Performance de redes de Telecomunicaciones. Objetivo del curso

Transcripción

1 Performance de redes de Telecomunicaciones Objetivo del curso Estudiar algunas herramientas de modelado y análisis de performance de redes de Telecomunicaciones

2 Temario 1. Introducción Repaso de conceptos básicos de redes (queda material en el WEB) 2. Análisis de la performance del protocolo TCP y mecanismos de control de congestión. 3. Simulación de redes 4. Importancia del estudio de performance en las redes actuales 5. Teoría de Colas como herramienta básica de análisis estadístico de redes. 6. Multiplexado estadístico en redes. 7. Metrología en redes IP. Herramientas. Bibliografía Data Networks Bertsekas/Gallager (1993) Es un libro no actualizado en cuanto a tecnología de redes pero que presenta una muy buena introduccióm al estudio de redes con una introducción al fundamento matemático del análisis de performance. Computer Networks, A.S.Tanenbaum, Prentice Hall PTR, ISBN , 4ta edición Es un libro muy actualizado sobre redes pero que no hace un análisis de performance de ellas. Queueing Theory for Telecomunications, John N. Diagle, Adison Wesley Computer Networks and Systems, Thomas G. Robertazzi, Third edition 2000, Springer. Markov Chains, J.R. Norris, Cambridge University Press, Queueing Systems (I and II) Kleinrock IETF, RFCs, ATM Forum, Frame Relay Forum,

3 Protocolos de transporte TCP y UDP Agenda Protocolo TCP Direccionamiento Establecimiento y corte de conexiones Control de flujo Control de congestión Protocolo UDP

4 Protocolo TCP Protocolo de capa de transporte (extremo a extremo) orientado a conexión y confiable Garantiza un flujo confiable de información entre un cliente y un servidor Formato del segmento TCP Puerto de origen Puerto de destino Número de secuencia Opciones (0 o más Número palabras de reconocimiento de 32 bits) TCP Datos Window (opcional) Scale Option Header Puerto RTTM de origen -- Round-Trip Time Measurement U A P R S F Window size length PAWS Puerto (16--bits) de Protect destino Against Wrapped Sequence Numbers Identificador Número de de (16 la secuencia entidad bits) de de capa envío 4 Identificador que Número origina de de el (32 Checksum segmento la secuencia entidad bits) en de de la capa reconocimiento 4 Urgent Pointer destinataria Secuencia máquina de del este origen segmento segmento (32 bits) en la en el Tamaño Indica máquina al destinatario flujo ventana destino idadel en recepción segmento, Opciones (opcional) cual Largo es el Bandera del encabezado FIN (1 bit) próximo número (16 bits) de secuencia que Es el (4 bits) originador espera recibir en el flujo de Número vuelta Bandera 1 para indicar de palabras RST (1 fase bit) de corte de Indica la cantidad máxima de bytes de Es 1 para 32 indicar bits en un el reset de la Bandera Bandera Bandera conexión Datos (opcional) encabezado conexión ACK PSH (1 SYN bit) (1 bit) que (1 bit) Urgent se aceptarán Pointer en (16 el bits) flujo de Es 1 Es si 1 se para Checksum usa Es 1 el indicar campo para al TCP indicar de receptor (16 bits) número fase que vuelta (control de flujo) Suma de Indica la posición a partir de el de debe establecimiento reconocimiento pasar complemento estos datos a 1 de las de conexión número de secuencia del segmento inmediatamente palabras de 16 a bits la capa del encabezado, superior donde finalizan los datos urgentes los datos y el pseudoheader. Se 32 Bandera bits toma URG el (1 complemento bit) a 1 del Es 1 si se usa el Urgent resultado Pointer

5 Pseudo header Se utiliza en el cálculo del checksum de TCP Viola la independencia de capas Dirección IP de origen Dirección IP de destino Protocolo Largo del segmento (encabezado+datos) 32 bits Establecimiento de conexión Originador Destinatario Solicitud de conexión Bandera SYN = 1 Bandera ACK = 0 Secuencia = x Respuesta Bandera SYN = 1 Bandera ACK = 1 Secuencia = y Reconocimiento = x + 1 Confirmación Bandera SYN = 0 Bandera ACK = 1 Secuencia = x + 1 Reconocimiento = y + 1 En este punto el originador da por establecida la conexión En este punto el destinatario da por establecida la conexión

6 Host A Corte de conexión Datos (sec=z) Host B Indicación de corte de A Bandera FIN = 1 Bandera ACK = 1 Secuencia = w Reconocimiento = z + 1 +datos ACK Confirmación de corte Bandera FIN = 0 Bandera ACK = 1 Secuencia = z + 1 Reconocimiento = w + 1 Más datos! B puede seguir enviando datos Indicación de corte de B Bandera FIN = 1 Bandera ACK = 1 Secuencia = t Reconocimiento = w + 1 En este punto el host A da por cortada la conexión (él no va a enviar más datos) Confirmación de corte Bandera FIN = 0 Bandera ACK = 1 En Secuencia este punto = el w host + 1 B da Reconocimiento por cortada la conexión = t + 1 (él no va a enviar más datos) Control de flujo Se utiliza un protocolo de ventana variable Cada segmento tiene una indicación del tamaño de la ventana disponible en recepción El transmisor no puede utilizar un tamaño en su ventana de transmisión mayor a la capacidad indicada por el tamaño de la ventana del receptor

7 Control de congestión Para controlar la congestión hay que tener realimentación de la red TCP supone que si el reconocimiento de un segmento no llega dentro del tiempo establecido, se debe a que la red está congestionada En esta hipótesis, la ventana del trasmisor se ajusta ante la ocurrencia de timeouts en los reconocimientos Veremos más adelante el detalle de su funcionamiento Protocolo UDP Protocolo de transporte no orientado a conexión y no confiable La única información de capa de transporte que requiere son los puertos de origen y destino Lo utilizan entre otros todas las aplicaciones con requerimientos de tiempo real.

8 Formato del segmento UDP Puerto de origen Largo del segmento Puerto de destino Checksum 32 bits Largo del segmento Puerto de destino Puerto de origen (16 bits) (16 bits) (16 bits) Cantidad Identificador bytes Checksum del de la entidad (16 bits) de Identificador capa 4 de la entidad de capa 4 segmento Suma incluyendo destinataria complemento del segmento Datos a (opcional) 1 de en las la que origina el segmento en la encabezado palabras y datos de máquina 16 bits destino del encabezado, máquina origen los datos y Datos el pseudoheader. (opcional) Se toma el complemento a 1 del resultado Performance del Protocolo TCP

9 Sabores de TCP Algunos de ellos: Tahoe (Jacobson 1988) Slow Start Congestion Avoidance Fast Retransmit Reno (Jacobson 1990) Fast Recovery Vegas (Brakmo & Peterson 1994) New Congestion Avoidance Otras mejoras RED (Floyd & Jacobson 1993) Otros mecanismos de AQM han sido propuestos Slow start TCP Las primeras versiones de TCP comenzaban una conexión con la fuente inyectando el tamaño de la ventana entera a la red. Si existen enlaces lentos o congestionados en el camino, esto podía crea o aumentar la congestión. El mecanismo de comienzo lento es introducido para evitar esto y la fuente va aumentando su ventana en lugar de comenzar con la ventana máxima. Lo que sucede es que con este mecanismo la fuente descubre cuál es la capacidad de la red.

10 El algoritmo de slow start La fuente mantiene una variable entera denominada cwnd. Cuando una conexión es establecida cwnd = segsize ( tamaño del segmento) LA fuente siempre transmite hasta el mínimo entre cwnd y rwnd ( tamaño de la ventana advertido por el receptor) Cada vez que se recibe un ACK: cwnd = cwnd+segsize El algoritmo slow start El transmisor comienza enviando un segmento y esperando el ACK correspondiente Cuando el ACK es recibido cwnd es incrementado a 2 segmentos y dos segmentos son enviados Cuando de ambos segmentos se recibe un ACK cwnd se lleva a 4 segmentos cwnd se duplica en cada RTT El crecimiento es exponencial Hasta que se llegue a rwnd o a que se detecte congestión.

11 Slow start Congestión Cuando se detecta una situación de congestión, cwnd se reduce a 1 segmento. Sin embargo como se detectó congestión, ahora se crecerá exponencialmente hasta la mitad de la ventana máxima que se logró y luego linealmente. El punto medio se almacena en una variable llamada ssthresh

12 Algoritmo Cuando se establece una conexión cwnd= segsize ssthresh= En cada ACK se crece cwnd = cwnd+segsize hasta rwnd o que ocurra congestión. Cuando ocurre un timeout ssthresh = max(cwnd/2,segsize*2) cwnd = segsize Cuando se recibe un ACK Si cwnd <= ssthresh, entonces cwnd = cwnd +segsize En otro caso cwnd= cwnd + segsize*segsize/cwnd Los ACKs en TCP TCP reconoce el próximo byte que espera recibir ACK = x indica que todos los bytes hasta e incluido el x-1 han sido recibidos satisfactoriamente Cuando se recibe x-1,x+1,x+2,x+3,.. Se responde los ACK de x,x,x,x,... Indicando que se espera recibir un segmento con número de secuencia x ACKs duplicados son fuertes indicaciones de que se perdió el paquete x.

13 Triple recibo de ACK Cuando se reciben un ACK(x) por triplicado se retransmite x inmediatamente ( fast retransmission) Queremos además responder a esta situación disminuyendo la ventana pero no de manera tan pesimista como cuando se da un time-out. Lo que se hace luego de retransmitir x es reducir cwnd a la mitad. A partir de este punto se comienza con la parte lineal salteando la fase de slow start (fast recovery) Fast retransmit

14 Indicaciones de congestión Una fuente TCP recibe dos tipos de indicaciones de pérdida de paquetes Triplicaciones de ACK (TDA) Time-outs (TO) TDA reduce cwnd a la mitad TO reduce a 1 segmento. Time Outs Inicialmente se setea el período de TO a un valor inicial T 0 Luego de un TO cwnd es reducida a 1 segmento, permitiendo solo la retransmisión del paquete perdido Si la retransmisión falla, el período TO es incrementado a 2T 0 Si las retransmisiones continúan fallando se sigue incrementado a 4T 0, etc. hasta 64T 0 T 0 se setea en un valor inicial y luego se ajusta en función del RTT medido

15 Análisis de performance de TCP Se han desarrollado diversos modelos de TCP en los últimos años Todos ellos realizan simplificaciones al protocolo y a la red para poder llegar a modelos tratables analíticamente La mayoría de los modelos se aplican ó a largas transferencias de archivos ó a conexiones de corta duración Análisis de performance de TCP Los modelos para largas transferencias descartan las fases de establecimiento de la conexión y desconexión y la fase de slow start. Nosotros analizaremos las hipótesis y los resultados a los que llegan. El detalle de los cálculos, los pueden encontrar por ejemplo en: Modeling TCP throughput: a simple model and its empirical validation- Padhye, Firoiu, Towsley, Kurose-SIGCOMM 98 Los modelos para flujos cortos se concentran por el contrario en el modelado del establecimiento de la conexión y en la fase de slow start. Nosotros analizaremos las hipótesis y los resultados a los que llegan. El detalle de los cálculos, los pueden encontrar por ejemplo en: TCP model for short lived flow- Mellia, Stoica, Zhang, IEEE Communication Leters, 2002.

16 Análisis de performance de TCP Otros modelos propuestos en los últimos años analizan el problema de múltiples fuentes TCP compitiendo en la red como un problema de mercado donde muchos consumidores compiten por un recurso tratando de optimizar su utilidad. Traducen el estudio de performance de TCP a el análisis de un problema de optimización convexa. Veremos este enfoque más adelante. Análisis de performance de TCP Analizaremos primero el trabajo: Modeling TCP throughput: a simple model and its empirical validation- Padhye, Firoiu, Towsley, Kurose-SIGCOMM 98 Para un primer análisis asume que solo se producen TDAs, luego complica el desarrollo agregando la posibilidad de Time Outs. Asume también que el tiempo requerido para enviar todos los paquetes de una ventana es menor que el RTT

17 Análisis de la performance de TCP Define : TDP al período entre dos indicaciones TDA A i : la duración del i-esimo período TDP i Y i :el número de paquetes enviados en el TDP i W i :el tamaño de la ventana cwnd al final del período TDP i b: el número de paquetes reconocidos por la recepción de un ACK rij: la duración del j-esimo rtt en el TDPi Queremos calcular B = E[Y]/E[A] Perfomance TCP Un período TDP comienza inmediatamente después de una indicación de TDA y cwnd pasa a W i-1 /2 En cada vuelta la ventana es incrementada en 1/b y el número de paquetes enviados es incrementado en 1 cada b vueltas Sea α iel primer paquete perdido en el TDPi y sea Xi el ciclo donde esa pérdida ocurre. Luego del paquete α i,w i -1 paquetes más son enviados.

18 TCP Paquetes enviados lost packet received packet En el ejemplo asumimos b=2 W i Llegan los ACKs duplicados W i α α i X i i 1 W i 2 β i Ronda nº Otras hipótesis La probabilidad de que un paquete se pierda en una ronda es independiente de lo que sucedió en las rondas anteriores Si se pierde un paquete en una ronda todos los restantes paquetes en esa ronda también se pierden. Define p, la probabilidad de que se pierda un paquete en el camino dado que es el primero de una ronda o que los anteriores a el en la ronda no se perdieron. Consideramos que ri,j es una variable aleatoria independiente del tamaño de la ventana y por tanto de i y j. Para simplificar, asume que {W i } y {X i } son secuencias de va i.i.d y mutuamente independientes

19 Performance TCP Llega a : b 8(1 p) 2 + b E[ W ] = + + 3b 3bp 3b Para valores pequeños de p: E[ W ] = 8 3bp Performance TCP Y que: 1 p 2 + b 8(1 p) 2 + b p 3b 3bp 3b B( p) = b 2b(1 p) 2 + b RTT p 6 Que se puede expresar para p pequeño B( p) = 1 RTT 3 2bp 2

20 Comentarios TCP favorece los flujos con RTT pequeño Disminuir la probabilidad de pérdida no aumenta en la misma proporción el throughput Performance teniendo en cuenta los Time-outs Inicialmente se setea el período de TO a un valor inicial T 0 Luego de un TO cwnd es reducida a 1 segmento, permitiendo solo la retransmisión del paquete perdido Si la retransmisión falla, el período TO es incrementado a 2T 0 Si las retransmisiones continúan fallando se sigue incrementado a 4T 0, etc. hasta 64T 0

21 Tamaño de La ventana Performance TCP W i1 W i2 W i3 A i1 A i2 A i3 T 0 2T 0 4T 0 Z i TD Z i TO S i Performance en TCP Observación: los resultados son para throughput y no goodput Luego de diversas operaciones se llega a que: B( p) RTT 2bp 3 + T 1 min 1,3 3bp p( p )

22 Observación Los Time Outs deterioran la performance de TCP Si To es grande peor será el throughput RFC793 TCP : To = 2*RTT Cuanto mayor es el RTT por este lado también se empeora la performance. Producto ancho de banda por retardo grande w Fuente TCP B c d Receptor TCP Para simplificar supongamos un solo flujo qué sucede si w < cd? si w > cd? cuál es la ventana máxima? Qué sucede si B < cd?

23 Modelo para flujos de corta duración TCP model for short lived flow- Mellia, Stoica, Zhang, IEEE Communication Leters, En el caso de flujos cortos se concentra en las fases de establecimiento de la conexión y en la fase de slow start. Lo que hace es ir calculando el tiempo requerido para transmitir 1, 2, 3, 4, etc. paquetes viendo todas las posibilidades que se pueden presentar El cálculo se hace en función de La probabilidad que se pierda un SYN El RTT, el To para el SYN, la probabilidad que se pierda un paquete de datos y el To para los datos. El mayor impacto se da por el To Existen otros modelos más complejos. En la página quedan algunas referencias adicionales. TCP: un problema de optimización Rate control in communication networks: shadow prices, proportional fairness and stability Kelly, Mullo, Tan Es el primer trabajo con esta óptica, introduce esta forma de análisis y estudia este tipo de problemas Internet Congestion Control: Low, Paganini, Doyle (2002) Buscan entender el funcionamiento de TCP mirando el problema desde otra óptica y a partir de allí analizar como mejorarlo

24 TCP: un problema de optimización max quién es U en tcp? x U ( x ) x c Steven H. Low: A duality model of TCP and queue management algorithms. IEEE/ACM Trans. Networking. 11(4): (2003) El sistema converge a un optimo global estable? Cómo se puede mejorar TCP? i sujeto a i i Veremos alguno de estos temas en la charla de Paganini. i i Active queue management Proveer información de congestión antes que se llenen las colas y minimizando la cantidad de paquetes perdidos. cómo medir congestión? cómo enviar la información de congestión a la fuente?

25 RED (Floyd & Jacobson 1993) Se mide la congestión midiendo el tamaño promedio de la cola Marking, dropping 1 Avgqueue O se descartan paquetes o se indica con bits del paquete la congestión (ECN) Otros mecanismos con otras funciones de descarte. Ej REM