Toward an Understanding of the Processing Delay of Peer-to-Peer Relay Nodes Toward an Understanding of the Processing Delay of Peer-to-Peer Relay Nodes

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).


Fonte

Destino

Nó Intermediário



• Fonte/destino;


• Pacote fonte;





ms


Fonte

Destino

Nó Intermediário



• Fonte/destino;


• Pacote fonte;





ms


Fonte

Destino

Nó Intermediário



• Fonte/destino;


• Pacote fonte;





ms


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.


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.


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.


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;


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.


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.


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.


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.”


Regras para ordenação dos pacotes


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


• 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.



• 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}.



• 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.


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.


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%.


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

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