Aplicaciones y Servicios Avanzados Internetencarna/doctorado/0809/1apd-09.pdf · 2009-04-20 · Aplicaciones y Servicios Avanzados Internet Curso 08/09 Doctorado

1

Aplicaciones y Servicios

Avanzados Internet

Curso 08/09

Doctorado

Aplicaciones y Servicios Avanzados

InternetCurso de Doctorado

2008-2009

Encarna Pastor <[email protected]>Dpto. Ingeniería de Sistemas Telemáticos

Universidad Politécnica de Madrid

2 ditditUPM© DIT-UPM, 2009

Índice global de temas de investigación (1)

� Servicios a gran escala� Distribución de contenidos

─ Modelos, arquitectura─ CDNs: encaminamiento de peticiones─ P2p y CDNs─ Distribución de video, iptv

� Evolución de Internet� Estudio y evaluación de nuevas propuestas de arquitecturas� El impacto de TCP

─ Estudio de propuestas actuales sobre TCP─ Necesidades de aplicaciones móviles─ TCP sobre UMTS

� DNS� Web

─ Evolución web semántica

2


Avanzados Internet

Curso 08/09

Doctorado

Sistemas de entrega y distribución de contenidos.

Nuevos paradigmas.


Entrega de contenidos clásica: web y HTTP

� Arquitectura cliente/servidor�petición/respuesta sobre conexiones TCP

� Los mensajes HTTP atraviesan largos caminos en la red…�mecanismos para mejora de prestaciones!!

InternetInternet

Cliente web Servidor web

3


Avanzados Internet

Curso 08/09

Doctorado


Redesbackbone

ISP

Organización de Internet

ISP

ISPISP

ISP ISP

LAN LANLAN

NAP

Dial-up

DSL

NAP

CableHead Ends

CellCell

Cell

Satélite


Caminos en Internet

Tier-2 ISP

Tier-2 ISP

NAP

ISP Tier 1ISP Tier 1

ISP Tier 1


ISP Tier 2


ISP Tier 3ISP local

ISP local

ISP localISP local

ISP local

� Un paquete puede atravesar muchas redes

4


Avanzados Internet

Curso 08/09

Doctorado


Sistemas de entrega de contenidos

� Objetivo: mejora de prestaciones� acceso a contenidos independientemente de su ubicación en la

red� proxies, réplicas, distribución, redirección, …� algo en común: protocolo HTTP

� Sistemas de distribución y entrega de contenidos gestionados por:� Proveedores de servicios Internet

─ Caché web, proxy caché� Proveedores de contenidos

─ Granjas de servidores, mirrors─ Redes de distribución de contenidos (CDN)

� Usuarios─ Redes peer-to-peer (P2P)


Caché web

� El proxy caché está cercanoal cliente�en su misma red

corporativa�en la entrada a su ISP

─ interception proxies!� Menor tiempo de respuesta

�QoS� Disminuye el tráfico que se

produciría hacia servidoresdistantes�Ahorro de costes

servidoresweb

Internet

redcorporativa 10 Mbps LAN

enlace de 1.5 Mbps

caché/proxyde la organización

5


Avanzados Internet

Curso 08/09

Doctorado


Caché web cooperativas

� Múltiples cachés web�caché cooperativa� topología jerárquica�protocolo squid

� Árbol de distribución de contenidos

Usuarios

Caché Institucionales

Caché

Regionales

Caché Nacional (Raíz)

Servidor

Web

INTERNETINTERNET Jerárquica


Granjas de servidores

� Permiten crear potentes servidores virtuales a base de unir varios servidores físicos:

� Ventajas:� Transparente para los clientes (dirección IP virtual)� Los servidores están replicados� Balanceo de carga, comprobación de disponibilidad de servidores

ClientesClientesServidores Servidores webweb

reales reales (Server (Server FarmFarm ))

Servidor VirtualServidor Virtual

Red IPRed IPConmutador Conmutador

Nivel 4Nivel 4

DirecciDirecci óón n IP virtualIP virtual

6


Avanzados Internet

Curso 08/09

Doctorado


Mirrors

� Copias de servidores (mirrors) instaladas en áreas de la red geográficamente alejadas.�Sincronización por FTP o rsync

� Redirección a veces automática�cookies�preferred language del cliente�Algunos productos comerciales hacen

balanceo de carga (según métricas de la red)


Redes de distribución de contenidos (CDNs)

Distribución Entrega

Ej.: Akamai

7


Avanzados Internet

Curso 08/09

Doctorado


Elementos de una CDN

Servidor

Web

Cliente

Servidor

Sustituto

Servidor

Sustituto

Servidor

SustitutoServidor

Sustituto

Servidor

Sustituto

Sistema de Distribución Sistema de

Tarificación

Sistema de Encaminamiento CDN

INTERNET


CDN – Aspectos de diseño

� Mecanismos para distribuir el contenido sobre los servidores sustitutos.

� Políticas de distribución de contenidos� completos o parciales

� Mecanismos para encaminar a los clientes hacia el mejor servidor CDN� Basado en DNS, a nivel de transporte, o de aplicación

� Selección del mejor servidor CDN� Métricas utilizadas: estáticas, estadísticas o dinámicas

8


Avanzados Internet

Curso 08/09

Doctorado


Sistemas Caché web vs CDNs

Sí permite que el proveedor de contenidos mantenga el control sobre las copias de su contenido.

No permite que el proveedor de contenidos mantenga el control sobre las copias de su contenido.

Beneficia tanto a los proveedoresde contenidos como a los usuarios.

Beneficia más a los usuarios e ISPs que a los proveedores de contenidos.

Opera Pro-activamente.Opera Re-activamente.

El Proveedor de Contenidos lo usapara incrementar la QoS.

El ISP lo usa para reducir el consumo de ancho de banda.

CDNCaché web


Peer to peer (P2P)

� Paradigma de distribución de contenidos� Recursos en la periferia de Internet� Peers:

─ Sistemas finales, conectividad intermitente─ Autonomía, sin intervención de terceras partes

� Cooperan: ─ Comparten recursos: contenidos, ciclos de CPU,

almacenamiento, …─ A través de protocols para encaminamiento,

réplicas, etc. sobre redes superpuestas (overlay networks)

� Funciones: ─ Compartición de ficheros, procesamiento

distribuido, distribución de contenidos, comunicación, …

9


Avanzados Internet

Curso 08/09

Doctorado


Ejemplos de P2P

� Compartición de ficheros� Gnutella, Kazaa, eMule, Napster, …

� Compartición de ciclos de CPU� SETI@home, Gnome@home, …

� Sistemas de ficheros y almacenamiento distribuido� OceanStore, CFS, Freenet, Farsite, …

� Media streaming y distribución de contenidos� PROMISE, SplitStream, CoopNet, PeerCast, Bullet,

Zigzag, NICE, …� Comunicación

� Skype, mensajería instantánea, …


P2P: directorio centralizado

� Diseño original de Napster�Shawn Fanning�Comienza a finales 90’s�Fin en 2001

� Problemas:�un punto único de fallo�cuello de botella en

prestaciones

Servidorcentral

peers1

1

1

12

3

10


Avanzados Internet

Curso 08/09

Doctorado


P2P: solución distribuida

� Enfoque de Gnutella�Justin Frankel y Tom

Pepper, creadores de WinAmp (2000)

� Se utiliza un nodo de “bootstrap” para conocera los peers

� Envío de consulta a los vecinos�query flooding

� El peer que tiene el objetorequerido, envía un mensaje al peer origen.

join


P2P: directorio descentralizado

� Enfoque seguido porKaZaA/FastTrack�Niklas Zennstrom y

Janus Friis, quien ha creado Skype

� El líder de grupoconoce el contenido de todos los peersmiembros del grupo

� Los peers consultan a su líder y éste puedeconsultar a otros líderesde grupo

ordinary peer

group-leader peer

neighoring relationshipsin overlay network

11


Avanzados Internet

Curso 08/09

Doctorado


P2P vs Grid

� PCs con capacidady conectividad limitada

� Muy diversasplataformas y pocofiables

� Clusters de máquinaspotentes y fiables

� Conectadas medianteredes altas prestaciones

� Instrumentosespecializados

Comparticiónde recursos

� Mayoritariamenteanónimos

� Intercambio de ficheros, otrasemergentes

� Comunidades yaestablecidas (científicos)

� Resolución de problemas que requierenalta capacidad de cálculo

Comunidad y aplicaciones

P2PGrid


P2P vs Grid

Simple: eMule, SETI@Home

� Sofisticado: Globus, CondorSoftware

� Servicios limitados: búsqueda de recursos

� Confianza muylimitada entremiembros

� Sofisticados: autenticación, planificación, búsqueda de recursos, control de acceso

� Confianza entremiembros

Servicios

� Cientos de miles a millones

� Centenares a miles Escalabilidaddel sistema

P2PGrid

12


Avanzados Internet

Curso 08/09

Doctorado


¿Qué es nuevo en P2P?

� No es nuevo el concepto:� Arquitectura distribuida� Compartición de recursos� Gestión de los nodos (join/leave/fail)� Comunicación de grupo� Gestión de un estado distribuido

� Son nuevas las características de� Nodos (peers): heterogéneos, no fiables, autónomos,…� Sistema: escala, topología, seguridad, coste, …


¿Qué es nuevo en P2P?

� Se necesita diseñar nuevos algoritmos y protocolos que escalen a (posiblemente) millones de nodos con nuevas características

� ¿Por qué ahora el boom de P2P?�Muchos recursos en la periferia de la red

infrautilizados�Conectividad e infraestructura de red

� El tráfico P2P ha superado al de web (> 75%)!

13


Avanzados Internet

Curso 08/09

Doctorado


P2P IPTV

� Aparición de sistemas P2P IPTV para la distribución de canales de vídeo mediante “streaming”.

� Objetivo: �Evaluar el impacto de los servicios P2P IPTV

en la red haciendo especial énfasis en el consumo de ancho de banda.

INTRODUCCION


Arquitecturas para la distribución de vídeo. Cuestiones abiertas

� IP Multicast:� Soporte de los routers grupos Multicast.

� Application Multicast tipo árbol:� Latencias.� Ancho de banda limitado.� Fiabilidad en entornos dinámicos.

� Redes CDN:� Costes dependientes de:

─ Variabilidad de tráfico consumido.─ Mantenimiento y actualización de réplicas.

IMPACTO DE LOS SERVICIOS DE TELEVISION IP P2P EN LA EFICIENCIA DE RED

14


Avanzados Internet

Curso 08/09

Doctorado


Arquitectura P2P IPTV

� Estructuras “Overlay” que se apoyan en la infraestructura de la propia red.

� Propuestas:� “Tree-Push”.

─ Topología sencilla Vs ─ Ancho de Banda / Dinamismo

� “Mesh-Pull”.─ Escalabilidad.─ Eficiencia.

� “Push-Pull”.─ Reducción Retardos.─ Fase de Desarrollo.

P4P


Sistemas Sistemas ““MeshMesh--PullPull””::

� Descripción Funcional:� Protocolo “ Gossip” :

─ El “peer” ejecuta el SW del sistema correspondiente.─ Contacto con el “Tracker Server”:

� Listado de canales.� Selección del video a visualizar.

─ Contacto con los “peers”:� Para la Descarga y/o entrega de fragmentos de video.

� Protocolo de Distribución de Fragmentos:─ Intercambio de “Buffer Maps”:

� Paquete de datos que contiene qué fragmentos de video contiene un “peer” y cuales de éstos pueden ser reproducidos continuamente

Sistemas P2P IPTV

15


Avanzados Internet

Curso 08/09

Doctorado


Sistemas Sistemas ““MeshMesh--PullPull””::

� Rendimiento:� Paradas / Saltos en la reproducción:

─ “Deadline”: Plazo de reproducción asociado a cada fragmento.� Retardos:

─ “Start-Up”:� Intervalo de tiempo que transcurre desde que un canal es seleccionado hasta

que comienza su reproducción:� Canales populares: 10 a 20 seg.� Canales No populares: Hasta 2 minutos.

─ Entre “peers” debido a:� 1) Los fragmentos de video intercambiados no llegan al mismo tiempo a

todos los “peers”� 2) Debido al doble proceso de “Buffering”.� Resultados:

� Hasta 140 seg. de diferencia entre un “peer” u otro� Crítico para contenidos en Directo.

� Nuevos mecanismos:� “Push-Pull”:

─ Mejorar la eficiencia en la latencia de entrega de contenidos.

Sistemas P2P IPTV


Redes superpuestas (overlays)

� Un nivel abstracto sobre la arquitectura TCP/IP� Conexiones tcp entre nodos de la periferia

�Mantenimiento de vecindades�Reconfiguración

� Posibilidad de innovaciones sin modificar redesactuales

16


Avanzados Internet

Curso 08/09

Doctorado


Redes superpuestas (overlays)

� Ejemplos:�DNS�Routers BGP�CDNs�P2P


Conclusiones

� Una nueva Internet�Con un nuevo nivel (complejo)

superpuesto─ En la periferia de la red─ Que redefine nombres y hace

encaminamiento y multicast─ Almacena y sirve datos de forma

completamente distribuida�Flexibilidad de diseño de

aplicaciones� ¿Y el principio end-to-end?

IP

Applications

AccessTechnologies

MiddlewareServices

NetworkTechnology

17


Avanzados Internet

Curso 08/09

Doctorado

Arquitectura de Internet


Arquitectura

� Principios abstractos que guían el diseño técnico de una red, especialmente la ingeniería de sus algoritmos y protocolos�Nombres, direcciones, encaminamiento

─ ¿Qué entidades tienen nombre?�Modularización, torre de protocolos�Reparto de capacidad, equidad, control de

congestión�Seguridad y gestión�QoS

� El papel de una arquitectura es asegurar consistencia y coherencia y representa una base para toma de decisiones

18


Avanzados Internet

Curso 08/09

Doctorado


Evolución de Internet (I)• 1961-1972: conmutación de paquetes, NCP

NUCLEO ARPAnet

SFSFSFSFSFSF

SFSF


Evolución de Internet (II)

NUCLEO ARPAnet

RR

RR RR

LANLAN

LANLANLANLAN

• 1972-1980: interconexión de redes

Diseño de InternetCerf, Kahn (1974):

� autonomía� best effort� routers sin estado� control

descentralizadoEnd-to-end argument

SFSF

19


Avanzados Internet

Curso 08/09

Doctorado


NUCLEO ARPAnet

R3 R2

R4

R1

Evolución de Internet (III)• 1980-1990: proliferación de redes, problemas de escala

Red xRed y

�Subnetting

�CIDR

�ASs

�DNS

�TCP, AIMD


Evolución de Internet (IV)

NAPBackbone

Backbone

PSIregional

PSIregional

PSIlocal

Hacia una topología jerárquica

- Network AccessPoints (NAP)

• 90´s: comercialización, web

PSIregional

PSIlocal

PSIlocal

20


Avanzados Internet

Curso 08/09

Doctorado


Arquitectura de Internet. Resumen.

� Inicialmente:�Red de paquetes no orientada a conexión�Funcionalidad en la periferia de la red (robustez)�Servicios extremo a extremo en el nivel de

transporte o aplicación─ Fiable y no fiable (datagrama)

�Direcciones numéricas con jerarquía simple─ Asignadas a interfaces físicas con la red

�Redes heterogéneas, diversidad de tecnologías� Evolución en los 80:

�Subnetting, ASs, DNS (jerarquía, escalabilidad)� IP multicast (aunque no desplegado…)�TCP AIMD, control de congestión


Arquitectura de Internet.End-to-end arguments

� Ningún mecanismo debe implementarse en la red si puede implementarse en los sistemas finales.

� El núcleo de la red debe proporcionar un servicio genérico, no debe adaptarse a ninguna aplicación.�Innovación�Fiabilidad y robustez�Transparencia

IP

Applications

AccessTechnologies

MiddlewareServices

NetworkTechnology

21


Avanzados Internet

Curso 08/09

Doctorado


Arquitectura de Internet.Alteración de los principios end-to-end

� Pérdida de confianza entre sistemas finales, pérdida de transparencia�Firewalls, VPNs

� Control por parte de ISPs, pérdida de transparencia�Filtrado a nivel de aplicación, redirecciones, etc.

� Observación de flujos de datos�Sitios de captura en la red

� Mejora de prestaciones de aplicaciones como, p.e., web�Caché web, mirrors, redirecciones DNS, servidores

CDN para VoD, etc.� Simplificación del despliegue de aplicaciones en los SF

�Servidores de aplicaciones


Últimas extensiones

� Más consistentes con la arquitectura original:� IntServ (Integrated Services)�DiffServ (Differentiated Services)� IPSEC

� Nada consistentes:�Firewalls� IP móvil�NAT (Network Address Translator)�VPNs�MPLS�Caché webs� ...

22


Avanzados Internet

Curso 08/09

Doctorado


Interacciones

� NAT es incompatible con IPSEC� Las cachés web transparentes son

incompatibles con SSL o IPSEC� Herramientas como traceroute dejan de ser

útiles debido a nodos intermediarios� Es difícil desplegar algunas nuevas aplicaciones

debido a los firewalls�a veces se usan túneles sobre otros

protocolos para lograr atravesarlos


Diseño de aplicaciones. Tendencias.End-to-end a alto nivel

� Componentes “intermediarios” entre los extremos�Requisito de usuarios u operadores�Privacidad, mejora de prestaciones,…

─ Anonimizadores, servidores filtros de correo, cachés de contenidos, …

� Aplicaciones complejas�Necesitan componentes adicionales como parte

de la aplicación distribuida─ Transacciones que involucran a tres o más

partes, obtención de credenciales, votación electrónica, …

23


Avanzados Internet

Curso 08/09

Doctorado


Open Pluggable Edge Services (OPES)

� OPES, IETF WG� Entidades de aplicación entre un cliente y un servidor

� Servidores cooperativos (opes substitutos y delegados)� Personalización de servicios

─ Control de contenidos, privilegios de acceso, anonimizadores, políticas de organizaciones, traducción de idiomas, adaptación de formatos

� Redirecciones─ Equilibrio de carga

� Monitorización─ Virus, anti-spam, tarificación


Arquitectura. Conclusión

� Investigación en nuevas arquitecturas, conceptos, fundamentos teóricos

� Requisitos� Interconexión de redes, robustez, heterogeneidad,

gestión distribuida, facilidad de conexión�Adaptabilidad a modelos de negocio, regulatorios,

políticas de operadores, usuarios, etc.�Movilidad, autoconfiguración, soporte para

asignación de recursos flexible �Reparto de capacidad�Largos retardos de propagación, ...

24


Avanzados Internet

Curso 08/09

Doctorado


Propuestas de nuevas arquitecturas (i)

� Internet Virtual (USC/ISI)�Versión virtual de la actual Internet

─ red superpuesta (overlay, RON)─ host y routers virtuales se interconectan a través

de túneles─ se basa en el paradigma de memoria virtual

Base Net

Star VN

Ring VN


Propuestas de nuevas arquitecturas (ii)

� Plutarch (U. Cambridge, UK)�Redes plurales

─ Internet, una más─ Contexto: hosts, routers, switches, enlaces, ...─ Funciones intersticiales: establecen

correspondencia entre las funcionalidades encapsuladas en los contextos

Sensornetwork

IPv6network

IPv4network

NAT LAN

Interstitial function

Context

25


Avanzados Internet

Curso 08/09

Doctorado


Propuestas de nuevas arquitecturas (iii)

� FARA : Forwarding directive, Association, and Rendezvous Architecture (MIT, USC ISI, NewArchProject).�Cleanly decouple end-system identity from network

layer forwarding functions─ The familiar location/identity split─ Support general mobility (includes multihoming)

�Avoid the need for a new global namespace for identity

�Provide E2E security with a range of assurance levels�Generalize the architecture along several dimensions�Support diverse naming & forwarding mechanisms

Impacto de TCP sobre redesmóviles

26


Avanzados Internet

Curso 08/09

Doctorado


Redes móviles y arquitectura TCP/IP

� Redes móviles celulares: ¿impacto en el servicio ofrecido a las aplicaciones? ¿en otros protocolos?

� Teóricamente el impacto debería ser mínimo…�El modelo de servicio no cambia�TCP y UDP protocolos de transporte

� … pero puede haber pérdida de prestaciones� Mayores retardos (retransmisiones en el nivel de enlace) y

variabilidad (jitter)� Pérdida de paquetes (descarte por errores)� Traspasos (handover), falta de cobertura� TCP interpreta pérdidas como congestión, disminuyendo

tasa de envío� Ancho de banda limitado� El terminal móvil


Características básicas de TCP

� Envío continuo�ACKs: segmento a segmento, retardados (1

paquete o 500 ms. típ.), duplicados (RX fuerade orden)

� Control de flujo soportado por la ventana�Caudal <= W (bits) / RTT(s) < C

─Caudal = tasa media de envío�Tamaño ideal de ventana: W(bits) = C (bps) *

RTT(s)

27


Avanzados Internet

Curso 08/09

Doctorado


Errores y Control de Congestión

� Visión de TCP:�Un paquete se pierde SII hay congestión�Detección de pérdidas por temporizador o ACKs

duplicados� Característica de redes móviles

�Pérdidas frecuentes por errores de transmisión y/o “Jitter” alto

� TCP no puede distinguir entre pérdidas de paquetes debidas a congestión y aquellas debidas a errores o retardos.�Reduce innecesariamente la ventana de congestión…�Volviendo en ocasiones a la fase de arranque lento…

� Pérdida de prestaciones!


Comportamiento ideal

� Red ideal: los errores de transmisión permanecen ocultos al emisor, mediante una recuperación transparente y eficiente en el nivel de enlace.

� TCP ideal: el emisor sólo retransmite un paquete que se ha perdido debido a errores de transmisión, sin tomar ninguna acciónrelacionada con el control de congestion.

� Los esquemas propuestos generalmente tratan de aproximarse a uno de estos dos ideales.

28


Avanzados Internet

Curso 08/09

Doctorado


Propuestas modificación TCP

� Conexiones divididas (split connection)� Se abandona la semántica extremo a extremo de TCP:

� Conexión TCP en el tramo inalámbrico.� Conexión TCP en el tramo cableado.

� La división se hace en el “nodo intermedio”: estación base.

� Se optimiza independientemente cada conexión

Estación base Terminal móvilTerminal fijo

Documents

Aplicaciones y Servicios Avanzados Internetencarna/doctorado/0809/1apd-09.pdf · 2009-04-20 · Aplicaciones y Servicios Avanzados Internet Curso 08/09 Doctorado