1 1 CAR vs Shaping Curso de Evaluación de Performance 2004 Santiago Avellanal Ing. Ruben Ingver

2 2 Agenda Policing vs Shaping Ejemplo estudiado Funcionamiento de CAR (Committed Access Rate) Funcionamieto de Shaping Elección del método de simulación Introducción al OPNET IT Guru AE Simulaciones realizadas Resultados y conclusiones Posibles estudios futuros Referencias

3 3 Explicación del problema ¿Cómo filtra un ISP el acceso si tiene servicios diferenciados? (Por ej: Acceso a Internet y acceso a Servidores (de Juegos, Streaming de Audio y Video, etc)) Llamaremos “servidores” a estos últimos Dos enfoques posibles: realizar Policing o Shaping

4 4 Policing vs Shaping Policing descarta (o marca) los paquetes que superan la tasa máxima Tráfico a la salida tiene forma de dientes de sierra Shaping guarda paquetes en la cola y los manda más tarde. La salida es más “suave”

5 5 Comparación Grafica

6 6 Ventajas y Desventajas de Shaping Ventajas: Menor probabilidad de descartar paquetes, por lo tanto menor cantidad de retransmisiones Desventajas: Aumenta el delay debido a las colas Preciso buffer y más procesamiento de datos

7 7 Ventajas y Desventajas de Policing Ventajas: Controlo mediante descarte, no preciso procesar datos No aumento el delay Desventajas: Propago las ráfagas. Debido a los Timeouts que se ocasionan, la ventana de congestión de TCP disminuye

8 8 Comentarios Policing y Shaping NO son excluyentes. Shaping se aplica al tráfico de salida mientras que Policing puede aplicarse tanto al tráfico de entrada como al de salida

9 9 Agenda Policing vs Shaping Ejemplo estudiado Funcionamiento de CAR (Committed Access Rate) Funcionamieto de Shaping Elección del método de simulación Introducción al OPNET IT Guru AE Simulaciones realizadas Resultados y conclusiones Posibles estudios futuros Referencias

10 10 Ejemplo estudiado Conexión ADSL de 4Mbps de bajada y 256kbps de subida Filtrado según qué está haciendo el cliente (acceso a “servidores” o a Internet) Para los “servidores” se usa todo el ancho de banda Limitaremos la conexión a Internet, 512kbps de bajada y 128kbps de subida Vamos a analizar solo la bajada de datos

11 11 Esquema de la red

12 12 ¿Cómo filtrar? “Servidores” con dirección IP determinada Si el paquete viene de los “servidores”, entonces le damos todo el ancho de banda (4Mbps) Si viene de otra dirección IP, limitamos a 512kbps

13 13 Agenda Policing vs Shaping Ejemplo estudiado Funcionamiento de CAR (Committed Access Rate) Funcionamieto de Shaping Elección del método de simulación Introducción al OPNET IT Guru AE Simulaciones realizadas Resultados y conclusiones Posibles estudios futuros Referencias

14 14 Policing Como ejemplo de policing usaremos una implementación de Cisco llamada CAR (Committed Access Rate)

15 15 CAR (Committed Access Rate) Sistema basado en Token Bucket Toma decisiones a partir del tamaño de la ráfaga Se basa en un sistema de Deudas, agregado al comportamiento normal del Token Bucket

16 16 Token Bucket (Balde con Fichas)(I)

17 17 Token Bucket(II) El Balde se llena con fichas a una tasa v Cuando se llena, las fichas se descartan Cuando llega un paquete de largo L, se ve si el balde tiene fichas suficientes Si hay fichas, el paquete sigue Si no, se descarta En el caso de Policing, v=(t1-t)*Tasa/8

18 18 Características del CAR Flujos In-Profile (cumplen con los requisitos) y Out-of- Profile (no cumplen con los requisitos) CIR (Committed Information Rate): Tasa promedio a largo plazo. Flujos cuyo throughput promedio sea igual o menor que CIR serán flujos In-Profile Bc (Common Burst): Tamaño normal de ráfaga permitido. Si se supera, el flujo será Out-of-Profile Be (Excess Burst): Los flujos que se encuentren entre Bc y Be serán Out-of-Profile con una probabilidad proporcional al tamaño de la ráfaga Se toman decisiones distintas para flujos In-Profile y Out-of-Profile

19 19 Valores recomendados por Cisco CIR = Tasa promedio (bps) Bc = CIR(bps)*1.5(s)/8(bits/byte) (bytes) Be = 2*Bc

20 20 Parámetros del CAR ∆t – Período de tiempo desde el último arribo Deuda – Fichas pedidas Current Debt (Dcur) – Deuda en intervalo actual Compound Debt (Dcomp) – Suma de todas las Dcur desde el último descarte Actual Debt (Dact) – Fichas pedidas hasta ahora desde el comienzo

21 21 Funcionamiento de CAR

22 22 Ejemplo de CAR Tasa de fichas por intervalo = 1 Bc = 2 Be = 4 Llegan 2 paquetes por intervalo

23 23 Ejemplo de CAR (II) TiempoPaquetes Arribados Deuda Actual Deuda Compuesta 1200 2200 3211 4223 523(temporal)6(temporal) 5220 6233 724(temporal)7(temporal) 7230

24 24 Ejemplo de CAR (III) En t=2 el flujo ya uso todo el Bc así que a partir de t=3 va a “pedir prestado” En t=5 la Dcomp supera a Be entonces se descarta el paquete. Dcomp vuelve a 0 y Dact queda en 2 En t=7 se supera nuevamente Be, así que se descarta el paquete. A partir del momento que Dact > Be, no se “prestan” más fichas

25 25 ¿Cómo logramos filtrar? ¿Por qué logramos 512kbps descartando paquetes? El feedback de TCP hace que el tráfico se regule a la tasa requerida mediante el cambio en la ventana de congestión

26 26 Ventana de Congestión (TCP Reno) Crece exponencialmente hasta detectar congestión (slow start) En ese momento se disminuye el tamaño de la ventana a 1 segmento máximo, empieza a crecer exponencialmente hasta la mitad de la ventana máxima lograda, y luego crece linealmente Si se detectan 3 ACKs del paquete x, se retransmite x y se baja la ventana a la mitad, para luego crecer linealmente

27 27 Agenda Policing vs Shaping Ejemplo estudiado Funcionamiento de CAR (Committed Access Rate) Funcionamieto de Shaping Elección del método de simulación Introducción al OPNET IT Guru AE Simulaciones realizadas Resultados y conclusiones Posibles estudios futuros Referencias

28 28 Shaping La idea es poner los paquetes que no puedan ser transmitidos en ese momento en algún tipo de cola para ser transmitidos más adelante. Se comporta como un Leaky Bucket El tasa a la salida es constante

29 29 Leaky Bucket

30 30 Colas Tipo de colas WFQ (Weighted Fair Queuing) FIFO (First In First Out) PQ (Priority Queuing) CQ (Custom Queuing) Etc

31 31 Agenda Policing vs Shaping Ejemplo estudiado Funcionamiento de CAR (Committed Access Rate) Funcionamieto de Shaping Elección del método de simulación Introducción al OPNET IT Guru AE Simulaciones realizadas Resultados y conclusiones Posibles estudios futuros Referencias

32 32 Elección del método de simulación Se consideró tres programas como posibles opciones: ns2 EasySim OPNET IT Guru AE

33 33 Consideraciones referentes a ns2 Ventajas Código abierto Amplio uso y validación académica Detalle (traceabilidad a nivel de paquetes) Desventajas Curva de aprendizaje lenta Necesidad de desarrollar código C++ para simular CAR

34 34 Consideraciones referentes a EasySim Ventajas Código disponible Simplicidad Desventajas Necesidad de desarrollar código JAVA para simular CAR y configurar colas en routers

35 35 Consideraciones referentes a OPNET IT Guru AE (I) Ventajas Amplio uso y validación académica Extensa biblioteca de modelos y protocolos disponible Interfaz gráfica completa Amigable CAR implementado

36 36 Consideraciones referentes a OPNET IT Guru AE (II) Desventajas No realiza análisis detallado a nivel de paquetes Limitado ex-profeso en cuanto al tamaño de la red a simular y a la cantidad de eventos simulados Documentación y ayuda con limitaciones

37 37 Agenda Policing vs Shaping Ejemplo estudiado Funcionamiento de CAR (Committed Access Rate) Funcionamieto de Shaping Elección del método de simulación Introducción al OPNET IT Guru AE Simulaciones realizadas Resultados y conclusiones Posibles estudios futuros Referencias

38 38 Programas de simulación de OPNET Existen varios programas de OPNET: Modeler, ODK, IT-Guru, SP Guru Modeler: Utilizado en muchas universidades, I y D de nuevos protocolos Modeler: Desarrollado en el MIT e introducido en 1987 (1er simulador de redes comercial) Modeler: Precio reducido al usarse para I y D (de acuerdo a www.opnet.com/services/university/) www.opnet.com/services/university/ IT Guru: Estudio y análisis de redes. No apropiado para creación y/o modificación de protocolos IT Guru: No incluye editor de nodos ni de procesos IT Guru AE: (Academic Edition) Es una versión limitada y gratuita del IT Guru (versión comercial) IT Guru AE: La idea es que sea suficiente para educación y estudios académicos pero que estudios más detallados requieran de una licencia comercial

39 39 OPNET IT Guru AE (I) Características Se baja gratuitamente desde www.opnet.com www.opnet.com Modelado de paquetes por eventos discretos Modelado analítico de colas de paquetes para el tráfico que está en la forma de “flujo” de datos Basado en el IT Guru versión comercial (versión 9.1 de 1994) Corre en Windows 2000 y superiores

40 40 OPNET IT Guru AE (II) Características (cont.) Limitado en cuanto a capacidades de: importación, exportación, modelado, y análisis Se puede construir topologías de hasta 20 nodos (con 2 o más conexiones c/u) Se puede simular hasta 50 x 10 6 eventos No tiene agentes de captura para importar datos desde fuentes de gestión de redes. Se construye topologías “manualmente” Adicionalmente la herramienta ACE (Application Characterization Environment) provee capacidades de visualización y diagnóstico que ayudan al análisis de aplicaciones en redes

41 41 Aprendizaje OPNET IT Guru AE (I) No existe un tutorial completo suministrado por OPNET El programa incluye un tutorial introductorio en.pdf muy limitado, y en algunos casos breves definiciones contextuales Desde los menús se puede acceder a diferentes archivos.pdf con explicaciones Están incluidos algunos proyectos ilustrativos cuyas simulaciones pueden ser corridas Varios libros incluyen Laboratorios para correr con el programa. Estos Laboratorios incluyen explicaciones que ayudan a entender como utilizar el OPNET IT Guru. En algunos casos se incluyen los archivos de los ejemplos

42 42 Aprendizaje OPNET IT Guru AE (II) Se puede acceder a un foro con preguntas y respuestas de usuarios en www.forums.opnet.com/cgi- bin/ubb/Ultimate.cgi?action=intro www.forums.opnet.com/cgi- bin/ubb/Ultimate.cgi?action=intro Algunos libros que incluyen Laboratorios: (*)Business Data Networks & Telecommunications - 4ª Ed. - Raymond R. Panko (Se puede bajar 7 Laboratorios y los archivos correspondientes de www.opnet.com/services/university/itg _panko.html www.opnet.com/services/university/itg _panko.html (*)Computer Networks – A Systems Aproach - 3ª Ed. – Larry Peterson & Bruce Davie (12 Laboratorios) (*) Laboratorios disponibles

43 43 Agenda Policing vs Shaping Ejemplo estudiado Funcionamiento de CAR (Committed Access Rate) Funcionamieto de Shaping Elección del método de simulación Introducción al OPNET IT Guru AE Simulaciones realizadas Resultados y conclusiones Posibles estudios futuros Referencias

44 44 Red completa (Figura 1)

45 45 Redes simuladas (Figura 2)

46 46 Tráfico (paquetes/s)

47 47 Tráfico Total (paquetes)

48 48 Tiempo de bajada (s) En medidas previas realizadas, (en red similar a la de la figura 1), se reportó (para bajar un archivo FTP de aprox.100MB), una tasa de 58.2Kbyte/s. Esto corresponde a un tiempo de bajada de 100x1024 2 s = 29min 58.2x1024 En la simulación adjunta, (red de la figura 2), se obtiene 35 min para el caso de CAR y 29 min para el caso de Shaping

49 49 Throughput en el enlace al usuario

50 50 Throughputs Integrados en el enlace al servidor

51 51 Ventana de Congestión del Servidor FTP

52 52 Round Trip Time

53 53 Retransmisiones TiempoRetrans 839.00007141 839.20007141 839.40007141 840.51 840.60007141 840.80007141 841.00007141 841.20007141 841.40007141 842.51 842.60007141 842.80007141 843.00007141 Se puede exportar las estadísticas a una Planilla de Datos para su análisis. En el ejemplo con shaping no hubo retransmisiones.

54 54 Números de Secuencia enviados y recibidos en CAR

55 55 Números de Secuencia enviados y recibidos en Shaping

56 56 Agenda Policing vs Shaping Ejemplo estudiado Funcionamiento de CAR (Committed Access Rate) Funcionamieto de Shaping Elección del método de simulación Características del OPNET IT Guru AE Simulaciones realizadas Resultados y conclusiones Posibles estudios futuros Referencias

57 57 Resultados y Conclusiones (I) La simulación se hizo sobre los escenarios de la Figura 2. El tiempo simulado fue de 4 hrs, bajando el usuario un archivo de 100MB desde el Servidor FTP. La aplicación FTP comienza 10 min después de comenzada la simulación. No se configuró ningún delay ni pérdida de paquetes en los enlaces. Tiempo de Bajada: El tiempo de bajada en la simulación de CAR es de 35 min, siendo el de la medida reportada de 29 min. El tiempo de bajada en la simulación de Shaping es de 29 min ( 17% inferior al de CAR). Descarte de Paquetes: La simulación con CAR arrojó un 10% de descartes,siendo la medida reportada de alrededor del 15%. Con Shaping no hubo descartes de paquetes.

58 58 Resultados y Conclusiones (II) Throughput: En el enlace al usuario 526Kbps para Shaping y 421Kbps para CAR. (25% mayor Shaping a CAR) Throughput integrado: En el enlace al servidor fue de 928.6Mbits para CAR y 856.9Mbits para Shaping. Esto representa un 8% de incremento en la carga del servidor. Esto es razonable dadas las retransmisiones por paquetes descartados realizadas en el caso de CAR. RTT: Para Shaping fue de 136ms y para CAR fue de 72ms. El incremento es razonable al existir en el caso de Shaping encolamiento de paquetes.

59 59 Resultados y Conclusiones (III) Ventana de congestión (servidor): Para CAR se verificó el comportamiento tipo diente de sierra característico de TCP al haber pérdidas de paquetes. La ventana osciló entre 13054 bytes y 1460 bytes. Para Shaping la ventana de congestión creció monótonamente. Esto es razonable al no haber pérdida de paquetes ni congestión en la red. Retransmisiones: Para CAR hubo 5954 retransmisiones de paquetes no habiendo retransmisiones en Shaping. Números de secuencia: Se graficó los números de secuencia de segmento enviados por el servidor y los recibidos por el usuario. Las gráficas muestran la pérdida de paquetes en el caso de CAR y la no pérdida en el caso de Shaping.

60 60 Resultados y Conclusiones (III) Se observó un mejor comportamiento del Shaping con respecto al CAR para el escenario simulado (excepto en lo que respecta al RTT). El programa OPNET IT Guru AE demostró ser una herramienta muy útil y versátil para la simulación de redes. Hasta donde sabemos no se la utiliza en nuestro país. En nuestra opinión sería interesante difundir su uso tanto como herramienta educacional como para planificación de redes pequeñas. Dada la impresión favorable que nos dejó la Edición Académica cabe esperar que las versiones comerciales de OPNET sean herramientas muy poderosas como ayudas en la planificación de redes y/o la investigación académica.

61 61 Agenda Policing vs Shaping Ejemplo estudiado Funcionamiento de CAR (Committed Access Rate) Funcionamieto de Shaping Elección del método de simulación Características del OPNET IT Guru AE Simulaciones realizadas Resultados y conclusiones Posibles estudios futuros Referencias

62 62 Posibles estudios futuros Realizar simulaciones con el OPNET IT Guru con diferentes topologías y aplicaciones para ver como se comportan CAR y Shaping. En particular estudiar, influencia de los retardos, de la pérdida de paquetes, y comportamiento frente a tráfico UDP. Contrastar resultados de simulaciones con más medidas para validarlas. Desarrollar código C++ para simular CAR en ns-2. Un buen comienzo sería realizar el trabajo práctico “Token Bucket Filter” (Ver Ref.) Desarrollar el código siguiendo ejemplos de los tutoriales referidos en la página del ns-2 (Ver Ref.). Utilizar los archivos tbf.tcl, tbf.cc, y tbf.h (contenidos en la distribución de ns-2) para implementar CAR.

63 63 Agenda Policing vs Shaping Ejemplo estudiado Funcionamiento de CAR (Committed Access Rate) Funcionamieto de Shaping Elección del método de simulación Características del OPNET IT Guru AE Simulaciones realizadas Resultados y conclusiones Posibles estudios futuros Referencias

64 64 Referencias (I) Cisco - Comparing Traffic Policing and Traffic Shaping for Bandwidth Limiting http://www.cisco.com/en/US/tech/tk543/tk545/technologies_tech_note09186a0 0800a3a25.shtml -.com/ Cisco – Policing and Shaping Overview http://www.cisco.com/en/US/products/sw/iosswrel/ps1835/products_configurati on_guide_chapter09186a00800bd8ed.html Cisco – Policing and Shaping Overview http://www.cisco.com/en/US/products/sw/iosswrel/ps1835/products_configu ration_guide_chapter09186a00800bd8ed.html

65 65 Referencias (II) Cisco - Comparing Traffic Policing and Traffic Shaping for Bandwidth Limiting http://www.cisco.com/en/US/tech/tk543/tk545/technologies_tech_note09186a0080 0a3a25.shtml -.com/ Michael Kartvelishvili – IP QoS Architectures Therory and Practice – Georgian Research and Educational Networking Association http://www.silkproject.org/workshops/Tashkent%20workshop/download/QoS_Archi tectures.ppt Gilberto Flores Lucio y otros - OPNET Modeler and NS-2: Comparing the Accuracy of Network Simulators for Packet- Level Analysis using a Network Testbed – University of Essex http://genie.iitd.ernet.in/ns/weas.pdf

66 66 Referencias (III) Redes de Computadoras 3ª Ed. – Andrew S. Tanenbaum – Editorial Pearson Página web de OPNET Tecnologies www.opnet.com Página web de The Network Simulator ns-2 http://www.isi.edu/nsnam/ns/ Sandrine Calomme -Token Bucket Filter – Travail Pratique 2 – Structure des réseaux informatiques et multimédia – Institut Montefiore – Université de Liège http:/www.run.montefiore.ulg.ac.be/cours/srm/tp2/tbf/

67 67 Agradecimientos Ing. Claudio Risso Federico Morales Ing. Sergio Chonichesky Ing. Pablo Rodríguez Bocca