Cristiane Yanase Hirabara de Castro [email protected]
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Toward an Understanding of the Processing Delay of Peer-to-Peer Relay Nodes
Kuan-Ta Chen and Jing-Kai Lou
DSN’08
Cristiane Yanase Hirabara de [email protected]
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Roteiro
1. Introdução2. Trabalhos relacionados3. Metodologia de inferência 4. Medição em larga escala5. Análise e categorização de atrasos6. Impacto do atraso de processamento na
qualidade de VOIP7. Conclusões 8. Análise crítica
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Contextualização• Comunicação de voz sobre IP;
• Fatores responsáveis pela popularidade do Skype– Interface amigável;– Alta qualidade dos codecs de aúdio;– Sofisticada infra-estrutura de rede P2P.
• P2P Intermediário
Introdução
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Motivação• Vantagens:– A qualidade de voz pode ser melhorada por desvio
de tráfego;– Um nó intermediário pode ajudar a estabelecer
conexões se ambas as partes são chamadas atrás de NAT´s ou Firewalls [1, 2];
– A intermediação permite a agregação de dados, o que reduz o uso da banda quando dois ou mais partes estão envolvidas em uma chamada.
Introdução
&[1] S. Baset and H. Schulzrinne, "An analysis of the Skype peer-topeer internet telephony protocol," in INFOCOM. IEEE, 2006.&[6] B. Ford, P. Srisuresh, and D. Kegel, "Peer-to-peer communication across network address translators," in USENIX Annual Technical Conference, 2005, pp. 179-192.
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Problematização
• Intermediação não é suportada originalmente pela Internet– Um pacote enviado por um nó intermediário é um
novo pacote IP , cópia do pacote a ser transmitido;
• P2P Intermediário leva a um atraso extra substancial e prejudicial;
Introdução
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MetodologiaIntrodução
• Coleta de atraso de processamento de pacotes intermediários de um grande conjunto de nós da Internet;
• Análise e categorização do atraso de processamento de nós intermediários;
• Investigar se o processo intermediário degrada a qualidade das chamadas VOIP .
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Liu e Zimmermann [3]• AudioPeer – sistema comercial chats;
• O atraso médio de processamento em nós de sobreposição é de 30ms;
• Quais métricas foram utilizadas ? Qual o tamanho da amostra ?
&[3] L. Liu and R. Zimmermann, "Adaptive low-latency peer-to-peer streaming and its application," Multimedia Systems, vol. 11, no. 6,pp. 497-512, 2006.
Trabalhos Relacionados
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Seleção do nó de revezamento [4,5,6 e 7]
[4] T. Fei, S. Tao, L. Gao, and R. Guerin, "How to select a good alternate path in large peer-to-peer systems?" in INFOCOM. IEEE, 2006.
[5]X. Hei and H. Song, "Stochastic relay routing in peer-to-peer networks," in Proceedings 41st IEEE International Conference on Communications, 2006.
[6] C.-M. Cheng, Y.-S. Huan, H. T. Kung, and C.-H. Wu, "Path probing relay routing for achieving high end-to-end performance,“ in Global Telecommunications Conference, 2004. GLOBECOM '04. IEEE, vol. 3,2004, pp. 1359-1365.
[7] T. Fei, S. Tao, L. Gao, R. Guerin, and Z.-L. Zhang, "Lightweight overlay path selection in a peer-to-peer environment,"in INFOCOM. IEEE, 2006.
Trabalhos Relacionados
• Seleção de um nó intermediário para obter melhor caminho de rede;
• Critérios baseados na latência de rede e na taxa de perda.
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Metodologia de Inferência
A. Definição de termos;B. Método Básico;C. Exemplo de filtragem baseada no IPDI;D. Avaliação da precisão
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Inferência de processamento
• Metodologia de medição de atrasos de processamento induzida pelos pacotes intermediários em um nó intermediário;
• Sem qualquer modificação na infra-estrutura de rede e na aplicação P2P.
Metodologia de Inferência
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Cenário
• P2P intermediário em que todos os pacotes de um nó de origem transitam através de um nó intermediário antes de chegar no destino.
Metodologia de Inferência – A. Definição de Termos
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Fonte
Destino
Nó Intermediário
Pacoteintermediário
Pacote de origem Pacote ACK
• Fonte/destino;
• Nó Intermediário;
• Pacote fonte;• Pacote Intermediário;
• Pacote de confirmação (pacote ACK);
• Atraso de processamento (PD);
• Tempo de entrega de dados (DDT);
• Tempo de resposta ACK (ART).
Metodologia de Inferência – A. Definição de Termos
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Fonte
Destino
Nó Intermediário
Pacoteintermediário
Pacote de origem Pacote ACK
• Fonte/destino;
• Nó Intermediário;
• Pacote fonte;
• Pacote de confirmação (pacote ACK);
• Atraso de processamento (PD);
• Tempo de entrega de dados (DDT);
• Tempo de resposta ACK (ART).
ms
Metodologia de Inferência – A. Definição de Termos
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Fonte
Destino
Nó Intermediário
Pacoteintermediário
Pacote de origem Pacote ACK
• Fonte/destino;
• Nó Intermediário;
• Pacote fonte;
• Pacote de confirmação (pacote ACK);
• Atraso de processamento (PD);
• Tempo de entrega de dados (DDT);
• Tempo de resposta ACK (ART).
ms
Metodologia de Inferência – A. Definição de Termos
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Fonte
Destino
Nó Intermediário
Pacoteintermediário
Pacote de origem Pacote ACK
• Fonte/destino;
• Nó Intermediário;
• Pacote fonte;
• Pacote de confirmação (pacote ACK);
• Atraso de processamento (PD);
• Tempo de entrega de dados (DDT);
• Tempo de resposta ACK (ART).
ms
Metodologia de Inferência – A. Definição de Termos
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Premissas
• O nó intermediário encaminha um pacote intermediário para o destino logo que recebe um pacote fonte;
• Com a chegada de um pacote fonte (por TCP) o nó intermediário irá responder com dois pacotes:– um pacote ACK enviado de volta a fonte ;– um pacote intermediário enviadas para o destino;
Metodologia de Inferência – B. Método Básico
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Premissas
• O pacote ACK é gerado pela aplicação TCP, faz parte do sistema operacional do modem e normalmente é executado com alta prioridade;
• Um pacote intermediário é gerado pela aplicação (como o Skype e o PPLive) e é executado com uma prioridade normal de armazenamento.
Metodologia de Inferência – B. Método Básico
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Cálculo do atraso de processamento de um pacote intermediário
Diferença de tempo entre o instante que o pacote intermediário e o instante que o pacote
ACK deixam o nó intermediário.
Metodologia de Inferência – B. Método Básico
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Cálculo do atraso de processamento de um pacote intermediário
Diferença de tempo entre o instante que o pacote intermediário e o instante que o pacote
ACK deixam o nó intermediário.
Essa técnica exige nós monitores para acompanhar a entrada e o tráfego de saída do
nó intermediário.
Metodologia de Inferência – B. Método Básico
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Atraso de processamento
Monitor de Tráfego
Fonte/Destino Nó Intermediário
Pacote de OrigemPacote Intermediário
Pacote ACK
• Nós fonte e destino tem a mesma localização, para permitir medições em longa escala, e garantir que o pacote intermediário e o pacote ACK irão percorrer o mesmo caminho;
Metodologia de Inferência – B. Método Básico
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Atraso de processamento
• Atraso de processamento é a diferença entre o instante que um pacote ACK chega ao remetente e o instante que o pacote intermediário correspondente chega ao destino;
• O método funciona se a aplicação gera pacotes ACK com atraso constante.
Metodologia de Inferência – B. Método Básico
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Constância de ACK
• A área mais densa a esquerda indica uma relação linear entre DDT e ART quando não há outros segmentos competindo com o pedido de retransmissão;
• Quando o nó está ocupado com a manipulação de outras tarefas o DDT aumenta por ordem de magnitude enquanto que o ART é sempre inferior a 0,3 ms.
Metodologia de Inferência – B. Método Básico
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Variabilidade da rede
• O resultado do calculo de atraso de processamento de um pacote intermediário subtraindo DDT de ART pode ser menos preciso se o nó intermediário está na internet por causa de atrasos de rede;
• Problema: na Internet tanto o DDT como o ART podem ser afetados pela dinâmica e pelos atrasos na rede;
• O resultado de (DDT-ART) serão afetados pelos atrasos de rede do pacote intermediário e ACK.
Metodologia de Inferência – C. Exemplo de filtragem baseada no IPDI
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O método de filtragem
• Lidar com a variabilidade da rede através da filtragem de pacotes que levam a uma estimativa imprecisa do atraso de processamento baseados no campo IPID;
• Utiliza a informação do IPID para determinar a ordem de liberação de pacotes a partir de um nó intermediário.
Metodologia de Inferência – C. Exemplo de filtragem baseada no IPDI
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Lógica do Método
“Se um conjunto de pacotes enviados por um nó são reajustados na rede, pelo menos um deles deve ter passado por atrasos comuns na rede e
devem ser filtrados.”
Metodologia de Inferência – C. Exemplo de filtragem baseada no IPDI
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Regras para ordenação dos pacotes
Metodologia de Inferência – C. Exemplo de filtragem baseada no IPDI
1. Para os pacotes a partir do nó fonte, detectar se eles chegam ao nó intermediários seqüencialmente, analisando os IPDI´s de seus ACK correspondentes;
2. Para os pacotes a partir do nó intermediário detectar a seqüência de seus pacotes através de seus IPDI´s.
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Como detectar pacotes com atrasos incomuns na rede
Metodologia de Inferência – C. Exemplo de filtragem baseada no IPDI
• Suposição: – Pacote i parte o nó fonte no tempo ts,i
– Um pacote ACK com IPDI idack,i é criado
– Um pacote Intermediário com IPDI idr,i é criado– Os pacotes chegam ao seu destino nos tempos
tack,i e tr,i.
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Como detectar pacotes com atrasos incomuns na rede
Metodologia de Inferência – C. Exemplo de filtragem baseada no IPDI
• Método (1) : encontrar os pacotes com atrasos incomuns que levam a estimativas imprecisas de atraso de processamento– Para cada pacote fonte obtêm-se uma seqüência (ts,
idack) ordenador por ts;– Encontra-se então a maior subseqüência crescente
para a seqüência idack (IDack) e no subconjunto {L};– {L} denota o subconjunto os IPID´s dos pacotes que
mantiveram a ordem de emissão;– Removemos os pacotes com IPID´s que pertencerem
ao conjunto {IDack – L}.
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Como detectar pacotes com atrasos incomuns na rede
Metodologia de Inferência – C. Exemplo de filtragem baseada no IPDI
• Método (2) : encontrar os pacotes com atrasos incomuns que levam a estimativas imprecisas de atraso de processamento– Combinar (idack, tack) e (idr, tr) como uma seqüência e
ordenar pelo primeiro elemento ;– Encontra-se então a maior subseqüência crescente para
a seqüência formada pelo segundo elemento, Idack, r ;– {L} denota o subconjunto os IPID´s dos pacotes que
mantiveram a ordem de emissão;– Removemos os pacotes com IPID´s que pertencerem ao
conjunto {Idack,r – L}.
![Page 30: Cristiane Yanase Hirabara de Castro ccastro@ffalm.br](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062408/568134a3550346895d9ba3fd/html5/thumbnails/30.jpg)
Avaliação do método de inferência
Metodologia de Inferência – D. Avaliação da Precisão
• Realização de vários experimentos;
• Utilização de uma abordagem de rastreamento para simular a dinâmica da rede;
• Os resultados mostraram que quando comparados: um método base e o método da filtragem, a diferença entre os dois métodos não é significante. No entanto os benefícios do método da filtragem IPID é significante em termos de erros máximos absolutos.
![Page 31: Cristiane Yanase Hirabara de Castro ccastro@ffalm.br](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062408/568134a3550346895d9ba3fd/html5/thumbnails/31.jpg)
Medição em Larga Escala
A. Metodologia de coleta de vestígiosB. Resultados Estimados PD
![Page 32: Cristiane Yanase Hirabara de Castro ccastro@ffalm.br](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062408/568134a3550346895d9ba3fd/html5/thumbnails/32.jpg)
Cenário e Procedimento de coleta• Skype– 50 milhões de usuários on-line;– 200 mil super nós em uso constante;– Super nós são capazes de veicular chamadas de voz
para nós regulares;– É robusto em termos de estabelecer conexões de
rede;– Quando um nó intermediário se torna indisponível
o aplicativo encontra um nó substituto.
Medição em larga escala – A. Metodologia de Coleta de Vestígios
![Page 33: Cristiane Yanase Hirabara de Castro ccastro@ffalm.br](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062408/568134a3550346895d9ba3fd/html5/thumbnails/33.jpg)
Cenário e procedimento de coletaMedição em larga escala – A. Metodologia de Coleta de Vestígios
Monitor de Tráfego
Fonte
Nó Intermediário
Firewall
Destino
Internet
![Page 34: Cristiane Yanase Hirabara de Castro ccastro@ffalm.br](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062408/568134a3550346895d9ba3fd/html5/thumbnails/34.jpg)
ResultadosMedição em larga escala – B. Resultados
Tabela 1 – Resumo da Coleta de Vestígios
O procedimento de coleta foi realizado de 9 a 20 de abril de 2007;
![Page 35: Cristiane Yanase Hirabara de Castro ccastro@ffalm.br](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062408/568134a3550346895d9ba3fd/html5/thumbnails/35.jpg)
Caracterização do atraso de processamento
A. Categorização dos atrasos de processamentoB. Análise de estabilidade
![Page 36: Cristiane Yanase Hirabara de Castro ccastro@ffalm.br](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062408/568134a3550346895d9ba3fd/html5/thumbnails/36.jpg)
Foram observadas 5 categorias• Típicos: variação de PD é pequena, nó intermediário é levemente
carregado e o computador não está em uso;
• Variável: PD´s são estáveis mas ocasionalmente exibem comportamento muito diferente;
• Nível-deslocado: os níveis de PD´s oscilam (aumentam e diminuem significativamente);
• Periódica: explosões de PD´s altas ocorrem em intervalos regulares, possivelmente devido a uma outra aplicação;
• Loaded: o nível de PD´s continuam altas (100ms ou superior), o nó está sobrecarregado e o computador está em uso;
Análise e caracterização de atrasos - Categorização
![Page 37: Cristiane Yanase Hirabara de Castro ccastro@ffalm.br](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062408/568134a3550346895d9ba3fd/html5/thumbnails/37.jpg)
Análise e caracterização de atrasos – Análise de estabilidade
• A estabilidade dos atrasos de processamento é intimamente relacionada com a sobrecarga de um nó intermediário;
• Quando um nó intermediário é levemente carregado, o pacote fonte chega facilmente ao nó de origem;
• O atraso de processamento depende do tempo exato em que o pacote chega ao nó intermediário;
• Nível ocupado (BL) dos nós intermediários que garantem a estabilidade dos atrasos de processamento.
![Page 38: Cristiane Yanase Hirabara de Castro ccastro@ffalm.br](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062408/568134a3550346895d9ba3fd/html5/thumbnails/38.jpg)
Análise e caracterização de atrasos – Análise de estabilidade
Resultados
Número de nós instáveis aumentam das 8h da manhã as 4 horas da tarde, suportam a afirmação de que as medidas de atraso de
processamento refletem a sobrecarga do nó intermediário nos momentos em que o computador está ocupado.
![Page 39: Cristiane Yanase Hirabara de Castro ccastro@ffalm.br](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062408/568134a3550346895d9ba3fd/html5/thumbnails/39.jpg)
Impacto do atraso de processamento na qualidade de VOIP
A. Metodologia;B. Degradação de performance;C. Níveis de Impacto e caracterização de BL.
![Page 40: Cristiane Yanase Hirabara de Castro ccastro@ffalm.br](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062408/568134a3550346895d9ba3fd/html5/thumbnails/40.jpg)
Metodologia• Simulação dirigidas a rastreamento e considera-se o tempo de
resposta ACK coletadas das simulações anteriores;
• Para cada execução da simulação calcula-se o atraso (fim-a-fim) e a taxa de perdas de pacotes baseados em um par de nós quaisquer da rede e nos atrasos no processo de rastreamento;
• O atraso (fim-a-fim) também é calculado considerando o tamanho do playout buffer;
• Existem dois esquemas para ajustar o tamanho do buffer de saída: o estático e o adaptativo. A utilização desses esquemas permite encontrar os prejuízos relacionados a perda de informações.
Impacto do atraso de processamento na qualidade de VOIP
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Degradação da performance• Atraso de transmissão e perda:
– A avaliação da degradação, considerando os atrasos na rede e os traços de atraso de processamento foram analisados separadamente, com e sem o processamento intermediários.
– Os resultados obtidos mostram que o playout buffer consegue absorver as variabilidades introduzidas pelos atrasos de processamento em um limite de tempo aceitável.
Impacto do atraso de processamento na qualidade de VOIP
![Page 42: Cristiane Yanase Hirabara de Castro ccastro@ffalm.br](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062408/568134a3550346895d9ba3fd/html5/thumbnails/42.jpg)
Degradação da performance• Qualidade de VOIP:
– Apesar de algumas chamadas com buffer adaptativo terem apresentado uma qualidade de voz melhor, os resultados comprovam que cerca de 58% das chamadas apresentaram uma degradação significativa da qualidade.
– Considerando as chamadas com buffer estático cerca de 40% das chamadas apresentaram degradação significativa da qualidade.
– Tempo médio de degradação varia entre 10 a 18%.
Impacto do atraso de processamento na qualidade de VOIP
![Page 43: Cristiane Yanase Hirabara de Castro ccastro@ffalm.br](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062408/568134a3550346895d9ba3fd/html5/thumbnails/43.jpg)
Conclusões
• Não existem trabalhos diretamente relacionados;
• A coleta de dados, a análise estatística e os resultados obtidos através das simulações comprovam a característica ambigua da técnica de P2P Intermediário.
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Análise crítica• O trabalho foi enriquecido pelos métodos de
inferência anteriores a coleta da amostra;
• É um trabalho base;
• Os aspectos negativos e positivos descritos neste trabalho devem contribuir em estudos futuros, na implementação de aplicações P2P, na escolha do nó intermediário, entre outros.
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Anexos
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Metodologia de Inferência – D. Avaliação da Precisão
• Experimento para 500 fluxos de 10 minutos, primeiro foi avaliado o desempenho do método base e do método da
filtragem pelo valor médio e pelo valor máximo
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Procedimento de coleta1. Quando o programa de medição é inicializado, bloqueia-se o
chamador, por meio de firewall, para não chegar diretamente ao receptor;
2. Uma chamada de voz é iniciada para o receptor. Devido a configuração de firewall o chamador será conectado ao receptor através de um de seus super nós;
3. Se a chamada for estabelecida, sabe-se que o Skype encontrou um super nó para retransmitir os pacotes de voz entre o receptor e o chamador;
4. Para simular uma conversa um arquivo WAV é reproduzido continuamente para ambas as partes da chamada;
5. Depois de 10 minutos a chamada é encerrada.
Medição em larga escala – A. Metodologia de Coleta de Vestígios
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Categorização dos atrasos
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Categorização dos atrasos
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Buffer Adaptativo
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Buffer Adaptativovs Buffer Estático
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Análise e caracterização de atrasos - Categorização
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Degradação
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