IDEAL Figura 4. Throughput del enlace con CSMA/CD caso de estudio Exponencial Como se observa en Figura 4, cuando la red cuenta con un solo usuario, ésta tiene una velocidad ofrecida y cursada de 1Mbps por usuario dado los requerimientos de tráfico establecidos en el caso de estudio. Esta velocidad efectiva decrece en la red ya que se presentan colisiones entre tramas, los cuales generan retransmisiones y pérdidas de información debido al límite de reintentos del algoritmo de Backoff. Igualmente, se observa que alrededor de los 7 usuarios, la red aunque tiene una velocidad de 1 Mbps, efectivamente ofrece solo el 6% de su velocidad máxima. En la Figura 5 se observa una comparación entre la velocidad ideal y la velocidad efectiva por usuario en el escenario propuesto. Como se observa en dicha Figura, al tener un solo usuario se cumple el valor de la velocidad efectiva esperada para este escenario. Entre 2 y 7 usuarios se observa como el algoritmo de Backoff permite solucionar el problema de pérdidas de tramas por colisión, ya que se intenta mantener una velocidad efectiva por usuario constante. A partir de 8 usuarios se empieza a evidenciar la saturación del enlace y las consecuentes pérdidas de tramas.

6 THROUGHPUT [bps] CON CSMA/CD 3 IDEAL Figura 5. Throughput por usuario con CSMA/CD caso de estudio exponencial En la Figura 6 se cuantifica la cantidad de bits perdidos debido a las colisiones en la red que no puede solucionar el algoritmo de CSMA/CD. Como conclusión de los valores obtenidos, se evidencia cuantitativamente la explicación de la disminución en el Throughput encontrada en las Figura 4 y Figura 5, es debido efectivamente al cuello de botella producido en la red. PERDIDA DE BITS [%] 2,% 1,8% 1,6% 1,4% 1,2% 1,%,8%,6%,4%,2%,% NÚMERO DE COMPUTADORES Figura 6. Pérdida de bits con CSMA/CD caso de estudio Exponencial Para analizar dicho cuello de botella, se elaboró la curva de desempeño del retardo promedio por trama, ilustrada en la Figura 7. La medida especificada aquí, es el tiempo que dura una trama desde que inicia su transmisión hasta que efectivamente llega al Gateway.,2,18,16,14 RETARDO [s],12,1,8,6,4, Figura 7. Retardo promedio de una trama con CSMA/CD, caso de estudio Exponencial

7 4.2. Caso de estudio de CSMA/CD con tráfico WEB En el presente caso de estudio se evaluó las medidas de desempeño de la red bajo las consideraciones de tráfico Web previamente descritas y las cuales corresponden a requerimientos usuales en este tipo de aplicaciones. En la Figura 8 y la Figura 9 se detalla el Throughput del enlace y el Throughput por usuario, respectivamente. Figura 8. Throughput del enlace con CSMA/CD, caso de estudio Web THROUGHPUT [bps] NÚMERO DE COMPUTADORES Figura 9. Throughput por usuario con CSMA/CD, caso de estudio Web Los resultados encontrados con estas medidas de desempeño, evidencian que la red planteada no presenta cuello de botella con la cantidad de usuarios modelado. Este resultado indica que el algoritmo de Backoff cumple su meta sin degradar el caudal de la red. La curva de Pérdida de bits encontrada refleja efectivamente que la cantidad de tramas perdidas en este escenario en cero. La velocidad promedio encontrada por usuario es de 45 a 5 kbps, como efectivamente puede ser estimada a partir de la teoría de tráfico para el escenario planteado. Se observa en la Figura 1, que el retardo promedio de la red es una medida invariable con la cantidad de nodos evaluados, confirmando los resultados de no saturación de la red y que el algoritmo de Backoff resuelve efectivamente las colisiones entre tramas a costa de introducir una latencia en la red.

8 RETARDO [s],5,45,4,35,3,25,2,15,1, Figura 1. Retardo promedio de una trama con CSMA/CD, caso de estudio Web 4.3. Caso de estudio de CSMA/CD con tráfico mixto WEB y VoIP En el presente caso de estudio se evaluó las medidas de desempeño del escenario propuesto bajo las consideraciones de un tráfico mixto de tipo Web y tipo VoIP. Para analizar dicho desempeño, se consideró dos diferentes casos típicos, las cuales corresponden a evaluar el desempeño de la red con uno o con tres nodos con tráfico VoIP y el resto con tráfico Web. Para el primer caso, se detalla el Throughput de la red, el Throughput por usuario y el retardo promedio en las Figura 11, Figura 12 y Figura 13, respectivamente. En la Figura 11 se observa que para un usuario de VoIP, la velocidad efectiva se mantiene constante cercana a su valor teórico, mientras que para los usuarios con tráfico Web la velocidad efectiva aumenta en forma lineal debido al incremento en la cantidad de nodos transmitiendo. El comportamiento de la gráfica muestra que la red con el tráfico propuesto no está saturada y por ende se encuentra que no existen pérdidas de trama en el enlace. En la Figura 12 se observa que la velocidad efectiva de cada usuario se mantiene constante como consecuencia de la solución de las colisiones en la transferencia de las tramas. THROUGHPUT [bps] VoIP WEB Figura 11. Throughput del enlace con CSMA/CD, caso de estudio Web y 1 usuario VoIP

9 THROUGHPUT [bps] Figura 12. Throughput por usuario con CSMA/CD, caso de estudio Web y 1 usuario VoIP En la Figura 13 se ilustra el retardo promedio de las tramas de tráfico Web y de tráfico VoIP. De esta figura se deduce que aunque el retardo promedio de una trama Web en relativamente constante, el retardo promedio de la trama VoIP va incrementándose con el número de nodos, debido a la características determinística de dicho tráfico ofrecido. Este resultado es clave para cuantificar el Jitter producido en las tramas de VoIP bajo las condiciones del escenario propuesto. VoIP WEB RETARDO VoIP [s],9,8,2,18,7,16,6,14,12,5 VoIP,1,4 WEB,8,3,6,2,4,1, RETARDO WEB [s] Figura 13. Retardo promedio de una trama con CSMA/CD, caso de estudio Web con 1 usuario de VoIP Con el fin de cuantificar el valor del Jitter en el escenario bajo prueba y con las condiciones de tráfico establecidas, se calculó la Figura 14. La medida de Jitter en esta figura fue calculada como la variación del retardo de las tramas de VoIP con respecto al caso teórico del retardo de un 1 usuario VoIP en la red. Figura 14. Jitter de una trama VoIP con CSMA/CD, caso de estudio Web con 1 usuario VoIP.

10 Para el segundo caso, se detalla el Throughput de la red, el Throughput por usuario y el retardo promedio en la Figura 15, Figura 16 y Figura 17, respectivamente. En la Figura 15 se observa que para tres usuarios de VoIP, la velocidad efectiva se mantiene constante, mientras que para los usuarios con tráfico Web la velocidad efectiva aumenta en forma lineal debido al incremento en la cantidad de nodos con dicho tráfico. El comportamiento de la gráfica muestra que la red con el tráfico propuesto tampoco está saturada, y por ende, se encuentra que no existen pérdidas de trama en el enlace. THROUGHPUT [bps] VoIP WEB Figura 15. Throughput del enlace con CSMA/CD, caso de estudio Web y 3 usuarios VoIP En la Figura 16 se ilustra como se mantiene constante el Throughput por usuario para el tráfico Web y de tráfico VoIP, independientemente del incremento en el número de nodos. El Retardo promedio de una trama Web y una trama de VoIP se detalla en la Figura 17 y el equivalente del Jitter para una trama VoIP en este escenario es ilustrado en la Figura 18. THROUGHPUT [bps] VoIP 15 WEB Figura 16. Throughput por usuario con CSMA/CD, caso de estudio Web y 3 usuarios VoIP

11 RETARDO WEB [s],2,18,16,14,12,1,8,6,4,2 WEB VoIP,8,7,6,5,4,3,2,1 RETARDO VoIP [s] Figura 17. Retardo de la red con CSMA/CD, caso de estudio Web y 3 usuarios VoIP Figura 18. Jitter de una trama VoIP con CSMA/CD, caso de estudio Web con 3 usuarios VoIP Con objeto de comparar los dos escenarios propuestos, se muestra la gráfica del Jitter variando la cantidad de nodos con tráfico Web. Esta medida de desempeño es ilustrada en la Figura 19, permitiendo inferir que el desempeño de la red ante VoIP es dependiente de la cantidad de estos nodos, aunque la red no esté saturada, y por tal, se concluye que para aplicaciones de VoIP a través de una red tradicional LAN cuyo protocolo fundamental es CSMA/CD, un parámetro clave a considerar en el diseño es el Jitter aunque en apariencia la red no presente saturación por tráfico. Figura 19. Jitter de un trama de VoIP con CSMA/CD, caso de estudio Web variando el número de usuarios VoIP. 5. Conclusiones En el presente artículo se presentaron las medidas de desempeño de una red LAN en configuración bus que utiliza el protocolo de acceso al medio CSMA/CD por medio del simulador NS-2. La topología evaluada fue

12 seleccionada de acuerdo a los valores típicos del tráfico de una red de área local moderna y los escenarios fueron concebidos para evaluar tres diferentes aspectos de la red. Uno de estos aspectos fue la saturación del enlace, evaluada a través de un tráfico tipo exponencial, otro fue la evaluación del Throughput y retardo de la red ante tráfico tipo Web, y por último, fue la evaluación del Jitter relacionadas con las aplicaciones de VoIP para una red que transfiere tráfico mixto de tipo WEB. Esta última evaluación, tiene gran relevancia en este tipo de redes, ya que las nuevas tecnologías de comunicaciones están basadas en los protocolos que transmiten información de voz telefónica sobre Internet. 6. Prospectiva Es el interés de parte del grupo de trabajo de la sección de comunicaciones del departamento de electrónica de la Pontifica Universidad Javeriana, continuar el desarrollo de esta línea de trabajo, específicamente en la generación de maquetas que permitan comprobar los resultados encontrados a nivel experimental y continuar el análisis de este tipo de protocolo bajo consideraciones de otros tipos de tráfico mixtos relevantes, como pueden ser el tráfico tipo FTP y otros estándares para transferencia de VoIP bajo consideraciones de saturación de la red. 7. Referencias [1] W. H. Tranter and K. L. Kosbar, Simulation of Communication Systems, IEEE Communications Magazine, July 1994, pp [2] E. P. Wirth, The Role of Teletraffic Modeling in the New Communications Paradigms, IEEE Communications Magazine, August 1997, pp [3] The VINT Project, The ns Notes and Documentation, K. Fall (Editor) and K. Varadhan (Editor). 27. [4] J. F. Kurose and K. W. Ross, Computer Networking: A Top-Down Approach, Addison Wesley, 4 Edition, 27 [5] G. Held, Ethernet Networks: Design, Implementation, Operation, Management, Wiley, 4 Edition, 23. [6] S. Riley and R. Breyer, Switched, Fast, and Gigabit Ethernet, Sams, 3 Edition, [7] P. Hunter, Local Area Networks: Making the Right Choices, Addison-Wesley, [8] W. Stallings, Computer Networking with Internet Protocols, Prentice Hall, 23. [9] B. Forouzan, Data Communication and Networking, McGraw-Hill, 4 Edition. 26. [1] E. Altman and T. Jiménez, NS Simulator for beginners, Universidad de los Ándes, Mérida, Venezuela and ESSI, Sophia-Antipolis, France, December, 23, [11] Shuang Deng, Empirical model of WWW document arrivals at access link, IEEE International Conference on Communications, ICC 96, June 1996, pp vol.3. [12] M.E. Crovella and A. Bestavros, Self-similarity in World Wide Web traffic: evidence and possible causes, IEEE/ACM Transactions on Networking, Volume 5, Issue 6, Dec, 1997 Page(s): [13] Li Zheng, Liren Zhang and Dong Xu, Characteristics of network delay and delay jitter and its effect on voice over IP (VoIP), IEEE International Conference on Communications, ICC 21, Volume 1, June 21 pp [14] UIT-T, Recomendación UIT G.726: Modulación por impulsos codificados diferencial adaptativa 4, 32, 24, 16 kbps, Unión Internacional de las Telecomunicaciones, Ginebra, 199. [15] Newport Networks, VoIP Bandwidth Calculation, White Paper, Newport Networks Ltd, 25. [16] D. A. Rodriguez y C. A. Linares, Simulación de los protocolos CSMA/CD y CSMA/CA en NS-2, Pontificia Universidad Javeriana, 27.

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14 Carlos Iván Páez Rueda, Ingeniero Electrónico egresado de la Pontificia Universidad Javeriana, Bogotá, Especialista en Investigación y Docencia, Universidad Sergio Arboleda, Bogotá, 23. Magíster en Eléctrica con énfasis en Comunicaciones, Universidad de los Andes, 22. En 1997 se vinculó como ingeniero de proyectos en el área inalámbrica en Colsago Com. En 1999 se vinculó como director de ingeniería y líder de proyectos relacionados con el diseño y optimización de redes inalámbricas en Tes América Andina. En el 2 inició sus estudios de profundización científica en el área de las comunicaciones. En el 22 trabajó como consultor e investigador en diferentes empresas y universidades de Colombia. En el 24, se vinculó como gerente del área de inalámbricos de la Dirección de Expansión en EPMBOGOTA S.A. E.S.P. En el 26, se vinculó a la Pontificia Universidad Javeriana como profesor de planta del Departamento de Electrónica, sección Comunicaciones. Actualmente se desempeña como Jefe de la Sección de Comunicaciones en el Departamento de Electrónica en dicha universidad, donde trabaja en las áreas de Teletráfico, Comunicaciones Inalámbricas y Hardware en Radio Frecuencia.