Sistemas de Medição da Qualidade dos Acessos Residenciais à Internet Requisitos e Modelação

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1 Sistemas de Medição da Qualidade dos Acessos Residenciais à Internet Requisitos e Modelação Bruno Ramos, Vasco Soares, Alexandre Fonte Escola Superior de Tecnologia, Instituto Politécnico de Castelo Branco, Castelo Branco, Portugal ramos@est.ipcb.pt, vasco_g_soares@est.ipcb.pt, adf@est.ipcb.pt Palavras-chave: Acessos Residenciais à Internet, Medição da Qualidade de Serviço, Taxas de Transferência Resumo: A actual evolução do número de lares que dispõem de acesso de banda larga à Internet, associado ao crescimento da oferta pelos ISPs portugueses, motiva a necessidade da realização de um estudo aprofundado que abranja a totalidade do território nacional com vista à avaliação da qualidade dos acessos à Internet na perspectiva do utilizador final. Os principais objectivos deste artigo são, em primeiro lugar identificar os requisitos chave para um sistema de monitorização que dê suporte às medições da qualidade de serviço dos acessos à Internet e o conjunto de funcionalidades que podem ser integradas de um ponto de um vista prático. Em segundo lugar, apresentam-se os principais aspectos relativos ao processo de modelação deste sistema. 1 INTRODUÇÃO O segmento de mercado residencial do serviço de banda larga de acesso à Internet representa para os pequenos fornecedores de serviço Internet, habitualmente designados por ISPs (Internet Service Provider), do ponto de vista económico uma importante oportunidade de negócio. Infelizmente, os ISPs revelam apenas uma pequena parte da informação relativa à qualidade e fiabilidade dos seus serviços, não sendo por isso possível realizar uma avaliação precisa sobre a qualidade oferecida por cada um. Por conseguinte, existe a necessidade premente de elucidar os consumidores das condições efectivas do serviço que contrataram, de forma a impulsionar os ISPs a melhorarem a qualidade dos acessos ou pelo menos a divulgarem detalhadamente os parâmetros de qualidade relativos ao mesmo. Por exemplo, o estudo recente da ANACOM revela que as velocidades da banda larga fixa descem em média 20% a partir das 20:00 horas [1]. Perante este problema, o tipo de sistema aqui apresentado, que designamos genericamente como Sistema Internet Access Quality Monitor () (Internet Access Quality Monitor) deve fornecer aos utilizadores uma resposta mais abrangente acerca da percepção da qualidade de serviço do acesso à Internet. Em resumo, os objectivos deste artigo, são em primeiro lugar, identificar os principais requisitos para um sistema de monitorização que dará suporte às medições da qualidade de serviço dos acessos à Internet e as funcionalidades que podem ser integradas de um ponto de um vista prático. Em segundo lugar, apresenta-se os principais aspectos relativos ao processo de modelação deste sistema. 2 ESTADO DA ARTE A aferição da qualidade de serviço de uma ligação de acesso à Internet é uma área onde existem algumas abordagens tais como o estudo da ANACOM [1], o Speakeasy Inc. Speed Test [9], o Bandwidth Place Speed Test [10], o DSLreports.com Speed Test [11], o Visualware Inc. MySpeed PC [12] e o TCP/IQ Line Speed Meter [4]. Infelizmente, estes sistemas ou são sistemas incompletos oferecendo aos utilizadores apenas um ou outro serviço (e.g., medição das taxas de

2 transferência oferecidas pela ligação) ou sendo mais completos apresentam algumas limitações fundamentais tais como: a falta de um rigoroso controlo sobre o período de execução dos testes, a variedade de testes disponíveis é limitada, não eliminam factores que podem influenciar as medições como as características de software e hardware, não distinguem se os servidores alvo de testes estão alojados em ISPs internacionais ou nacionais e a impossibilidade de fazer um cruzamento aprofundado dos resultados, comparando ISPs, serviços e regiões. O pretende dar resposta a estas limitações, de modo a melhorar as metodologias existentes para a avaliação da qualidade de serviço dos acessos à Internet. Uma primeira melhoria introduzida pelo está ao nível da definição dos períodos em que são executados os testes, impedindo que o utilizador os execute em qualquer altura. Simultaneamente, o impede também que o utilizador realize os testes em condições diferentes das indicadas pelo sistema na altura do registo, através de um mecanismo rastreio da sua localização. Outra melhoria essencial relacionada com este último aspecto é associação da localização geográfica à qualidade de cada ligação, o que possibilita a identificação das variações da qualidade de serviço ao longo do território geográfico e a identificação de possíveis pontos de congestionamento do tráfego. O utiliza também as características do hardware e software do utilizador na análise dos resultados. Por outro lado, além de incluir durante as medições mais parâmetros de qualidade, o determina os servidores de teste consoante a localização do utilizador para permitir uma avaliação da qualidade dentro da rede do ISP e na comunicação com servidores alojados em redes de outros ISPs, nacionais ou internacionais. Este processo é adaptado ao país de cada utilizador. Por fim, pretende-se que reúna as ferramentas necessárias para que os utilizadores possam realizar uma análise pormenorizada dos dados permitindolhes o cruzamento dos resultados entre ISPs, serviços e regiões. 3 VISÃO GERAL DA SOLUÇÃO Um sistema de monitorização da qualidade de serviço dos acessos à Internet requer o desenvolvimento de um sistema distribuído baseado numa arquitectura Cliente-Servidor [2]. Na Figura 1 são apresentados os principais componentes de um Sistema : Cliente, Servidor, Web Site e Base de Dados. A Tabela 1 apresenta uma breve descrição das funcionalidades base destes componentes. Na arquitectura de um Sistema, um componente essencial é o Servidor o qual é responsável pela a gestão da actividade dos medidores de qualidade de acessos de banda larga usados pelos clientes, ao nível da execução dos testes e armazenamento dos resultados. Por conseguinte, optou-se pela utilização de uma arquitectura de três camadas, Three-tier, para assegurar a separação lógica entre o Cliente, o Servidor e a Base de Dados. Figura 1: Arquitectura de um Sistema. Outro aspecto importante é a definição do Cliente segundo o modelo Function- Shipping, utilizando invocações remotas de métodos sobre objectos, para abstrair a complexidade inerente à execução das tarefas de medição da qualidade, e posterior envio ao servidor dos dados de amostragem da qualidade, obtidos durante o processo de medição. Componente Cliente Servidor Web Site Base de Dados Descrição Responsável pela execução dos testes à ligação de acesso à Internet do utilizador. Disponibiliza ferramentas de monitorização da sua ligação. Gere a actividade dos clientes ao nível da execução dos testes e armazenamento dos resultados. Regista os utilizadores no projecto/estudo e disponibiliza o download do Cliente. Permite a visualização de todos os resultados produzidos. Armazena a informação fornecida pelos Clientes de forma estruturada. Tabela 1: Componentes.

3 4 REQUISITOS DE SISTEMAS Um Sistema engloba três aplicações/componentes que podem ser descritas quanto aos seus requisitos funcionais [3], e que estão resumidas na Tabela 2. De notar que os mesmos são respeitados nalguns Sistemas existentes [1, 4]. Componente Requisitos Funcionais Cliente C1: Solicitação dos testes de medição Uma vez iniciado, o Cliente deve ter a capacidade de rápida e automaticamente questionar o servidor sobre os testes a realizar. Web Site agendamento dos testes. W1: Registo de utilizadores e download do Cliente Aos utilizadores registados no Web Site do projecto/estudo é permitido efectuar o download da aplicação Cliente. W2: Visualização dos resultados das medições de qualidade O Web Site deve disponibilizar um conjunto de ferramentas gráficas que permitam a visualização dos resultados globais produzidos no âmbito do projecto/estudo. Um aspecto adicional a ter em conta é a possibilidade de interacção com os dados através de implementação de alguns métodos de análise (e.g., médias móveis). Tabela 2: Requisitos funcionais dos componentes. Servidor C2: Emprego de métodos de monitorização O Cliente deve permitir a monitorização da ligação à Internet. Esta informação deverá ser disponibilizada de forma perceptível e de fácil análise. Deve ainda disponibilizar todos os dados relativos aos testes efectuados (histórico). C3: Facilidade na utilização e configuração As configurações dos parâmetros base exigidos pelos testes devem ser fornecidas automaticamente. A configuração introduzida por um novo teste não deve ser prejudicar a performance global da ligação à Internet, nem tornar o sistema instável. O utilizador deve poder interromper, cancelar ou retomar a execução dos testes, desde que não infrinja as regras de validação ou de segurança implementadas pelo sistema. S1: Distribuição dos planos de testes O Servidor deve assegurar a transmissão dos planos de testes aos Clientes. S2: Armazenamento e análise dos resultados dos testes São fundamentais os procedimentos que permitam a validação, o armazenamento dos resultados dos testes, e a análise detalhada destes. Sempre que solicitado pelo Cliente, o Servidor deve disponibilizar todos os resultados relativos à ligação do utilizador. S3: Facilidade na utilização e configuração Os administradores do sistema devem ter ao seu dispor um conjunto de funcionalidades, que permitam uma rápida e fácil configuração das características e O Servidor e o Web Site, têm em comum como requisitos não funcionais essenciais, assegurar a confidencialidade do acesso e a integridade dos dados. No processo de monitorização do Cliente, e na execução dos testes, as medições efectuadas devem estar isentas de erros devido a uma má concepção do sistema e dos processos de medição. 5 TESTES Para a aferição da qualidade de serviço dos acessos à Internet, um Sistema deve empregar um conjunto de testes que permitam medir um conjunto de parâmetros capazes de qualificar e quantificar a qualidade da ligação percepcionada pelo utilizador, bem como se estes parâmetros estão em concordância com o tipo de serviço contratado. Nesta panóplia de testes incluem-se: taxas de download e upload, latência da ligação, variações nos atrasos, tempos de resolução de nomes, características de hardware e software e a influência da localização geográfica do utilizador. Estes testes devem ser escalonados de forma sistemática, com base em índices de popularidade e diversidade dos sítios Web [5]. A escolha dos servidores alvo dos testes deve também seguir o critério de localização, garantindo análises de desempenho e qualidade tanto a nível nacional como internacional. Mais especificamente, deve-se procurar avaliar o desempenho e qualidade do acesso à Internet para os principais protocolos da camada aplicação, HTTP e FTP, e de transporte de dados, TCP e UDP, durante diferentes períodos do dia e no envio e recepção de ficheiros de diferentes dimensões. Adicionalmente,

4 as medições de latência e variações do atraso podem ser realizadas com recurso à execução de testes de Ping com pacotes ICMP de diferentes dimensões e com testes de DNS Speed. A identificação dos percursos da informação, discrepâncias da qualidade ao longo do território geográfico e a localização de eventuais pontos de congestão são aspectos importantes. Estes testes podem ser realizados utilizando ferramentas tais como Trace Route ou Path Char. Conforme foi referido antes, o Sistema permite a realização de vários tipos de testes à ligação do cliente. Uma vez que cada teste possui princípios de funcionamento diferentes e executa diferentes tarefas é necessário a criação de uma classe abstracta que define quatro métodos, que são reescritos pelas classes que implementa os testes onde cada um executa os métodos necessários para a realização do respectivo teste (ver figura 2): GetName: Retorna o nome do teste que está a ser executado; Run: Executa o método responsável pela realização do teste; SendResults: Envia os resultados obtidos no teste ao servidor; SetProgressBar: Associa ao teste a barra de indicação do progresso do teste. Assim, é possível a cada subclasse implementar estes métodos de formas diferentes tendo em conta a especificidade do teste que vai realizar, e desta maneira uniformizar a forma como cada teste é executado, convertendo cada subclasse na super classe e acedendo aos métodos que este define. Figura 2: Classes da DLL TestType. 6 MODELAÇÃO Uma vez iniciado, o Cliente obtém junto do Web Server, o IP do Server (ver figura 3). Com este processo garante-se que possam ser efectuadas eventuais alterações neste IP sem se comprometer o funcionamento da aplicação. Depois de obtido o IP do Servidor, o Cliente estabelece a ligação com este. Para que a ligação seja válida os dados fornecidos pelo cliente terão que ser coerentes com a informação guardada na Base de Dados. Só em caso de sucesso desta operação de validação é que o cliente é reconhecido pelo servidor e a sua actividade é registada. Caso contrário a ligação é encerrada e o processo terá que ser repetido. Figura 3: Diagrama de actividade: Estabelecimento da Ligação. Após este processo ser bem sucedido, o Cliente solicita ao Servidor os testes agendados para execução (ver figura 4). Na resposta, o Servidor fornece ao Cliente o plano completo dos testes (e.g., diários ou semanais), os quais serão interpretados e executados pelo Cliente, de acordo com o escalonamento horário previsto. Esta abordagem permite efectuar uma análise concreta sobre a variação da qualidade de serviço do acesso ao longo do tempo. Posteriormente, os resultados das medições de qualidade realizadas durante a execução destes testes, são enviados para o Servidor, o qual os armazena na Base de Dados para posterior análise. A completa modelação UML deste sistema encontra-se disponível em [6]. Para a modelação de um Sistema utilizam-se diversos diagramas definidos em linguagem UML (Unified Modeling Language), tais como: Casos de Uso, Sequencia, Actividades, Classes, Estado, Componentes e Instalação.

5 Figura 4: Diagrama de actividade: execução dos planos de testes. 7 DETALHES DE IMPLEMENTAÇÃO O Cliente é responsável pela execução dos vários testes e por fornecer ao utilizador uma ferramenta de monitorização das taxas de transferência actuais, download e upload, e de análise do desempenho da ligação com base nos testes realizados à sua ligação. Este deverá ter duas formas de funcionamento possíveis: em background, figura 5, e em foreground, figura 6. No primeiro caso, serão executadas as funcionalidades necessárias para garantir a realização dos testes à ligação à Internet, tais como: ligação ao Servidor ; sincronização dos tempos de execução dos testes; acesso ao Webservice Location para recolha de informação relativa à localização geográfica do utilizador. No segundo modo, o Cliente disponibilizará as ferramentas de monitorização da ligação e de análise de resultados dos testes já realizados, assim como funcionalidades de controlo e configuração da monitorização. O modo de funcionamento em background deverá ser dividido em duas fases: fase de inicialização e fase de execução. A primeira diz respeito a todas as tarefas que serão necessárias realizar para configurar o sistema e estabelecer a ligação com o Servidor enquanto a segunda englobará o processo de execução dos testes. A solicitação de novos testes é uma tarefa que se engloba nas duas fases, já que será realizada sempre que o utilizador iniciar a aplicação e sempre que todos os testes, conhecidos pelo cliente, tenham sido executados. Figura 5: Modo Background. Todas as tarefas executadas em modo background são transparentes para o utilizador, isto é, são executadas sem ser necessário efectuar qualquer acção sobre a aplicação. Figura 6: Modo Foreground. Sempre que o utilizador deseje utilizar as ferramentas de monitorização, configuração ou controlo deverá ter que colocar a aplicação no modo foreground activando a sua interface gráfica. Apenas no caso do utilizador fechar a aplicação é que este modo deverá ter influencia sobre as tarefas que estão a ser executadas em background. Caso contrário, este modo não deverá eliminar nem interromper quaisquer das tarefas que ainda estejam em execução e deverá apenas permitir ao utilizador que este obtenha informação sobre o que está a ser executado. Os timers [7], ClearMemory e UpdateChart, e o BackgroundWorker [8] deste modo deverão ser activados assim que é concluída a inicialização de

6 todos os objectos da interface. O timer ClearMemory servirá para libertar a memória de objectos que não estejam a ser utilizados pela aplicação, sendo este processo periodicamente repetido de minuto em minuto, enquanto o timer UpdateChart deverá controlar a actualização do gráfico em tempo real das taxas de transferência. O seu tempo de espera por omissão será de um segundo, mas o utilizador poderá alterar a frequência com que desejar observar os dados. O BackgroundWorker terá a responsabilidade de ler os dados da placa de rede, download e upload, e de verificar o estado da ligação. O tempo de espera deverá corresponder ao tempo em que o utilizador desejará ver o gráfico actualizado. 8 CONCLUSÃO O Sistema engloba na sua concepção vários aspectos da aferição da qualidade de serviço dos acessos à Internet, que permitirão uma compreensão mais alargada e aprofundada acerca do desempenho de uma ligação. Em primeiro lugar, a introdução de novos testes, aumentando os parâmetros medidos, permite que a análise dos resultados seja mais abrangente, resultando numa caracterização mais efectiva das condições e qualidade dos serviços prestados pelos ISP. A implementação de uma metodologia que divide a execução dos testes em períodos de tempo pré-definidos impossibilitando que o utilizador os execute fora do período previsto, leva a uma uniformização das condições em que as amostras são recolhidas, garantindo que os resultados obtidos não são influenciados pelo momento da sua execução. Esta metodologia engloba ainda mecanismos que permitem que o utilizador não possa realizar testes em condições diferentes às indicadas ao sistema na altura do registo, não comprometendo a análise do desempenho da sua ligação. A associação da localização geográfica à qualidade medida em cada ligação, permitirá traçar um mapa da distribuição dos níveis da qualidade de serviço e identificar possíveis pontos de estrangulamento da rede e as assimetrias existentes dentro de um país. Outra vantagem do é a utilização de servidores que estejam localizados dentro da rede do ISP, que está a ser avaliado, e servidores localizados em redes de ISPs diferentes, quer dentro do mesmo país como no estrangeiro. Por fim, a inclusão na análise dos resultados das características do hardware e software do utilizador fortalecerá a análise dos resultados e a produção das conclusões finais acerca da qualidade de cada ISP e dos serviços por ele prestados. REFERÊNCIAS [1] ANACOM, Avaliação do Serviço de Acesso à Internet, ANACOM, Fevereiro 2008, 662, acedido em Maio de [2] G. Coulouris, J. Dollimore, T. Kindberg, Distributed Systems: Concepts and Design Fourth Edition, Addison Wesley/Pearson Education, June [3] M. Nunes, H. O'Neill, Fundamental de UML - 3ª Edição Act. Aumentada, FCA - Editora de Informática Lda. [4] tcp/iq, Line Speed Meter, acedido em Maio [5] NetPanel, Relatório da Análise do Mercado de Internet, acedido em Maio [6] - Technical Report, Tech. Rep. ESTIPCB- -TR-2008, [7] Microsoft Corportion. Microsoft Developer Network (acedido em Setembro 2008) [8] Microsoft Corportion. Microsoft Developer Network (en-us,vs.80).aspx (acedido em Setembro 2008) [9] SpeakEasy. Communications Simplified (acedido em Outubro de [10]BandwidthPlace. Speed Test (acedido em Outubro de [11]BroadbandReports. Speed Test (acedido em Setembro de [12]Visualware. My Speed PC (acedido em Outubro de