Toward an Understanding of the Processing Delay of Peer-to-Peer Relay Nodes Toward an Understanding...
Transcript of Toward an Understanding of the Processing Delay of Peer-to-Peer Relay Nodes Toward an Understanding...
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]
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
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
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.
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
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 .
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
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.
Metodologia de Inferência
A. Definição de termos;B. Método Básico;C. Exemplo de filtragem baseada no IPDI;D. Avaliação da precisão
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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.
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.
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}.
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}.
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.
Medição em Larga Escala
A. Metodologia de coleta de vestígiosB. Resultados Estimados PD
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
Cenário e procedimento de coletaMedição em larga escala – A. Metodologia de Coleta de Vestígios
Monitor de Tráfego
Fonte
Nó Intermediário
Firewall
Destino
Internet
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;
Caracterização do atraso de processamento
A. Categorização dos atrasos de processamentoB. Análise de estabilidade
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
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.
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.
Impacto do atraso de processamento na qualidade de VOIP
A. Metodologia;B. Degradação de performance;C. Níveis de Impacto e caracterização de BL.
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
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
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
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.
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.
Anexos
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
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
Categorização dos atrasos
Categorização dos atrasos
Buffer Adaptativo
Buffer Adaptativovs Buffer Estático
Análise e caracterização de atrasos - Categorização
Degradação