Tópicos Especiais em Redes Alta Performance. Paulo Aguiar DCC/UFRJ

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1 Tópicos Especiais em Redes Alta Performance Paulo Aguiar DCC/UFRJ

2 Conteúdo A convergência das redes e os grandes desafios Sistemas grandes são melhores Rede IP global como solução: limitações de desempenho do TCP Como obter alto desempenho com TCP Revisão de redes determinísticas e SDH/SONET Packet over SONET/SDH (POS) Redes MPLS: conceitos e operação Conceitos relativos à engenharia de tráfego DWDM e Redes Óticas Metro Ethernet e integração com MPLS Controle de Fluxo e Filas com Prioridade

3 Backbone da RNP (

4 GLIF A RNP integra, desde 2008, a Global Lambda Integrated Facility (GLIF) (link is external), uma colaboração internacional entre redes de ensino e pesquisa, que compartilham recursos de transmissão e comutação ópticas, para desenvolver e demonstrar o encaminhamento de tráfego por meio de circuitos virtuais fim-a-fim.

5 GLIF

6 O que pode dar errado na rede? Falhas em enlaces e em nós Congestionamento em filas Atrasos e variações de atraso altos Perda de pacotes (camada 3) ou quadros (camada 2)

7 Atraso em filas FIFO (revisão) C = largura de banda do link (bps) L = tamanho do pacote (bits) λ = taxa média de chegada de pacotes (pacotes/s) Intensidade de tráfego ou utilização= λe[l]/c = ρ ρ 0: atraso médio de fila pequeno ρ 1: atraso se torna grande ρ > 1: mais trabalho chega do que a capacidade de transmissão. O atraso médio cresce indefinidamente! Fila instável. atraso ρ

8 Perfil do tamanho dos pacotes Pacotes pequenos Média: 100 bytes Percentual: 50% Pacotes Médios Média: 500 bytes Percentual: 10% Pacotes Grandes Média: 1500 bytes Percentual: 40% Distribuição Média E[L] = µ = 700 bytes E[L 2 ] = bytes*bytes pmf 50% 40% 30% 20% 10% Vida residual: E[Lr] = E[L 2 ]/(2E[L]) = 664 bytes Tráfego: 90% transmitido em pacotes grandes µ bytes Distribuição do Tamanho dos Pacotes

9 Volume do tráfego Em pacotes pequenos: 5% dos bits Em pacotes médios: 5% dos bits Em pacotes grandes: 90% dos bits

10 Modelando enlace de dados como uma fila M/G/1... chegadas fila de espera servidor Tempo entre chegadas exponencialmente distribuído Taxa média de chegada (pacotes/s) : λ Serviço (tempo de transmissão de um pacote) Capacidade do enlace (bps): C Tamanho médio do pacote (bits): E[L] Tempo médio de transmissão de pacote (s): E[X] = E[L]/C Utilização do servidor: ρ = λe[x] (varia entre 0 e 1)

11 FILA M/G/1... chegadas fila de espera servidor Tempo médio em espera: E[ W ] = ρe[ Lr] E[ T ] = (1 ρ) C E[ L] + C Número médio de pacotes na fila: E[ N] = λe[ T ] ~ E[ L] (1 ρ) C ρ 1 ρ ρe[ Lr] (1 ρ) C Tempo médio na fila: E [ T ] = E[ W ] + E[ X ]

12 Atraso por hop Tempo Médio na Fila E[T] M/G/1 em milissegundos E[L]= 700 bytes, E[Lr]=664 bytes ρ C (Mbps) 0,256 0,512 0, Gbps 10 Gbps 0, ,1 1,1 0,39 0,109 0,011 0,001 0, ,7 1,4 0,52 0,136 0,014 0,001 0, ,6 1,8 0,74 0,180 0,018 0,002 0, ,4 2,7 1,8 0,268 0,027 0,003 0, ,3 2,5 0,534 0,053 0,005 0, ,1 1,06 0,107 0,011 0, ,3 0,531 0,053

13 Tamanho Médio da Fila Tamanho Médio da Fila E[N] M/G/1 em pacotes E[L]= 700 bytes, E[Lr]=664 bytes ρ C 0,256 0,512 0, Gbps 10 Gbps 0, , , , , , ,

14 Síntese de atraso em fila Tempo máximo gasto por hop 10 ms (empírico) Problemático em baixa velocidade e alta utilização Enlaces com velocidades acima de 5 Mbps não preocupam, a menos que estejam saturados Número médio de pacotes na fila só depende da utilização e independe da capacidade do enlace Enlaces de altíssima capacidade possuem baixa utilização média e tempo na fila é desprezível

15 Convergência de rede Convergência para uma rede única com maior tráfego e maior banda é melhor para usuário? A dados λ (pacotes/s) C (bps) Internet B dados + VoIP nλ (pacotes/s) nc (bps)

16 Convergência de serviços na rede B vai experimentar um acesso n vezes melhor! Sistemas grandes são mais eficientes! A dados λ (pacotes/s) C (bps) Internet B dados + voip nλ (pacotes/s) nc (bps) E[ T] = 1 fator. C Atraso na fila é n vezes menor nesta situação!

17 Sistemas grandes são bons para qualquer tipo de tráfego λ β λ β λ+β C (bps) C (bps) C (bps) C (bps) 2C (bps) Performance cresce

18 Tráfego na Internet Dados são transmitidos usando UDP ou TCP TCP protocolo mais usado Tráfego TCP corresponde a mais de 80% do tráfego de uma rede multimídia típica FTP, HTTP, SMTP, SNMP, etc Comportamento do TCP determinante para congestionamento em filas dos roteadores

19 Produto Delay x Bandwidth (PDB) Rede local (1 ms, 10 Mbps a 50 Mbps), PDB = 10k a 50k bits WAN (200 ms, 2 Mbps), PDB = 400K bits WAN de alta velocidade (200 ms, 20 Mbps) PDB = 4M bits Quando o atraso mede o RTT (tempo de ida e volta), PDB representa a quantidade de bits que devemos ter em transmissão sem confirmação (janela) para alcançar a vazão máxima Boa prática recomenda que espaço em buffer em roteadores intermediários seja pelo menos o PDB para a conexão TCP não foi projetado para operar com PDB alto

20 Onde nos encontramos atualmente 1 Gbps está no laptop/desktop 10 Gbps é comum em centros de dados 100 Gbps x 40 km (em padronização pelo IEEE) N x 10 Gbps usado em redes metropolitanas através de agregação de enlaces PDB = 10 Gbps x 5000 km x 5µs/km x 2 = 0,5 Gbits (5200 pacotes de 1500 bytes) PDB = 10 Gbps x 100 ms = 1 Gbits (> pacotes de 1500 bytes)

21 Revisão TCP Conceitos Básicos do TCP Controle das janelas de transmissão e recepção Negociação de parâmetros na abertura de conexão Controle de congestionamento e reação a perdas Desempenho Variações do TCP: Reno, NewReno, SACK

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