Nuevas políticas de planificación de colas con aplicaciones al tráfico de tiempo real

Transcripción

1 Nuevas políticas de planificación de colas con aplicaciones al tráfico de tiempo real

2 Nuevas políticas de planificación de colas con Juan Martínez Romo Proyecto Fin de Carrera Tutores: Luis López Fernández y Juan Céspedes Prieto Ingeniería Informática Curso Universidad Rey Juan Carlos

3 Índice 1. Resumen y conceptos importantes 2. Punto de partida 3. Políticas propuestas 4. Diseño 5. Implementación 6. Arquitectura de red en pruebas 7. Análisis de los resultados 8. Conclusiones

4 1. Resumen Implementar cinco nuevas políticas de planificación de colas. Modificar el kernel de Linux. Aplicación de transmisión con arquitectura cliente-servidor. Analizar la mejora en la calidad de servicio.

5 1. Calidad de servicio Latencia. Tiempo necesario para que un paquete viaje desde su origen a su destino. Jitter. Tiempo que transcurre entre la llegada de dos paquetes consecutivos. Ancho de banda. Cantidad de información que consigue llegar al destino por unidad de tiempo. Pérdida de paquetes. Paquetes eliminados en los routers por congestión de la red u otras circunstancias.

6 1. Planificación de colas Qué es la planificación de colas Es el criterio que utiliza el kernel del sistema operativo para gestionar las prioridades entre los paquetes que debe encaminar. Tipos de planificación FIFO, LIFO, el paquete más viejo, el paquete con un tamaño mayor, etc

7 2. Punto de partida Políticas FIFO en routers actualmente. Ningún criterio para ordenar la cola. Perjuicio en aplicaciones de tiempo real. Modelo de Adversario AQT (Adversarial Queueing Theory). Califica la planificación de colas como un factor determinante en la calidad de servicio. Formalmente expone mejoras en la calidad de servicio. Nunca antes había sido llevado a la práctica.

8 3. Políticas propuestas por AQT NFS (Nearest-from-source) Mayor prioridad con un ttl (time-to-live) mayor. FFS (Farthest-from-source) Mayor prioridad con un ttl menor. SIS (Shortest-in-system) Mayor prioridad con un sello de tiempo mayor. LIS (Longest-in-system) Mayor prioridad con un sello de tiempo menor. LISB, latencia como suma de tiempo en colas.

9 4. Diseño cliente-servidor Cliente construye tres tipos de paquete con formatos distintos. Servidor extrae información y calcula parámetros de calidad de servicio.

10 4. Diseño de las políticas Políticas basadas en el ttl de los paquetes. Políticas basadas en el timestamp de los paquetes.

11 5. Implementación cliente-servidor Cliente Sockets.h (Librería de Linux, comunicaciones entre nodos) Sockets Raw ( Por qué?, nivel ip) Network.h (funciones para abrir, cerrar, atarse, enviar y recibir) Time.h (dos tipos de precisiones en tres funciones) Packet.h (Estructura ipheader, función buildpacket()) client [-x -l] host puerto [-r <nanosegundos >] Ratio emitido según una distribución exponencial

12 5. Implementación cliente-servidor Servidor Estructuras almacén (Tinfo, Latencias, Jitters, Anchos de banda) server [-t tiempo -p paquetes] hosts [tiempo ignorado] Parámetros, hostent, socket Bucle Recepción de paquete. Captura de tiempo (time.h) Identificación formato paquete (ovflag). Separación de flujos (udpheader). Calculo de latencia y jitter. Almacenaje de latencia y jitter. Cálculo de ancho de banda por flujo. Volcado de información en ficheros.

13 5. Implementación de las políticas Trabajo compuesto por dos frentes Construir las disciplinas de colas para la herramienta tc. Desarrollar los módulos del kernel con los organizadores de colas. Disciplinas de colas Objetivo (tc conozca la existencia, parser de parámetros pasados a tc, información sobre opciones de la política) Estructura qdisc_util (puntero a dos funciones y un identificador) Identificador parse_qopt() print_qopt()

14 5. Implementación de las políticas Organizador de cola Cómo es una cola? Estructura Qdisc_ops (inicializar, encolar, desencolar, borrar, etc ) struct Qdisc ops { struct Qdisc ops *next; struct Qdisc class ops *cl ops; char id[ifnamsiz]; int priv size; int (*enqueue)(struct sk buff *, struct Qdisc *); struct sk buff * (*dequeue)(struct Qdisc *); int (*requeue)(struct sk buff *, struct Qdisc *); int (*drop)(struct Qdisc *); int (*init)(struct Qdisc *, struct rtattr *arg); void (*reset)(struct Qdisc *); void (*destroy)(struct Qdisc *); int (*dump)(struct Qdisc *, struct sk buff *); };

15 5. Implementación de las políticas Función de encolado (nfs,ffs,sis y lis); en el caso de sis y lis además identificación formato timestamp.

16 5. Implementación de las políticas Política LISB Función de encolado t1 Función de desencolado

17 6. Arquitectura de red en pruebas Topología de red jerárquica en árbol y topología en anillo. Máquinas Linux con una distribución Debian. Versión del kernel Tarjetas de red pci 3Com Versión de iproute Versión de ntp 4.2.0

18 7. Análisis de los resultados Escenarios Topologías en árbol y en anillo Ratios de transmisión Interpretación de las gráficas estadísticas Identificación de los nodos según redes en la topología en arbol.

19 7. Análisis de los resultados Análisis del ancho de banda con una topología en árbol. En términos absolutos no mejora ya que la media de las tres redes no varían mucho. En términos relativos, FFS, LIS y LISB reparten el ancho de banda de manera más justa.

20 7. Análisis de los resultados Análisis de la latencia con una topología en árbol. En términos relativos se observa una mejora sustancial en la uniformidad de LIS. Media de las tres redes es mayor en FIFO que en LIS.

21 7. Análisis de los resultados Análisis del jitter con una topología en árbol. Políticas FFS, LIS y LISB más uniformes de NFS, SIS y FIFO. Media de la desviación estándar es menor en LISB que en FIFO.

22 7. Análisis de los resultados Análisis del ancho de banda con una topología en anillo. Sin diferencias significativas entre la mayoría de las políticas excepto en NFS. En NFS el flujo creado localmente estrangula los flujos que encamina por eso se produce una caída al aumentar la carga de la red.

23 7. Análisis de los resultados Análisis de la latencia con una topología en anillo. A mayor carga de red, mayor mejora en FFS, LIS y LISB. La desviación estándar es menor en LISB que en FIFO a pesar de no apreciarse claramente.

24 7. Análisis de los resultados Análisis del jitter con una topología en anillo. No se aprecian grandes diferencias.

25 8. Conclusiones y trabajo futuro Conclusiones Las políticas FFS, LIS y LISB mejoran claramente los parámetros de calidad de servicio a FIFO. La política LIS resulta la que mayores mejoras produce. Aplicaciones de tiempo real verían mejoradas sus prestaciones aplicando este tipo de políticas. Trabajo futuro Análisis estadísticos empleando redes de mayor envergadura. Empleo de una topología de toro. Utilización de una aplicación de tiempo real sobre esta red.

26 Preguntas y comentarios

27 Diseño de la cola Entrada; Filtrado de paquetes según el protocolo. Salida; Ancho de banda limitado según nodo y topología.

28 6. Arquitectura de red en pruebas Topología de red jerárquica en árbol y topología en anillo. 1000K / 7 nodos = 142,8K 142,8K * 3 nodos = 429K 142,8K * 5 nodos = 715K

29 7. Análisis de los resultados Análisis especial de la latencia en NFS con una topología en árbol. Resultados con dos implementaciones ligeramente distintas. En la segunda implementación en caso de empate el paquete que llega más tarde se coloca detrás.

30 Esfuerzo realizado Documentación: 80 horas. Desarrollo aplicación cliente-servidor: 100 horas. Desarrollo políticas: 240 horas. Construcción redes físicamente: 40 horas. Pruebas: 60 horas. Realización análisis resultados: 70 horas. Memoria: 160 horas. Tiempo total aproximado: 750 horas.