CAR vs Shaping

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

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. 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. 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. Comparación Grafica

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. 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. 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. 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. 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. Esquema de la red

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

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. Token Bucket (Balde con Fichas)(I)

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

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. Funcionamiento de CAR

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

23. Ejemplo de CAR (II)

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. ¿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. 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. 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. 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. Leaky Bucket

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

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

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

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. 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. 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. 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/) • 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. OPNET IT Guru AE (I) Características • Se baja gratuitamente desde 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. 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 106 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. 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. 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 Algunos libros que incluyen Laboratorios: • (*)Business Data Networks & Telecommunications - 4ª Ed. - Raymond R. Panko (Se puede bajar 7 Laboratorios y los archivos correspondientes dewww.opnet.com/services/university/itg _panko.html • (*)Computer Networks – A Systems Aproach - 3ª Ed. – Larry Peterson & Bruce Davie (12 Laboratorios) (*) Laboratorios disponibles

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. Red completa (Figura 1)

45. Redes simuladas (Figura 2)

46. Tráfico (paquetes/s)

47. Tráfico Total (paquetes)

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 100x10242s = 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. Throughput en el enlace al usuario

50. Throughputs Integrados en el enlace al servidor