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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE MADRIDESCUELA POLITÉCNICA SUPERIORTrabajo Fin de MásterAnálisis e implementación de un sistemareal de medida de ancho de bandaAutor:Francisco Javier Ramos de SantiagoDirector:Dr. Javier Aracil RicoMadrid, 2010
Análisis e implementación de un sistemareal de medida de ancho de banda
TRABAJO FIN DE MÁSTER:Análisis e implementación de un sistemareal de medida de ancho de bandaAUTOR:Javier Ramos de SantiagoDIRECTOR:Dr. Javier Aracil RicoEl tribunal para la defensa de este trabajo fin de máster está compuesto por:PRESIDENTE:Dr. Javier Aracil RicoVOCALES:Dr. Jorge E. López de Vergara MéndezDr. Francisco Gómez ArribasDr. Sergio López Buedo
Agradecimientos a:Mis padres, por apoyarme y hacer de mi lo que soy.Mi familia y amigos por su ayuda.Victoria por su apoyo y comprensión.Mi tutor Javier así como a las otras personas que han participado de una u otra formaen este trabajo: Jorge, Pedro, Sergio y Paco. Gracias por guiar este trabajo con ideas,sugerencias y consejos.Todos las personas del grupo HPCN de la EPS por todas las cosas que me han enseñado y los buenos momentos que hemos pasado.
Trabajo de Fin de Máster: Análisis e implementación de un sistema real demedida de ancho de bandaÍndice1. Introducción32. Estado del arte52.1. Conceptos generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2.1.1. ¿Qué es y qué se entiende por ancho de banda?5. . . . . . . . . . .52.1.2. Capacidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52.1.3. Ancho de banda disponible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62.1.4. Throughput TCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62.2. Traffic Shaping y Traffic Policing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72.2.1. Token Bucket . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102.2.2. Policing usando Token Bucket . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112.2.2.1. Single Rate Three Color Marker (srTCM) . . . . . . . . . . .112.2.2.2. Two Rate Three Color Marker (trTCM) . . . . . . . . . . . . .122.2.3. Shaping usando Token Bucket . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .122.3. Disciplinas de encolado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132.3.1. FIFO (First In First Out) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132.3.2. PQ (Priority Queueing) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132.3.3. FQ (Fair Queueing) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142.3.4. WFQ (Weight Fair Queuing) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .152.3.5. WRR (Weighted Round Robin) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .152.3.6. SRR (Shaped Round Robin) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .162.4. Limitaciones físicas: el caso de ADSL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .162.5. Problemas derivados de las limitaciones de ancho de banda . . . . . . . .192.6. Métodos de medida de ancho de banda basados en descarga de fichero . .212.7. Métodos de medida de ancho de banda basados en pares de paquetes . .231
Trabajo de Fin de Máster: Análisis e implementación de un sistema real demedida de ancho de banda2.7.1. Packet-Pair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .232.7.2. Packet-Pair Train . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .253. Evaluación de entornos de medida263.1. Accesos limitados físicamente: el caso de ADSL . . . . . . . . . . . . . . . .263.2. Accesos limitados lógicamente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .274. Factores que influyen en la medida del ancho de banda294.1. Descripción del entorno de laboratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .304.2. CPU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .314.3. Memoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .354.4. Sistema Operativo y Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .394.5. Tráfico interferente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .404.6. Interrupt Coalescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .435. Implementación de un sistema real: QoSPoll455.1. Arquitectura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .455.2. Diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .465.3. Cálculo de la calidad de la medida50. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6. Validación del sistema526.1. Entorno de laboratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .536.2. Entorno Real . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .557. Conclusiones588. Trabajo Futuro59Apéndices612
Trabajo de Fin de Máster: Análisis e implementación de un sistema real demedida de ancho de banda1.IntroducciónCon el desarrollo de nuevos servicios multimedia y la implantación de las redes de banda ancha en los hogares se ha producido una creciente demandade métodos que permitan medir parámetros de calidad de servicio (QoS). Estademanda proviene tanto de los usuarios finales como de operadoras de telecomunicaciones y organismos reguladores.En el 2005 se recibieron 43,286 peticiones en la oficina de atención a usuariosde telecomunicaciones y 234,708 en 2008. La mayoría de las peticiones sonquejas de usuarios a causa de degradaciones del servicio contratado por partedel operador. Es por ello que tanto usuarios como operadores están interesadosen medir de manera precisa y estándar los parámetros de calidad de servicio delas conexiones de banda ancha.Uno de los parámetros de calidad de servicio que tiene especial relevancia es elancho de banda. Este parámetro es importante tanto para usuarios domésticosque pueden contar con accesos de ADSL de baja velocidad como para empresasque contratan líneas dedicadas sujetas un acuerdo de nivel de servicio (SLA).Aparte, tanto operadoras como organismos oficiales tienen interés en esta métrica ya que su medida constituye un proceso de verificación del cumplimientodel contrato entre un operador y un cliente.Para medir este parámetro muchos usuarios utilizan programas que se ejecutan a nivel de usuario [25] y que deben competir por los recursos (CPU, Memoria, Red) con otras aplicaciones concurrentes. Estas aplicaciones a menudopueden generar tráfico que influye en la propia medida de ancho de banda. Espor ello que a la hora de realizar medidas de ancho de banda se debe tener encuenta no sólo factores puramente relacionados con las comunicaciones si notambién factores relacionados con el rendimiento global de un equipo o sistema.En el trabajo se analizan las diferentes técnicas de medida de ancho de bandaasí como los métodos de limitación de ancho de banda para profundizar en losaspectos que pueden ser más importantes a la hora de realizar una medida.Estas técnicas de limitación de ancho de banda engloban tanto limitacionesfísicas , como las impuestas en el caso de las líneas ADSL, como limitacioneslógicas debidas a Shaping, Policing o técnicas de encolado. Además se abordael problema de la sobre-suscripción que causa los cuellos de botella que hacenque se incumplan los niveles especificados entre clientes y operadoras en los3
Trabajo de Fin de Máster: Análisis e implementación de un sistema real demedida de ancho de bandacontratos o acuerdos de nivel de servicio (Service Level Agreement -SLA-)Este trabajo analiza también la influencia de los factores externos sobre losmétodos de medida basados tanto en descarga de fichero como en pares depaquetes. Para cada uno de ellos se analiza la influencia de la carga de CPUy memoria así como del tráfico interferente auto-inducido. Para ello se usadouna metodología formal para el diseño de experimentos.Adicionalmente se propone un método de medida de ancho de banda que esinm
2.1.3. Ancho de banda disponible El ancho de banda disponible de un camino end-to-end se define como la capa-cidad no usada durante un periodo de tiempo. Por tanto, esta métrica depende tanto de las características físicas como de la carga de tráfico en los enlaces a lo largo del tiempo. Para calcular el ancho de banda disponible es .
