Desenvolvimento de uma aplicação para prover o uso de ferramentas de medição ativa.

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA DEPARTAMENTO DE INFORMÁTICA E ESTATÍSTICA TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO Renata Santos de Souza Desenvolvimento de uma aplicação para prover o uso de ferramentas de medição ativa. Orientador: Carlos Becker Westphall Coorientador: Edison Tadeu Lopes Melo Florianópolis, junho de 2005.

Desenvolvimento de uma aplicação para prover o uso de ferramentas de medição ativa Renata Santos de Souza Este trabalho de conclusão de curso de curso foi julgada adequada para a obtenção do título de Graduado em Sistemas de Informação. Orientador: Carlos Becker Westphall Coorientador: Edison Tadeu Lopes Melo Banca Examinadora: Rafael Righi 2

Agradecimentos 3

Sumário Introdução 5 1.1 Objetivos 5 1.2 Justificativa 5 1.3Metodologia 5 1.4Estrutura do Documento 6 2 Contextualização 6 2.1 Desempenho de Rede 7 2.1.1 Definição de Métricas 8 2.1.2 Definição de Protocolos Utilizados 11 2.1.3 Definição de Métodos de medição 11 3 Descrição das Ferramentas de Medição Ativa 14 3.1 Ping 14 3.2 Iperf 14 4 Análise dos resultados 16 5 Implementação 17 6 Resultados do Projeto 18 7 Conclusão 19 8 Referências Bibliográficas 20 4

1- Introdução 1.1- Objetivos Desenvolvimento de uma aplicação utilizando ferramentas de medições ativas, para que os usuários comuns de uma rede possam obter informações do desempenho desta, através de uma interface simples, fácil acesso ao estado da conexão de rede, que apresente informações sobre as medidas desta conexão de forma simples e compreensível, que anteriormente somente os usuários avançados ou agentes de redes podiam obter e compreender. 1.2- Justificativa Medição ativa é um meio conveniente para usuários comuns avaliar o desempenho da rede, pois não necessita de acesso privilegiado. Existe uma variedade de ferramentas de medição ativas, para analisar as conexões de uma rede, várias métricas utilizando técnicas diferente de análise podem ser utilizadas para analisar características diferentes, no entanto somente poucas tem sucesso em estimar o desempenho da rede. As ferramentas de medição ativa serão transparentes aos usuários, estes terão somente acesso às informações do desempenho da rede, evitando desta maneira que usuários necessitem de conhecimentos mais avançados sobre as teorias de análise de rede. 1.3- Metodologia 1.4- Estrutura do Documento Este trabalho é estruturado da seguinte maneira: Capítulo 2 descrição das métricas e técnicas utilizadas na análise do desempenho de uma rede, contextualizando conceitos. Capítulo 3 descrição de várias ferramentas de medição ativa, e a descrição da metodologia utilizada para análise e validação destas. Capítulo 4 análise dos resultados obtidos, determinando quais ferramentas são mais adequadas para a aplicação. Capítulo 5 detalhes do projeto da implementação da aplicação. Capítulo 6 análise dos resultados obtidos com o projeto em relação ao esperado. Capítulo 7 conclusão do trabalho. 5

2- Contextualização Com rápido crescimento das redes atualmente, avaliar o de desempenho de redes é fundamental, pois permite analisar o tráfego, os pontos críticos de uma rede, avaliando a sua topologia a fim de verificar se a qualidade dos serviços oferecidos pela rede está sendo atendida e auxiliam no planejamento futuro. Avaliar o desempenho da rede também pode ser importante quando se deseja instalar um novo serviço que corresponderá em um tráfego pesado e intenso, permitindo verificar se a rede poderá comportar este novo serviço e, se não, auxiliar no redimensionamento de uma nova topologia. Para avaliar o desempenho de uma rede é importante definir os principais parâmetros que serão utilizados. Isso para que se possa diagnosticar eventuais deficiências de produtividade com precisão. Uns dos principais fatores que caracterizam o desempenho de uma rede são os seguintes: Disponibilidade Perda de pacotes Tempo de resposta (latência) Jitter (variação de latência) Throughput (fluxo, quantidade total de trabalho num determinado tempo) A necessidade de conhecer o desempenho de uma rede justifica-se por vários motivos, estes são alguns, SLA - Service Level Agreement, contabilizar ou fiscalizar o uso dos recursos de rede, verificando se os recursos disponíveis nas máquinas são suficientes, e se não estiverem, determinar quais recursos devem ser adquiridos, otimização do serviço, fornecer QoS, verificar se houver alguma situação anormal na rede, detectar e resolver problemas operacionais, como o aumento do tempo de resposta das aplicações, entre outras. A Qualidade de Serviço é um dos requisitos básicos nas redes de computadores de alta velocidade, principalmente quando envolve diversas formas de tráfego como dados, voz vídeo. De fato, para uma rede transmitir tais midia, não basta somente um link de alta velocidade, mas o controle de determinadas características de tráfego, principalmente, atras, variação do atraso e perda de pacotes. 6

2.1- Desempenho de rede. Infelizmente, compreender o desempenho de uma rede é mais uma arte que uma ciência. Pouco do que existe em termos de teoria é realmente útil na prática. Alguns problemas de desempenho, como o congestionamento, são causados pela sobrecarga temporária de recursos. Se, de repente, um roteador receber um tráfego maior do que é capaz de manipular, haverá um congestionamento e uma queda no desempenho da rede. O desempenho também é prejudicado quando há um desequilíbrio nos recursos estruturais. Por exemplo, se uma linha de comunicação de gigabits estiver associada a um PC com poucos recursos, a fraca CPU não será capaz de processar os pacotes recebidos com a rapidez necessária, e alguns deles serão perdidos. Esses pacotes poderão ser retransmitidos, aumentando o retardo, desperdiçando largura de banda e reduzindo o desempenho. As redes de gigabits trazem com elas novos problemas de desempenho, ou seja, se ao transmitir uma rajada de dados de 64 Kb para um host remoto, a fim de preencher o buffer de 64 Kb do receptor, por um enlace de 1Gb/s com atraso em uma direção de 20 ms. Supondo que o canal esteja vazio depois de 500 ms todas as TPDUs estarão no cabo de fibra, no entanto, como o retardo em uma direção é de 20ms o transmissor deverá parar de enviar, até receber uma atualização de janela, que só acontecerá após 40ms, que será o tempo para a primeira TPDU chegar ao destino e ser confirmada, com a eficiência de 1,25%. Essa é uma situação típica de execução de protocolos antigos sobre linha gigabits. Ao se analisar o desempenho das redes, deve-se observar qual a quantidade útil de transmissões de bits por segundos, para manter a velocidade máxima até a chegada da primeira confirmação. Esta quantidade pode ser calculada através do produto da largura de banda pelo retardo. Este produto é obtido multiplicando-se a largura de banda (em bits por segundo) pelo tempo de atraso de ida e volta (rtt) em segundos. O valor obtido é a capacidade do canal desde o transmissor até o receptor e de volta para o transmissor em bits. E é por este motivo que uma rajada de meio milhão de bits (64Kb) só alcança uma eficiência de 1,25%, ou seja, ela equivale a apenas 1,25% da capacidade total do canal. A conclusão que é possível chegar, para se obter um bom desempenho de redes de qualquer velocidade, é que a janela do receptor tem de ser, pelo menos, tão grande 7

quanto o produto da largura de banda pelo atraso, de preferência um pouco maior, pois talvez o receptor não responda no mesmo instante. Outro problema de desempenho que ocorre com as aplicações em que o tempo de transmissão tem importância fundamental, como sinais de áudio e vídeo, é a variação do atraso. Não basta ter um tempo de transmissão curto, também é necessária uma pequena variação do atraso. Porém, conseguir um tempo médio de transmissão pequeno juntamente com uma variação do atraso pequena requer um grande esforço de engenharia. 2.1.1- Definição de Métricas Para avaliar o desempenho de rede é importante definir os principais parâmetros e o método de medição que será utilizado para a avaliação do desempenho da rede. Para que se possa através destes medir e diagnosticar eventuais deficiências de produtividade na rede com mais precisão. Medir o desempenho da rede envolve análise de métricas que caracterizem o comportamento da rede, tanto físico quanto lógico, e para isto as métricas propostas devem seguir alguns critérios, tal como serem bem definidas, apresentarem as propriedades de precisão, reprodutibilidade e repetibilidade. As métricas comumente usadas são largura de banda, atraso, variação do atraso e perda de pacotes e disponibilidade. Uma medição dever ser repetida muitas vezes para evitar incertezas. As medições devem ser efetuadas em dias e horários distintos para que o efeito de diferentes cargas do sistema sobre a quantidade medida possa ser verificada. Métricas de análise Largura de banda A Largura de banda é a taxa de transmissão de dados na qual um enlace pode propagar a informação. A largura de banda nominal é dada em bits por segundo. As três métricas relacionadas a largura de banda são: Largura de banda de contenção: é a taxa máxima que uma rede pode transmitir dados de um transmissor para um receptor, ou seja, a taxa máxima de transmissão é equivalente ao enlace com a menor largura de banda no caminho entre o transmissor e o receptor, esta métrica não é afetada pelo aumento ou a diminuição do tráfego, pois não considera a métrica. 8

Largura de banda utilizada: representa a largura de banda utilizada em um enlace, ou seja, a quantidade de dados trafegando por um enlace em um determinado momento. Largura de banda disponível: é a taxa máxima na qual um host consegue transmitir dados ao longo de um caminho da rede em um certo momento, esta taxa considera o tráfego existente no momento da medição. Em um caminho de rede, a largura de banda disponível é determinada pelo enlace com a menor largura de banda não utilizada. A capacidade de um caminho é determinada pelo enlace com a menor capacidade nominal, que é o enlace de contenção, que define o limite superior para a taxa de transmissão entre dois hosts. A largura de banda disponível e a largura de banda utilizada nunca excedem a largura de banda de contenção. Atraso O atraso: corresponde ao tempo de transmissão de um host de uma rede a um outro host da mesma rede ou fora dela, geralmente é medido em milissegundos. O atraso de ida e volta: É o tempo necessário para transmitir um pacote a um host destino e retransmiti-lo à origem, chamado de round-trip-time (RTT). O tamanho do pacote a ser enviado está relacionado nesta medida, quanto maior o pacote maior o tempo gasto para enviá-lo. Usuários de aplicações interativas, tal com telnet e login remoto, esperam por um echo cada vez que um caracter é digitado no teclado local. O desempenho destas aplicações é medido diretamente com a função do atraso de ida e volta. Atraso em um sentido: É o tempo necessário para um pacote atravessar de uma origem para um destino ou do destino para origem. Intuitivamente, o atraso em um sentido, deve ser a metade do atraso de ida e volta. Em muitos casos, no entanto, os caminhos podem ser assimétricos, ou seja, o caminho de ida pode ser diferente do de volta. O atraso de um sentido afeta o desempenho de aplicações de alta interatividade, tal com voz sobre IP. O tempo gasto em uma transmissão é a soma de várias somas, o tempo para um host processar um pacote, processamento de CPU, este processamento ocorre tanto no transmissor quanto no receptor o tempo de propagação que inicia no momento que o primeiro bit sai do transmissor até o momento que este bit chega no receptor, incluindo atrasos devido a repetidores e outros equipamentos no caminho. O tempo de propagação também é chamado de latência. O tempo de transmissão, que é o tempo para um pacote 9

ser transmitido pela rede, é a razão entre o tamanho do pacote em bits e a largura de banda nominal. O atraso de transporte é o tempo gasto para o pacote atravessar a rede, e inclui os tempos de propagação e transmissão. O atraso total é o atraso no transporte mais os tempos de processamento no transmissor e no receptor. O produto da latência pela largura de banda corresponde à quantidade total de bits que podem trafegar ao mesmo tempo em um enlace. Variação do atraso (Jitter) A variação do atraso é à diferença entre os atrasos na transmissão de pacotes subseqüentes. O valor da variação do atraso geralmente é considerado baixo quando o atraso máximo não é mais que 10-20% maior que o atraso mínimo. É uma métrica derivada do atraso e pode ser medida a partir do atraso de ida ou do atraso de volta. Esta métrica é muito importante para aplicações multimídia em tempo real, pois uma variação do atraso elevada pode ter um grande impacto no desempenho destas aplicações. Perda de pacotes A perda de pacotes é a porcentagem de pacotes corretamente recebidos pelo destino em relação ao total de pacotes enviados pela origem. O fator que mais influencia na perda de pacotes é a falta de espaço em buffer nos roteadores intermediários e pacotes corrompidos causados por erros de transmissão. Uma alta taxa na perda de pacotes pode ser prejudicial aos serviços da rede, pois pode implicar em retransmissão dos pacotes perdidos e degradar drasticamente o desempenho de dados e aplicações multimídia. Disponibilidade A disponibilidade é o primeiro passo para medir o desempenho de uma rede, pois determina se a rede está ativa, ou seja, se o tráfego está atravessando a rede. Através destas métricas é possível escolher os métodos de medição e as ferramentas de medições para descrever o desempenho de uma rede. No entanto um diagnóstico preciso só será possível se as ferramentas utilizadas forem adequadas e confiáveis. 10

2.1.2- Definição de Protocolos Utilizados Diversos protocolos são utilizados nos procedimentos de medição. A escolha do protocolo é feita de acordo com o projeto da metodologia de medição ou da ferramenta utilizada. O protocolo IP desempenha função de roteamento, e as ferramentas fazem uso do campo TTL para obter os endereços dos roteadores intermediários entre dois hosts. É um protocolo não confiável e não orientado a conexão. O protocolo ICMP é parte do protocolo IP e permite o envio de mensagens de erro ou de controle pela rede, as ferramentas o utilizam com o objetivo de descobrir o caminho que os pacotes percorrem pela rede. O TCP é o protocolo mais utilizado para transmitir dados entre dois hosts. A sua maior vantagem para as ferramentas é que o protocolo implementa mecanismos de retransmissão, garantindo que os pacotes de medição sejam totalmente transmitidos, resultando em maior confiabilidade para a ferramenta, este protocolo é orientado a conexão. O UDP é o protocolo de transporte mais usado para transmitir dados entre dois hosts quando a eficiência é mais importante que a confiabilidade de entrega dos dados. O UDP também é um protocolo não orientado a conexão. O SNMP é o protocolo padrão de gerenciamento de redes TCP/IP, este protocolo fornece informações contidas nos roteadores. Com as informações, um serviço pode armazenar um histórico sobre as características do tráfego e gerar suas estatísticas. 2.1.3- Definição de Métodos de Medição A medição do desempenho de redes é expresso e representado por quantidades físicas denominadas métricas, que é uma quantidade mensurável, bem definida qualitativamente e expressa quantitativamente. No entanto, para praticar a medição de uma determinada métrica é necessário métodos de medição, que são procedimentos ou metodologias para proceder a medição. Cada implementação de uma técnica gera uma ferramenta de medição, que é o instrumento de medida. A medição do desempenho de uma rede pode ser realizada de várias maneiras. Os dois métodos de medição mais comuns são a medição passiva e ativa. Ambos os métodos possuem o seu valor e devem ser vistos não como tecnologias concorrentes, mas complementares, já que ambos podem ser usados em conjunto e tem sido motivo de divulgações científicas pelo mundo. 11

Medição Passiva O método de medição passivo analisa o desempenho de redes, através do uso de dispositivos passivos, que assim são chamados porque não interferirem no tráfego da rede quando realizam suas medições, ou seja, esses dispositivos apenas observam o tráfego corrente que passa pelo ponto de observação que são acionados periodicamente para que as informações sejam coletadas. É desta forma que o desempenho e o estado da rede são analisados. Medir o desempenho utilizando medição passiva não aumenta o tráfego da rede no momento da medição, já que esta técnica utiliza o tráfego real. Por outro lado, é preciso acessar o meio para coletar os dados e os alarmes geram tráfego, que em alguns casos podem ser substancial. Além disto, a quantidade de dados coletados pode ser vigorosa, especialmente se a análise de fluxo ou a coleta de informações desejar a observação de todos os pacotes de dados passantes na rede. As medições passivas são extremamente valiosas para avaliar o desempenho quando se quer detectar o problema da rede, mas existe a limitação em emular quadros de erros ou isolar o local exato do problema, outro problema é a segurança. Uma vez que este tipo de solução para medir o desempenho precisa acessar informações de todos os pacotes para levantar o estado da rede, logo comprometendo a privacidade dos usuários e a garantia da segurança dos dados torna-se um importante ponto a ser considerado. Medição Ativa A medição ativa é um método para analisar o desempenho de redes, e tem como propósito injetar pacotes de teste na rede ou enviar pacotes a servidores e aplicações, e a partir disto medir o desempenho da rede avaliando como os pacotes de teste se comportam durante o tráfego na mesma. No entanto, este método acrescenta muito tráfego extra, sendo que o tráfego adicional não faz parte do comportamento normal da rede, ou seja, é considerado tráfego artificial e com isto não representa o fluxo em condições normais de operação. O volume e outros parâmetros do tráfego adicional são inteiramente ajustáveis e um tráfego adicional pequeno geralmente é suficiente para realizar medições significativas. Medir o desempenho da rede utilizando medições ativas fornece o controle explícito na geração de pacotes para realizar as medidas. Esse controle inclui a natureza 12

do tráfego gerado, técnicas de amostragem, temporização, freqüência, agendamento, tamanho e tipo de pacotes (que podem variar a fim de simular vários tipos de aplicações), qualidade estatística, caminho e funções escolhidas para monitoramento. O estado de ser ativo implica testar o que você deseja quando você precisa. Simulação do tráfego se torna uma tarefa simples assim como a verificação se Quality of Service (QoS) ou Service Level Agreements (SLAs) são atendidos na rede. Vantagens e Desvantagens Ao contrário da medição passiva, que analisa os pacotes já existentes, a medição ativa introduz os pacotes a serem analisados. Os pacotes são enviados e métricas são aplicadas no comportamento desses pacotes sobre a rede. Esse método é mais usado na detecção, diagnóstico e correção de falhas na rede. Os pacotes de testes, apesar de artificiais, passam por caminhos reais, então caso um pacote não chegue a seu destino, uma parte da rede pode ser isolada para que uma análise mais detalhada possa ser realizada. Experimentos controlados podem ser realizados entre diversas combinações de nós, com isso toda a rede pode ser rastreada. O tráfego adicional é uma das principais desvantagens, já que, este método gera uma quantidade excessiva de pacotes para monitoramento. Outro fator, é a questão dos dados analisados não serem dados reais da rede, ou seja, os pacotes utilizados na análise não são os pacotes reais trafegando na rede. Logo para medir o tempo de transmissão ou taxa de perda de pacotes, os pacotes enviados para análise devem ter características semelhantes aos que trafegam na rede, ou seja, se uma rede tem mais fluxo de dados de som, os pacotes a serem testados devem ser semelhantes aos pacotes gerados pela aplicação sonora. 13

3 Descrição das Ferramentas de Medição As técnicas e ferramentas de medição em redes devem apresentar também características que sejam úteis, como reprodutibilidade, pouca intrusão, repetibilidade, precisão e rapidez para a obtenção da medida são as características principais desejáveis. A característica de reprodutibilidade, também chamada de robustez, é definida pela habilidade de empregar a técnica ou a ferramenta em uma grande variedade de ambientes encontrados na internet. A intrusão é dada pela quantidade de carga inserida na rede para obter a medição. A repetibilidade é referida como a consistência nas medições, a precisão é uma característica essencial, pois a confiança no resultado fornecido pela ferramenta depende da precisão de sua medição. A rapidez de execução das medidas pode ser desejável, quando o dado estimado é em tempo real. Ping Ping, geralmente utilizada para ver se um host é alcançável, informa o tempo de ida e volta dos pacotes, a quantidade de pacotes transmitidos, recebidos e a porcentagem de perda. Suas vantagens são, a rapidez no resultado, a facilidade de uso e não exige instalação extra no sistema operacional. As desvantagens são, utiliza o protocolo ICMP, que tem pouca prioridade em alguns roteadores ou até mesmo sendo bloqueados por alguns roteadores, e por isto fornecendo resultados pouco confiáveis. Por ser uma ferramenta de medição ativa insere tráfego extra na rede. Iperf O iperf mede a largura de banda, perda de pacotes, atraso, variação do atraso e MTU. Usa tanto o protocolo TCP quanto o protocolo UDP para fazer medições e é executada como cliente/servidor. A principal característica do iperf é a habilidade de determinar o tamanho da janela TCP para que se possa alcançar o melhor throughput de acordo com as condições da rede. Muitos SO tem limites para o tamanho da janela TCP, que pode ser menor que 64KB, ou maior que MB. O Iperf tenta detectar quando isto ocorre e informa que o tamanho atual e o que foi requerido não são iguais. 14

Utilizando pacotes TCP o iperf mede o throughput alcançável, ou seja, a quantidade máxima de tráfego que é possível gerar entre dois quanto dois pontos finais de acordo com o tamanho de janela TCP do receptor. Este teste permite determinar qual o tamanho ideal da janela TCP a fim de conseguir a largura de banda máxima, sobre redes de alto desempenho. Ajustando o tamanho da janela TCP corretamente, a largura de banda TCP alcançável será mais otimizada. Utilizando pacotes UDP o Iperf cria fluxos constantes de acordo com o intervalo de tempo especificado, é possível também especificar a largura de banda do enlace. O teste utilizando o UDP mede as seguintes métricas, largura de banda, jitter e perda de pacotes. A métrica variação do atraso está especificada de acordo com o RTP na RFC 1889. A saída desta medida é seqüencial de acordo com o intervalo de tempo selecionado. Segue um exemplo da saída do teste UDP. 15

4 Análise dos Resultados Neste capítulo será descrito o ambiente em que as ferramentas serão testadas, as metodologias utilizadas para testá-las e a comparação das ferramentas com os resultados obtidos, determinando quais são as mais adequadas para a implementação da aplicação de análise do desempenho. 16

5 Implementação Neste capítulo será descrito o método de desenvolvimento da aplicação, definindo qual a melhor linguagem de programação para a implementação da aplicação, para qual sistema operacional será desenvolvido e a sua modelagem. 17

6 Resultados do Projeto Neste capítulo serão apresentados os resultados obtidos com o projeto.. 18

7 Conclusão Neste capítulo serão apresentadas as conclusões do projeto 19

8 Referências Bibliográficas [BLUM 05] BLUM, Richard, Network Performance Open Source Toolkit, Willey Publishing, 2003. [HASS 04] HASSAN, Mahhub, JAIN, Raj, High Performance TCP/IP Networking, Upper Saddle River, New Jersey, 2004. [TANE 04] TANEMBAUM, Andrew S.. Redes de Computadores, editora Campus, 4ed., 2003.968p. [AUGU 02] AUGUSTO, Mario E., Avaliação Experimental de Ferramentas para Medição de Largura de Banda, UFPR, PPGInf. 25 de novembro de 2002. [SHRI 05] SHRIRAM, Alok, MURRAY, Margaret, HYUN, Young, BROWNLEE, Nevil, BROIDO, Andre, FORMENKOV, Marina, Comparison of Public End-to-End Bandwidth Estimation Tools on High-Speed Links, PAM2005, Boston, EUA, 2005 20