Programa de Doctorado en Informática y Telecomunicaciones. Trabajo Tutelado de Iniciación a la Investigación

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1 Programa de Doctorado en Informática y Telecomunicaciones. Trabajo Tutelado de Iniciación a la Investigación Plataforma virtual de medidas de QoS en redes IP Walter Marcelo Fuertes Díaz Tutor: Jorge E. López de Vergara Méndez I. Motivación En la actualidad los servicios y productos de las empresas están en redes de datos, el cliente desea estar conectado, el proveedor requiere promocionar sus productos y montarlos en la red. El gerente y el empleado mejoran su comunicación y facilitan la distribución de la información mediante redes, pero el uso permanente de ellas, sin control, las congestiona, degradando algún servicio o evidenciando la pérdida de calidad de las mismas. Las aplicaciones y servicios necesitan que la red brinde garantías de calidad para un correcto funcionamiento, pero cómo medirlo? Para ello, es necesario, en primer lugar contar con una infraestructura que permita montar o simular los servicios y en segundo lugar, contar con procedimientos y herramientas de medición, para realizar pruebas y medir la calidad de dichos servicios. Una limitación importante, es hacer pruebas en una red en producción, lo que podría afectarla hasta colapsarla, además se requerirían equipos y dispositivos de hardware y software que encarecerían la solución. Como alternativa existen las plataformas virtuales, que reducirían el riesgo de daño en las redes, así como el costo de la experimentación. Además que podría ser utilizada para la prestación de cualquier servicio. Este trabajo, se engloba dentro de una línea de investigación que pretende realizar experimentos para medir la QoS en una plataforma virtual. Los resultados permitirán encontrar soluciones para aprovechar los recursos de las redes, administrar el tráfico cuantitativamente, priorizar o repartir la carga, reservar el ancho de banda, etc., con el fin de mejorar u optimizar la calidad percibida por el usuario final. Para ello se ha seleccionado como plataforma, Linux, la misma que soporta implementaciones de máquinas virtuales, mecanismos de control de tráfico y varias herramientas de simulación, generación y análisis, para realizar experimentos y evaluar los factores que afectan la calidad de servicio, su impacto y establecer sus soluciones. II. Estado del Arte A la hora de llevar a cabo este trabajo de iniciación a la investigación, será necesario tener en cuenta los trabajos existentes en métricas de QoS como en [1.],[2.], técnicas virtuales, software de análisis de tráfico como en [3], y servicios prestados en las redes. 2.1 Métricas de QoS. (Quality of Service), es la medida de satisfacción de un cliente al recibir sus servicios de información en las redes. Debe asegurar que se transmitirá cierta cantidad de datos en un tiempo dado. El contrato que especifica los parámetros de QoS acordados entre el proveedor y el usuario se denomina SLA (Service Level Agreement), en [5.] cuyas métricas típicas son: disponibilidad, ancho de banda, packet loss, roun trip delay, jitter, entre los relevantes. Estas medidas se formalizan en un marco general IPPM (IP Performance Metrics), en [6.] que se ha encargado de definir métodos y métricas estándar del IETF, para la calidad del

2 funcionamiento y la fiabilidad de las redes IP, desde la óptica del usuario y del proveedor. Está definido en el RFC 2330, donde se establecen conceptos y las especificaciones para distintas métricas, que deberán cuantificar las características de las redes que afectan al funcionamiento de las mismas. Además en [7.] existe una recomendación de la ITU que establece los factores dominantes que influencian la calidad del servicio (QoS) desde la perspectiva del usuario final, así como los parámetros y mecanismos de control que gobiernan su satisfacción para estos usos. 2.2 Técnicas Virtuales. Permiten, en un solo equipo físico, simular un escenario donde estén interconectadas algunas maquinas virtuales, para desarrollar experimentos que requieren el uso de varios equipos conectados, siendo este modelo similar en funcionalidad al entorno real. Entre las principales utilidades de los entornos virtuales podemos citar, el poner en funcionamiento una red sin necesidad del hardware, hacer medidas y pruebas para comprobar que el dimensionado de la red es el adecuado, etc. Algunas soluciones son: XEN (virtual machine monitor), de la Universidad de Cambridge, en [8.], es un proyecto open-source, bajo los términos GNU-GPL, versión 2. Es un monitor de máquina virtual (VMM), para procesadores de arquitectura x86. Puede ejecutar con seguridad múltiples máquinas virtuales en un solo sistema físico. UML User-mode-Linux Kernel, en [9.]. Es una manera segura de ejecutar procesos y experimentar con Kernels de distribuciones de Linux. UML le asigna una máquina virtual que pueda tener recursos virtuales del hardware y del software. El almacenamiento en discos para la máquina virtual es contenido dentro de un solo archivo en la máquina física. VNUML (Virtual Network User Mode Linux), desarrollado por la Universidad Politécnica de Madrid España, según [10.] es una herramienta de propósito general desarrollada para la simulación de redes virtuales en un equipo físico. Esta basada en software libre y distribuida bajo licencia GPL, por lo que cualquier usuario puede modificarla para su uso, y ayudar de este modo al aumento de funcionalidades proporcionados por la herramienta. 2.3 Software de Simulación, monitoreo y análisis de tráfico. Una vez obtenida la plataforma virtual, será necesario establecer las herramientas de generación, captura, monitoreo, medición y visualización para análisis de tráfico, cara a cuantificar las métricas establecidas en el IPPM [27.],[28.],[29.] y [30.]. Entre las principales herramientas están las siguientes: Iperf, en [11], que es un software para proporcionar registros de retardo, jitter y pérdidas de paquetes. Mgen, The Multi-Generator Toolset [12.], esta compuesto por un conjunto de herramientas que permiten tomar medidas de rendimiento de una red IP utilizando UDP, incluye: Mgen: (Multi-GENerator) genera patrones de tráfico en tiempo real para destinos unicast/multicast según un script de configuración o por línea de comandos. Drec: (Dynamic-RECeiver) recibe y almacena el tráfico generado por Mgen. Mcalc: (Multi-CALCulator) Examina el archivo de logs creado por Drec y calcula estadísticas por flujo recibido. NetFlow Analyzer, según [4.] [13.] y [14.], es una herramienta de monitorización de ancho de banda basado en tecnología Web. Permite analizar la utilización de ancho de banda y ofrece visibilidad completa sobre routers y switches Cisco. 2

3 Netperf, según [15.] es una herramienta que mide varios aspectos de las prestaciones de las redes. Realiza tests para obtener el throughput unidireccional y el delay extremo a extremo. Usa tanto TCP como UDP. Ntop, en [16.] es un analizador de pruebas de tráfico que muestra el uso de la red. Similar al comando top de Unix, está basado en la librería libcap y puede ser ejecutado virtualmente en cualquier plataforma de Linux. MRTG, en [17.] (Multi Router Traffic Grapher), es una herramienta para monitorear tráfico de la carga de networking. Genera páginas HTML que contienen gráficos que proveen una representación visual del tráfico. Es basado en C y Perl y trabaja bajo Unix o NT. Ethereal/Wireshark, en [18.] y [19.] (Ethereal Network Protocol Analyzer), es un software de libre distribución, de código abierto, realizado bajo licencia GNU. Viene incluido en el software de instalación de las distribuciones de Linux. Además, existe otro conjunto de software que puede ser útil para desplegar redes virtuales, cara a simular la funcionalidad de los routers: NetEm, en [20.] provee la funcionalidad de un emulador de red para configurar las propiedades de redes WAN. La actual versión emula delay, packet loss, duplicación y reordenamiento, mas detalle en. The Click Modular Router, según [21.] y [22.], es un software de construcción y configuración de routers que implementa funciones de clasificación de paquetes, colas, scheduling e interfaces de dispositivos de red. IpFix (IP Flow Information Export), según [23.], define los requerimientos para exportar flujos de información IP de salida de los router y pruebas de medición de tráfico. Está documentado en el RFC Servicios de Redes Una vez establecido las métricas, el entorno virtual, los procedimientos y las herramientas de análisis de tráfico, se aplicarán de manera particular aunque sin restricción, a los servicios de red Streaming y a los de IP Multimedia Subsystem IMS. Streaming.- Es una tecnología C/S que permite la distribución de multimedia en vivo o grabado previamente. El programa se transmite por la red como un flujo continuo de información que es reproducida por las aplicaciones cliente. Algunas de las aplicaciones son: Transmisión de audio y video a través de Internet o una red privada, entretenimiento, conciertos musicales, eventos deportivos, congresos, video conferencia, telefonía sobre IP, educación, turismo y promociones [24.]. Para que esta tecnología funcione se debe implementar sincronización y control de flujos, adaptación de ancho de banda, calidad de servicio. Además técnicamente debe incluir características opcionales como autenticación, registro, codificación de contenidos, sub titulación, inserción de publicidad y producción, entre otros. Algunos problemas asociados a esta tecnología son los siguientes: El Streaming debe ofrecerse con una calidad de servicio óptima. Para ello, es necesario controlar los diferentes problemas que ocurren durante la transmisión, codificación, reproducción e interacción con el cliente. 3

4 Sus aplicaciones son muy sensibles a los retardos, aunque tienen cierta tolerancia a pérdida de datos [25.]. El Streaming funciona mejor con mayor ancho de banda, la calidad se deteriora en enlaces moderadamente congestionados IMS IP Multimedia Subsystem, en [26.].- Es una arquitectura estandardizada del NGN (Next Generation Network) para los operadores de telecomunicaciones que desean proporcionar servicios multimedia móviles y fijos. Utiliza Voz-sobre-IP (VoIP) basada en 3GPP (3rd Generation Partnership Project), que corre sobre el protocolo IP. IMS permite la creación de redes de próxima generación. Define una arquitectura de aplicaciones abierta que permite a los actuales ambientes de servicio acelerar la convergencia de voz, video, datos y movilidad. El IMS da a operadores de red y a proveedores de servicio la capacidad de control y carga para cada servicio. El IMS usa protocolos estandarizados abiertos y tecnologías líderes definidos por el IETF. Así pues, una sesión de multimedia entre dos usuarios del IMS, entre un usuario del IMS y un usuario en el Internet, y entre dos usuarios en el Internet se establece usando exactamente el mismo protocolo. Por otra parte, las interfaces para los desarrolladores del servicio también se basan en protocolos IP. Esta es la razón por la cual el IMS combina el Internet real con el mundo celular; utiliza tecnologías celulares para proporcionar el acceso ubicuo y tecnologías del Internet para proporcionar servicios atractivos. El IMS provee una suite de especificaciones que define los elementos e interfases necesarios para facilitar la interoperabilidad. Es muy útil para generar servicios convergentes y de valor agregado usando una arquitectura central estándar. Se basa en servidores de aplicaciones (Application Servers) para proveer los servicios. III. Objetivos El objetivo principal de este trabajo es obtener un entorno virtual sobre el que se puedan realizar experimentos de medida de calidad de servicio (QoS) en redes IP. Para llevar a cabo este objetivo se plantean los siguientes subobjetivos: 3.1 Estudiar el estado de arte sobre la Calidad de Servicio en redes IP, cara a escoger métricas de QoS, QoE y establecer procedimientos de medición, que permitan llevar a cabo las distintas medidas. 3.2 Evaluar las tecnologías actuales de simulación en entornos virtuales, cara a desarrollar el entorno de medidas a utilizar. 3.3 Diseñar y preparar un entorno virtual sobre el que se puedan desplegar distintas configuraciones de red cara a realizar los experimentos de medida. 3.4 Realizar experimentos de medida de QoS y QoE tomando como caso particular aunque no restringido, los servicios de Streaming e IMS. Despliegue del Streaming e IMS Despliegue de los mecanismos de medida. Análisis de tráfico a partir de los mecanismos de medida desplegados 3.5 Evaluar los resultados obtenidos en los experimentos realizados. 4

5 IV. Metodología Las fases a tener en cuenta para la realización de este proyecto son las siguientes: 4.1 Estudio de estado de arte de QoS, herramientas de tráfico y entornos virtuales. Duración: 2 meses. Al completar esta fase se habrá generado un documento que resuma el estado del arte. 4.2 Análisis, diseño e implementación de un entorno virtual para realizar medidas de QoS. Duración: 3 meses. Al completar esta fase se habrá generado un documento de análisis y diseño y se tendrá en funcionamiento el entorno virtual. 4.3 Aplicación, configuración y medidas de QoS, a los Servicios de Streaming e IMS. Duración: 2 meses. Al completar esta fase se habrá generado un documento que describa las métricas, su forma de configuración y medición, así, como la demostración de dichas medidas. 4.4 Evaluación de las medidas de QoS realizadas. Duración: 1 mes. Al completar esta fase habrá generado un documento que evalúe el trabajo realizado, cara a realizar modificaciones y mejoras en la arquitectura implementada, exponiendo las conclusiones que se extraigan del mismo. IV. Referencias Bibliográficas. [1.] Evaluación de los parámetros de QoS en entornos de Movilidad IP. Volumen: 1. Alumno: Héctor Julian-Bertomeu. Director/Ponente: Jordi Domingo Pascual. 12 de julio de Universidad Politécnica de Cataluña. [2.] Contribución a las metodologías para la evaluación de la calidad de servicio en redes heterogéneas. Tesis Doctoral. Autor: Luis Belido Triana. Director: David Fernández. Universidad Politécnica de Madrid [3.] Análisis de Prestaciones de un Planificador de Tráfico sobre Plataformas de Propósito General. Eduardo Magaña, Edurne Izkue y Jesús Villadangos. Universidad Pública de Navarra [4.] Monitorización de una red académica mediante Netflow. David López, Jorge E. López-de- Vergara, Luis Bellido, David Fernández, Departamento de Ingeniería de Sistemas Telemáticos, Universidad Politécnica de Madrid, ETSI Telecomunicación, y EPS de la Universidad Autónoma de Madrid [5.] Service Level Agreement. [6.] IP Performance Metrics (IPPM). [7.] End-user multimedia QoS categories, ITU-T Recommendation G.1010, en [8.] XEN (virtual machine monitor). 5

6 [9.] UML User-mode-Linux Kernel. [10.] VNUML, Virtual Network User Mode Linux, en [11.] Iperf [12.] MGEN. The Multi-Generator Toolset. [13.] ManageEngine NetFlow Analyzer 5. Simple Bandwidth Monitoring Tool. [14.] Traffic Analysis with Netflow. co_netflow.pdf [15.] Netperf. [16.] Ntop, en [17.] MRTG [18.] Ethereal. [19.] Wireshark. [20.] NetEm. [21.] The Click Modular Router Project. [22.] The Click Modular Router. By Eddie Kohler. PhD of MIT. February [23.] Requirements for IP Flow Information Export (IPFIX). J. Quittek, T. Zseby, B. Claise. RFC [24.] Fundamentos de Video Streaming, en [25.] Redes de Computadores. Un enfoque Descendente basado en Internet. James F. Kurose y Keith W. Ross. Addison Wesley, Madrid da. Edición. [26.] IMS IP Multimedia Subsystem. [27.] Realtime Traffic Flow Measurement (rtfm). [28.] Performance Testing Tools. Jan Bartoò. 30/10/ [29.] Benchmarking Methodology for Network Interconnect Devices. S. Bradner y J. McQuaid. RFC [30.] QoE versus QoS. Yves Cognet. QoS metrics. Marcoussis, 30th March

7 V. Propuesta de tribunal Jorge E. López de Vergara Méndez Javier Aracil Rico Francisco Javier Gómez Arribas 7