Aplicaciones y Servicios Avanzados Internet - dit/UPM

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Doctorado
Aplicaciones y Servicios
Avanzados Internet
Curso 08/09
Aplicaciones y Servicios
Avanzados
Internet
Curso de Doctorado
2008-2009
Encarna Pastor <[email protected]>
Dpto. Ingeniería de Sistemas Telemáticos
Universidad Politécnica de Madrid
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
dit
2
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1
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Aplicaciones y Servicios
Avanzados Internet
Curso 08/09
Sistemas de entrega y
distribución de contenidos.
Nuevos paradigmas.
Entrega de contenidos clásica: web y HTTP
Internet
Internet
Cliente web
Servidor web
Arquitectura cliente/servidor
petición/respuesta sobre conexiones TCP
Los mensajes HTTP atraviesan largos caminos
en la red…
mecanismos para mejora de prestaciones!!
dit
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2
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Aplicaciones y Servicios
Avanzados Internet
Curso 08/09
Organización de Internet
Cable
Head Ends
DSL
ISP
ISP
NAP
ISP
Cell
Cell
Cell
Redes
backbone
Satélite
ISP
LAN
LAN
ISP
NAP
ISP
Dial-up
LAN
dit
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Caminos en Internet
Un paquete puede atravesar muchas redes
ISP local
ISP Tier 3
ISP local
ISP Tier 2
Tier-2
ISP TierISP
2
ISP Tier 1
ISP Tier 1
ISP Tier 2
ISP local
NAP
ISP Tier 1
ISP Tier 2
ISP Tier
2
Tier-2
ISP
ISP local
ISP local
dit
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Avanzados Internet
Curso 08/09
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)
dit
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Caché web
El proxy caché está cercano
al 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 servidores
distantes
Ahorro de costes
servidores
web
Internet
enlace
de 1.5 Mbps
red
corporativa
10 Mbps LAN
caché/proxy
de la organización
dit
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4
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Aplicaciones y Servicios
Avanzados Internet
Curso 08/09
Caché web cooperativas
Servidor
Web
Múltiples cachés web
caché cooperativa
topología jerárquica
protocolo squid
Árbol de distribución de
contenidos
Jerárquica
INTERNET
INTERNET
Caché Nacional (Raíz)
Caché
Regionales
Caché Institucionales
Usuarios
dit
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Granjas de servidores
Permiten crear potentes servidores virtuales a base de
unir varios servidores físicos:
Direcció
Dirección
IP virtual
Red IP
Clientes
Conmutador
Nivel 4
Servidores web
reales
(Server Farm)
Farm)
Servidor Virtual
Ventajas:
Transparente para los clientes (dirección IP virtual)
Los servidores están replicados
Balanceo de carga, comprobación de disponibilidad de servidores
dit
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Curso 08/09
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)
dit
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Redes de distribución de contenidos (CDNs)
Ej.: Akamai
Distribución
Entrega
dit
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Curso 08/09
Elementos de una CDN
Servidor
Web
Sistema de
Encaminamiento
Servidor
Sustituto
CDN
Sistema de
INTERNET
Distribución
Servidor
Sustituto
Servidor
Sustituto
Sistema de
Tarificación
Servidor
Sustituto
Servidor
Sustituto
Cliente
dit
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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
dit
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Curso 08/09
Sistemas Caché web vs CDNs
Caché web
CDN
El ISP lo usa para reducir el
consumo de ancho de banda.
El Proveedor de Contenidos lo usa
para incrementar la QoS.
Opera Re-activamente.
Opera Pro-activamente.
Beneficia más a los usuarios e
ISPs que a los proveedores de
contenidos.
Beneficia tanto a los proveedores
de contenidos como a los
usuarios.
No permite que el proveedor de
contenidos mantenga el control
sobre las copias de su contenido.
Sí permite que el proveedor de
contenidos mantenga el control
sobre las copias de su contenido.
dit
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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, …
dit
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Curso 08/09
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, …
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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
Servidor
central
1
peers
1
1
2
3
1
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Curso 08/09
P2P: solución distribuida
Enfoque de Gnutella
Justin Frankel y Tom
Pepper, creadores de
WinAmp (2000)
Se utiliza un nodo de
“bootstrap” para conocer
a los peers
Envío de consulta a los
vecinos
query flooding
El peer que tiene el objeto
requerido, envía un
mensaje al peer origen.
join
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P2P: directorio descentralizado
Enfoque seguido por
KaZaA/FastTrack
Niklas Zennstrom y
Janus Friis, quien ha
creado Skype
El líder de grupo
conoce el contenido de
todos los peers
miembros del grupo
Los peers consultan a
su líder y éste puede
consultar a otros líderes
de grupo
ordinary peer
group-leader peer
neighoring relationships
in overlay network
dit
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Aplicaciones y Servicios
Avanzados Internet
Curso 08/09
P2P vs Grid
Grid
P2P
Comunidad y
aplicaciones
Comunidades ya
establecidas (científicos)
Resolución de
problemas que requieren
alta capacidad de cálculo
Mayoritariamente
anónimos
Intercambio de
ficheros, otras
emergentes
Compartición
de recursos
Clusters de máquinas
potentes y fiables
Conectadas mediante
redes altas prestaciones
Instrumentos
especializados
PCs con capacidad
y conectividad limitada
Muy diversas
plataformas y poco
fiables
dit
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P2P vs Grid
Grid
Escalabilidad
del sistema
Servicios
Sofisticados:
autenticación, planificación,
búsqueda de recursos,
control de acceso
Confianza entre
miembros
Software
Centenares a miles
Sofisticado: Globus,
Condor
P2P
Cientos de miles a
millones
Servicios limitados:
búsqueda de
recursos
Confianza muy
limitada entre
miembros
Simple: eMule,
SETI@Home
dit
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Aplicaciones y Servicios
Avanzados Internet
Curso 08/09
¿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, …
dit
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¿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%)!
dit
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Aplicaciones y Servicios
Avanzados Internet
Curso 08/09
INTRODUCCION
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.
dit
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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:
─
─
26
Variabilidad de tráfico consumido.
Mantenimiento y actualización de réplicas.
IMPACTO DE LOS SERVICIOS DE TELEVISION IP P2P EN LA EFICIENCIA DE RED
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dit
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Avanzados Internet
Curso 08/09
Arquitectura P2P IPTV
Estructuras “Overlay” que se apoyan en la
infraestructura de la propia red.
Propuestas:
“Tree-Push”.
─
─
“Mesh-Pull”.
─
─
Topología sencilla Vs
Ancho de Banda / Dinamismo
Escalabilidad.
Eficiencia.
“Push-Pull”.
─
─
Reducción Retardos.
Fase de Desarrollo.
P4P
dit
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Sistemas P2P IPTV
Sistemas “Mesh-Pull”:
Descripción Funcional:
Protocolo “Gossip”:
─
─
El “peer” ejecuta el SW del sistema correspondiente.
Contacto con el “Tracker Server”:
─
Contacto con los “peers”:
Listado de canales.
Selección del video a visualizar.
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
dit
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Avanzados Internet
Curso 08/09
Sistemas P2P IPTV
Sistemas “Mesh-Pull”:
Rendimiento:
Paradas / Saltos en la reproducción:
─
“Deadline”: Plazo de reproducción asociado a cada fragmento.
Retardos:
─
“Start-Up”:
─
Entre “peers” debido a:
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.
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.
dit
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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 redes
actuales
dit
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Avanzados Internet
Curso 08/09
Redes superpuestas (overlays)
Ejemplos:
DNS
Routers BGP
CDNs
P2P
dit
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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?
Applications
Middleware
Services
IP
Network
Technology
Access
Technologies
dit
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Doctorado
Aplicaciones y Servicios
Avanzados Internet
Curso 08/09
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
dit
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17
Doctorado
Aplicaciones y Servicios
Avanzados Internet
Curso 08/09
Evolución de Internet (I)
• 1961-1972: conmutación de paquetes, NCP
NUCLEO ARPAnet
SF
SF
SF
SF
dit
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Evolución de Internet (II)
• 1972-1980: interconexión de redes
Diseño de Internet
Cerf, Kahn (1974):
autonomía
best effort
routers sin estado
control
descentralizado
End-to-end argument
NUCLEO ARPAnet
SF
R
LAN
R
R
LAN
LAN
dit
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Aplicaciones y Servicios
Avanzados Internet
Curso 08/09
Evolución de Internet (III)
• 1980-1990: proliferación de redes, problemas de escala
NUCLEO ARPAnet
R1
Subnetting
R3
R2
CIDR
R4
ASs
DNS
TCP,
AIMD
Red y
Red x
dit
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Evolución de Internet (IV)
• 90´s: comercialización, web
Backbone
Hacia una topología
jerárquica
- Network Access
Points (NAP)
PSI
regional
Backbone
NAP
PSI
local
PSI
regional
PSI
regional
PSI
local
PSI
local
dit
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Aplicaciones y Servicios
Avanzados Internet
Curso 08/09
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
dit
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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
Applications
ninguna aplicación.
Middleware
Innovación
Services
Fiabilidad y robustez
IP
Network
Transparencia
Technology
Access
Technologies
dit
40
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UPM
20
Doctorado
Aplicaciones y Servicios
Avanzados Internet
Curso 08/09
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
dit
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UPM
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
...
dit
42
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UPM
21
Doctorado
Aplicaciones y Servicios
Avanzados Internet
Curso 08/09
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
dit
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UPM
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, …
dit
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UPM
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Doctorado
Aplicaciones y Servicios
Avanzados Internet
Curso 08/09
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
dit
45
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UPM
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, ...
dit
46
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UPM
23
Doctorado
Aplicaciones y Servicios
Avanzados Internet
Curso 08/09
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
Star VN
Base Net
Ring VN
dit
47
UPM
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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
IPv6
network
IPv4
network
NAT
LAN
Sensor
network
Interstitial function
Context
dit
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24
Doctorado
Aplicaciones y Servicios
Avanzados Internet
Curso 08/09
Propuestas de nuevas arquitecturas (iii)
FARA: Forwarding directive, Association, and
Rendezvous Architecture (MIT, USC ISI, NewArch
Project).
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
dit
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Impacto de TCP sobre redes
móviles
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Doctorado
Aplicaciones y Servicios
Avanzados Internet
Curso 08/09
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
dit
51
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Características básicas de TCP
Envío continuo
ACKs: segmento a segmento, retardados (1
paquete o 500 ms. típ.), duplicados (RX fuera
de 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)
dit
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26
Doctorado
Aplicaciones y Servicios
Avanzados Internet
Curso 08/09
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!
dit
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UPM
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 acción
relacionada con el control de congestion.
Los esquemas propuestos generalmente
tratan de aproximarse a uno de estos dos
ideales.
dit
54
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UPM
27
Doctorado
Aplicaciones y Servicios
Avanzados Internet
Curso 08/09
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
Terminal fijo
Estación base
Terminal móvil
dit
55
© DIT-UPM, 2009
UPM
28
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