2 Continuação do Projeto COMATM
2.2 Estudo dos buffers multiclasse
2.3 Estudo de mecanismos de controle de admissão de chamadas
2.4 Avaliação do desempenho global do comutador
3.2 Implantação de Ambiente ATM para Alta Velocidade
4.5 Especificação da aplicação de vídeo sob demanda
4.6 Desenvolvimento de ferramentas de modelagem
4.7 Desenvolvimento de bibliotecas de modelos de algoritmos
4.8 Dimensionamento de comutadores
4.10 Protótipo de vídeo sob demanda
O objetivo deste projeto é o de estudar diversos aspectos das redes de alta velocidade e, em particular de redes ATM, no que diz respeito a aspectos relativos à avaliação de desempenho e dimensionamento das mesmas. Para atingir estes objetivos serão implementados métodos analíticos e efetuados estudos de simulação, além de medições efetuadas em redes experimentais. Serão também implementados protocolos de sinalização e mecanismos de controle de modo a possibilitar a execução de testes e medições.
Durante os próximos dois anos deverão ser concluídas as atividades relacionadas aos projetos COMATM e TRAVEL da Fase II do ProTeM-CC, e dado início às atividades dos projetos ALMADEM e FLASH da Fase III do ProTeM-CC. Como atividade complementar a estes projetos estaremos envolvidos também com projetos piloto de utilização de redes experimentais de alta velocidade.
As redes de telecomunicações sofreram uma grande evolução desde os tempos de Alexander Graham Bell até os nossos dias. Passamos de redes analógicas comutadas manualmente às modernas centrais digitais com transmissão através de cabos de fibra óptica.
Para cada tipo de serviço especializado (telefonia, telex, comunicação de dados, etc.) criaram-se redes dedicadas, onde em geral, apenas os meios de transmissão de longa distância são compartilhados. Deste modo, chegamos a um cenário onde um usuário corporativo necessita contratar diversos serviços a possivelmente fornecedores diferentes para atender às diversas necessidades de comunicação de sua empresa.
É interessante observar que do ponto de vista do usuário esta segregação das diversas redes dedicadas, traz consigo a necessidade de conexões e identificações distintas para cada uma delas. Por outro lado, o(s) fornecedor(es) dos serviços necessita(m) manter redes independentes. Finalmente, do ponto de vista do fabricante de equipamentos, ele necessita desenvolver linhas independentes de equipamentos, muitas vezes com requisitos próprios em cada país, perdendo portanto em termos de economia de escala.
A digitalização da rede telefônica associada ao desejo de sinergia entre as diversas redes, levou ao surgimento das Redes Digitais de Serviços Integrados (RDSI). Inicialmente surgiu a chamada RDSI de faixa estreita (RDSI-FE) e posteriormente, a de faixa larga (RDSI-FL).
A Rede Digital de Serviços Integrados de Faixa Larga (RDSI-FL). É a novíssima geração de rede de comunicações que fornecerá a infra-estrutura de transporte para uma variedade de fontes de tráfego tais como vídeo, voz e dados num ambiente integrado a altas velocidades.
As altas velocidades previstas para a interface com o usuário (inicialmente 150 e 600 Mbps) permitirão a utilização de aplicações tais como teleconferência e visualização remota, por exemplo, de imagens médicas.
A tecnologia ATM, baseada em pacotes de informação de comprimento fixo denominados de células, que transportam qualquer tipo de tráfego e ocupam o canal de comunicação apenas quando necessário associado às altas velocidades e à heterogeneidade de tolerâncias a atraso e perda de informação, trouxe consigo uma série de novos problemas.
Para que estas redes funcionem a contento é necessário que sejam desenvolvidos mecanismos de controle de tráfego para que a qualidade do serviço exigido pelo usuário não seja sacrificada.
O objetivo deste projeto é o de estudar diversos aspectos das redes de alta velocidade e, em particular de redes ATM, no que diz respeito a aspectos relativos à avaliação de desempenho e dimensionamento das mesmas. Para atingir estes objetivos serão implementados métodos analíticos e efetuados estudos de simulação, além de medições efetuadas em redes experimentais. Serão também implementados protocolos de sinalização e mecanismos de controle de modo a possibilitar a execução de testes e medições.
Durante os próximos dois anos deverão ser concluídas as atividades relacionadas aos projetos COMATM e TRAVEL da Fase II do ProTeM-CC, e dado início às atividades dos projetos ALMADEM e FLASH da Fase III do ProTeM-CC. Como atividade complementar a estes projetos estaremos envolvidos também com projetos piloto de utilização de redes experimentais de alta velocidade.
O projeto COMATM (Comutador ATM) da Fase II do ProTeM-CC tem como objetivo a implementação em hardware de um comutador ATM para redes privativas. No período anterior participamos do estudo dos procedimentos necessários ao tratamento das células ATM e o conseqüente detalhamento dos blocos funcionais do comutador. Foi também dado início a uma série de atividades que deverão ser continuadas na fase final do projeto. Dentre estas encontram-se a implementação do plano de controle para o comutador, estudo dos buffers multiclasse, estudo de mecanismos de controle de admissão de chamadas e avaliação do desempenho global do comutador, que serão vistas a seguir.
A principal função do plano de controle numa rede ATM é a de negociar o estabelecimento de conexões para os usuários, uma vez que, para que haja a comunicação de dados numa rede ATM, é necessário que seja estabelecido um canal de comunicação cuja negociação é feita através de um canal dedicado, denominado de canal de sinalização.
O plano de controle é responsável pelo controle da chamada e pelas funções de controle das conexões. Ele cuida de toda sinalização referente ao estabelecimento, supervisão e liberação de chamadas e conexões.
As primeiras versões de comutadores ATM utilizavam conexões virtuais permanentes (PVC - Permanent Virtual Connections) para o estabelecimento de conexões. Uma PVC é uma conexão estabelecida por algum mecanismo externo, tipicamente uma operação de gerenciamento da rede, onde um conjunto de comutadores são programados com os valores apropriados de VPI (Virtual Path Identifier) e VCI (Virtual Channel Identifier). Além disso, PVCs sempre requerem alguma configuração manual para serem estabelecidos, tornando-os algumas vezes complicados para o uso.
Com o passar do tempo, as novas versões de comutadores começaram a utilizar conexões virtuais comutadas (SVC - Switched Virtual Connections). Uma SVC é uma conexão que é estabelecida automaticamente através de um protocolo de sinalização. SVCs não necessitam da interação manual necessária para estabelecer PVCs; tornando-os mais simples e, além disso, as conexões são dinâmicas, o que os tornará largamente utilizados em comutadores ATM. A sinalização é o processo responsável pelo estabelecimento e rompimento de conexões ATM de forma dinâmica.
Para que sejam criadas conexões dinamicamente, é necessário que haja um protocolo de sinalização responsável. O transporte das informações de sinalização é efetuado através de canais virtuais usados exclusivamente para esta finalidade, separados das conexões utilizadas para transporte de informação do usuário, cujo procedimento é comumente denominado sinalização fora da faixa (out of band signaling).
O estabelecimento, verificação e liberação de conexões de canais virtuais de sinalização (SVCCs - Signaling VCCs) são efetuados através de processos de metassinalização. A comunicação durante uma fase de metassinalização utiliza uma conexão especial pré-definida denominada VCC de metassinalização (MVCCs).
Os procedimentos e tarefas de sinalização são todos definidos através de mensagens e elementos de informação que caracterizam uma conexão ATM e garantem a interoperabilidade. É através destas mensagens que serão feitos os pedidos tais como: estabelecimento, status e encerramento de conexão.
Os padrões associados à sinalização estão ainda em desenvolvimento, e o estudo feito, para a posterior implementação, foi baseado na leitura das recomendações de padronização existentes, tanto do ITU-T quanto do Fórum ATM (que tem como finalidade acelerar a implantação de produtos e serviços ATM). O protocolo de sinalização está sendo definido através da recomendação Q.2931, para garantir a compatibilidade entre os equipamentos.
Comutadores ATM públicos e privados podem suportar dois tipos de interfaces: Usuário/Rede (UNI - User-Network Interface) e Rede/Rede (NNI - Network-Network Interface). Interfaces UNI conectam sistemas locais (tais como hosts, roteadores) a comutadores ATM, enquanto as interfaces NNI conectam comutadores ATM entre si. Além disso, dois tipos de interfaces UNI e NNI podem ainda ser definidas: públicas (NNI pública ou UNI pública) ou privadas (UNI privada ou NNI privada). As interfaces públicas são definidas entre sistemas locais ATM e comutadores ATM públicos enquanto as interfaces privadas são definidas entre sistemas locais ATM e comutadores ATM privados.
Dentro do projeto COMATM, será implementada apenas a sinalização relacionada à interface UNI, uma vez que os padrões associados à NNI ainda não estão bem definidos. No entanto, à medida que estes padrões forem especificados, serão também implementados para complementar o processo de sinalização.
Para a implementação do plano de controle, além da implementação do protocolo de sinalização propriamente dito é necessária também a implementação da camada de adaptação de sinalização (SAAL - Signaling ATM Adaptation Layer) que além de fragmentar e remontar as mensagens de sinalização em células e vice-versa, garante o transporte confiável das mesmas através da utilização de mecanismos de recuperação de erros.
A camada SAAL do plano de controle faz uso do serviço provido pelo CPCS (Common Part Convergence Sublayer) e do SAR (Segmentation And Reassembly sublayer), que formam a parte comum de uma AAL. Além da subcamada comum, uma AAL é também composta por uma subcamada de serviço específico (SSCS - Service Specific Convergence Sublayer). Os componentes dessa subcamada dependem do serviço que é requerido pelo plano superior. No caso da SAAL, o SSCS é uma combinação de dois protocolos: o SSCOP (Service Specific Connection Oriented Protocol) e o SSCF (Service Specific Coordination Function).
O SSCOP é um protocolo orientado à conexão com recuperação de erro, que oferece um serviço de transferência de dados confiável para diferentes interfaces AAL definidas pelo SSCF, provendo assim as funções requeridas pela camada SAAL. O SSCOP tem como característica principal a transferência de dados a alta velocidade, e por isso, tem firmado-se como um protocolo de padrão para a camada de adaptação ATM. Suas funções principais são de corrigir erros ou perdas através de transmissão seletiva dos quadros perdidos por um procedimento conhecido como ARQ (automatic repeat request). Em particular, os quadros são numerados seqüencialmente, e o receptor seqüencialmente reconhece o recebimento de quadros através do envio de quadros de reconhecimento ao transmissor.
A função do SSCF é mapear o serviço do SSCOP para as necessidades da camada SAAL, podendo ser usado para implementar a especificação desta; que deve ser independente do serviço de rede utilizado (no caso, a AAL5). Através de protocolos SSCFs específicos é possível mapear serviços específicos do usuário num único protocolo genérico de transporte de dados: o SSCOP.
Estes protocolos serão implementados em C num microcomputador rodando LINUX pois esta será a plataforma hospedeira das placas do comutador ATM, onde serão executados os procedimentos de mais alto nível.
As etapas de implementação, já
em andamento, são as seguintes:
A implementação da SAAL será efetuada em paralelo à implementação dos protocolos de sinalização por dois alunos de iniciação tecnológica. Todos os testes iniciais do protocolo de sinalização assumirão a existência de um meio seguro de comunicação entre o computador do usuário e o comutador (função da SAAL). Posteriormente será feita a integração dos protocolos de sinalização com a SAAL.
Como mencionado anteriormente, inicialmente serão implementados os protocolos apenas da interface UNI. Posteriormente, provavelmente já após o encerramento do projeto COMATM, poderão vir a ser implementados os protocolos da interface NNI que envolvem troca de informações de roteamento entre os comutadores.
Como continuação deste trabalho serão estudadas plataformas abertas de controle de redes ATM do tipo da OPENET[CHK+95].
Para múltiplas classes de QOS o mecanismo de transferência de células necessita ser projetado para fazer uso eficiente da banda-passante enquanto satisfaz os requisitos QOS de todas as classes. Um método eficiente é a alocação de banda-passante para cada classe. Neste esquema as células de classes diferentes são armazenadas em filas separadas e a alocação de banda-passante é controlada por um esquema de escalonamento com definição de prioridades baseado em requisitos QOS de cada classe, tais como: taxa de perda de células e atraso máximo.
De modo a melhor atender a diferentes qualidades de serviço das aplicações, decidiu-se na implementação do comutador ATM por utilizar buffers de saída multiclasse de acordo com a proposta de Chao [Cha91].
Cada conexão necessita de uma certa largura de banda efetiva dos canais pelos quais passa de modo a garantir a qualidade de serviço (QOS) desejada. Esta largura de banda efetiva é função dos parâmetros da conexão, do comprimento do buffer, da largura de banda total do canal e da mistura de tráfegos no mesmo. Por questões de simplicidade assume-se muitas vezes que a largura de banda efetiva independe da mistura de tráfegos.
Os nossos estudos anteriores de alocação de largura de banda e dimensionamento dos buffers mesmo para tráfego heterogêneo assumiram a existência de um único buffer de saída por porta [dCM95, dBSM93, CM92, MGF91].
No momento está sendo implementado o modelo de simulação para o esquema proposto por Chao e que está sendo implementado pela equipe de VLSI do projeto COMATM.
Como estratégia de simulação consideraremos três tipos de tráfego: vídeo, voz e dados. Onde variaremos o tamanho do buffer e a quantidade das fontes de cada tipo de tráfego analisando se o comutador consegue atender os requisitos de qualidade de serviço para cada classe de tráfego. Variaremos também o método de gerenciamento do buffer.
Esperamos com este estudo conseguir definir a melhor estratégia e dimensionamento para o buffer multiclasse. Compararemos também estes resultados de simulação com resultados obtidos através do ferramental de métodos analíticos desenvolvidos anteriormente para avaliarmos a qualidade de algumas aproximações baseadas nestes métodos para buffers uniclasse. Por exemplo, podemos assumir uma certa política de atendimento das filas (que priorize o tráfego mais prioritário sem contudo deixar de atender também os menos prioritários) e que cada buffer tenha sempre algo a ser transmitido. Neste caso, poderíamos considerar cada buffer como independente e dividirmos o canal em vários subcanais com capacidades proporcionais aos tempos dedicados a cada classe de acordo com suas prioridades. Como não são consideradas as situações em que por estar vazio o buffer para uma dada classe a largura de banda do seu subcanal é aproveitada para transmitir células de uma outra classe, esta aproximação deve nos fornecer um limite inferior no número de fontes de tráfego que poderão compartilhar o canal de saída.
Este trabalho está sendo desenvolvido como parte da dissertação de mestrado do aluno Almir Pires Ferreira Neto com dedicação parcial por ser funcionário do NPD/UFPE.
O controle de admissão de chamadas (CAC) é o mecanismo pelo qual os elementos de controle da rede determinam se podem ou não aceitar uma nova conexão com parâmetros especificados. Esta aceitação ou não dependerá da disponibilidade de largura de banda num dos canais de saída que levam ao destino desejado suficiente para acomodar esta nova chamada, mantendo ainda a qualidade desejada para o serviço (QOS) nesta conexão e nas demais já existentes na rede.
Esta tarefa está relacionada com a referente ao estudo dos buffers multiclasse na medida em que boa parte dos mecanismos de controle de admissão de chamadas utilizam-se do conceito de largura de banda efetiva, que pode ser obtida através justamente do estudo da multiplexação máxima que pode ser permitida de modo que a Qualidade do Serviço fornecido aos usuários não seja comprometida. O mecanismo de CAC mais simples assume que a largura de banda efetiva corresponde simplesmente à taxa máxima de transmissão, também conhecida como taxa de pico. No entanto, devido à multiplexação estatística de fontes de tráfego em surtos, a alocação da taxa de pico é usualmente ineficiente. Métodos mais eficientes devem ser buscados.
O estudo destes mecanismos de CAC está inserido dentro de estudos preliminares do trabalho de doutorado de uma aluna do DI-UFPE.
Espera-se que este estudo sirva de subsídio para a implementação do CAC no plano de controle do comutador e eventuais testes de campo. Através de dados obtidos durante os experimentos seria possível avaliar a eficácia das aproximações utilizadas.
Nesta atividade pretende-se avaliar o desempenho global do comutador que está sendo implementado e identificar os seus pontos de estrangulamento.
Um dos estudos necessários é relativo à capacidade de difusão (multicast) do comutador. Este estudo está relacionado também com o do CAC pois o conhecimento da capacidade de difusão será útil para determinar quantas conexões simultâneas de difusão poderão ser aceitas dada uma certa carga já existente de tráfego unicast.
Um outro estudo refere-se justamente à identificação dos pontos de estrangulamento do comutador. Particular atenção será dada à comunicação entre a placa do comutador e o seu hospedeiro onde estarão implementadas as funções de alto nível do plano de gerenciamento e do plano de controle.
Esta tarefa está sendo desenvolvida pelo Prof. Hamilton S. Silva (doutorando no DEE-UFPB) sob minha co-orientação.
No projeto TRAVEL (Tecnologia de Redes de Alta Velocidade) estou envolvido em duas tarefas: "Modelagem e Avaliação de Desempenho", e "Implantação de Ambiente ATM para Alta Velocidade".
Há diversos aspectos seja do projeto COMATM que do projeto ALMADEM que se encaixam no tema acima. Em particular, a implementação de métodos analíticos para o estudo da largura de faixa efetiva, dimensionamento de buffers, modelagem de tráfego e técnicas de simulação para eventos raros.
Esta tarefa até o momento ficou prejudicada pela não disponibilidade dos comutadores. Por outro lado, existe a previsão a curto prazo de outras redes experimentais tais como a dos projetos-piloto do GT de P&D da Internet/BR e o da rede metropolitana experimental de Recife (vide Seção 6).
O projeto ALMADEM (Aplicações e Análise de Algoritmos de Redes Multimídia de Alto Desempenho) foi submetido e aprovado ao ProTeM-CC Fase III. Participarão do projeto ALMADEM seis universidades (UFRJ, PUC-Rio, UFMG, UNICAMP, UFPE e UFG) e o CPqD da Telebrás, sob a coordenação geral do Prof. Edmundo de Souza e Silva da UFRJ. A coordenação local do projeto estará sob minha responsabilidade. O projeto contará também com a participação dos seguintes centros nos EUA: UCLA, ICSI e ISI.
As novas redes multimídia de alto desempenho devem dar suporte a tráfegos que requerem larguras de faixa variando de alguns quilobits por segundo a centenas de megabits por segundo. As novas redes também deverão satisfazer os diferentes requisitos de serviço e desempenho, típicos de tráfego multimídia. Deste modo, o projeto de uma rede multimídia de alto desempenho requer uma cuidadosa avaliação dos novos mecanismos propostos, estudo dos compromissos existentes entre vários algoritmos críticos de controle, assim como um entendimento profundo do comportamento do tráfego submetido pelas diversas aplicações. O estudo e solução de problemas de controle de tráfego em redes ATM, modelagem de tráfego multimídia, alocação de banda, adequação de tráfego, encaminhamento e tolerância a falhas são extremamente importantes para que seja garantida a qualidade de serviço necessária às diversas aplicações. Para fazer frente à complexidade das novas redes, novas técnicas de análise têm sido desenvolvidas.
A proposta de pesquisa do ALMADEM visa agregar pesquisa
básica em redes com o desenvolvimento de ferramentas de
projeto, a elaboração de testes e validação,
e ainda a construção de aplicações.
Isto é, busca atuar uniformemente no ciclo completo de
domínio de uma tecnologia. A proposta é composta
por três atividades correlatas, a saber:
O projeto está dividido em três atividades interrelacionadas, cada uma com várias macro-tarefas.
É na primeira atividade ("Algoritmos e Métodos de Redes Multimídia") onde serão desenvolvidos modelos e métodos para análise de redes multimídia de alto desempenho. Esta atividade está subdividida em cinco macro-tarefas: (a) modelos de algoritmos de controle e dimensionamento de redes, (b) métodos analíticos, (c) modelos de tráfego, (d) métodos de simulação e (e) especificação da aplicação de vídeo sob demanda.
A segunda atividade ("Ferramentas, Validação e Testes"), fortemente acoplada à primeira, irá coordenar o esforço global de utilização de técnicas sofisticadas de análise, e fará com que o conhecimento gerado nesta atividade seja mais rapidamente difundido. Ela está subdividida em quatro macro-tarefas: (a) desenvolvimento de ferramentas de modelagem, (b) desenvolvimento de bibliotecas de modelos de algoritmos usados nas redes de alto desempenho, (c) desenvolvimento de bibliotecas de modelos de tráfego e (d) desenvolvimento de plataformas de teste.
Finalmente, a terceira atividade ("Aplicações") engloba as aplicações e está subdividida em três macro-tarefas: (a) dimensionamento de comutadores, (b) dimensionamento de redes e (c) protótipo de vídeo sob demanda.
A seguir, detalharei cada uma das tarefas em que estou diretamente envolvido. Um mapeamento mais preciso das atividades aos grupos envolvidos será realizado quando da realização do primeiro workshop do projeto.
Nesta macro-tarefa serão desenvolvidos modelos para o estudo de algoritmos e técnicas que visam assegurar o desempenho apropriado de aplicações e da rede de maneira geral, incluindo problemas de controle de tráfego, escalonamento de tráfego, controle de jitter, alocação de recursos da rede, controle de admissão, dimensionamento de comutadores e da rede, encaminhamento e multicasting.
Esta macro-tarefa está diretamente relacionada com as atividades de modelagem do projeto TRAVEL e as atividades de estudo dos buffers multiclasse, controle de admissão de chamadas, estudo dos mecanismos de policiamento e avaliação de desempenho global do comutador do projeto COMATM.
Através da interação com os participantes dos demais grupos assim como a utilização de modelos de tráfego mais precisos será possível estender e melhorar os resultados já obtidos.
Nesta macro-tarefa serão avaliados métodos recentes de solução a serem usados nos modelos de algoritmos. Pretende-se no contexto do projeto avançar o estado da arte nestes métodos de maneira a se obter soluções eficazes para os modelos desenvolvidos. Os métodos empregados serão vários e incluem teoria de filas, teoria de redes de filas e métodos numéricos de solução de sistema.
Esta tarefa está também diretamente relacionada com os objetivos do projeto TRAVEL, e se constitui numa extensão natural de nossas implementações do método UAS [MGF91], MMPP [dBSM93] e SFF [dCM95].
Nesta macro-tarefa serão investigadas três técnicas que têm obtido maior sucesso para modelar tráfego multimídia: técnicas baseadas em cadeias de Markov (tal como o MMPP), técnicas baseadas em modelos de fluxo (tais como o UAS e o SFF) e técnicas baseadas em fractais.
Como mencionamos anteriormente, já estudamos anteriormente os métodos MMPP, UAS e SFF. Além da extensão dos resultados já obtidos estamos atualmente interessados em técnicas baseadas em fractais.
Estudos recentes a partir de medidas de tráfego de alta resolução realizadas em redes Ethernet dos Laboratórios da Bellcore mostraram que o tráfego Ethernet agregado tem natureza self-similar ("fractal") [LTWW94]. Resultados similares foram obtidos para tráfego de vídeo VBR [GW94] e tráfego TCP/IP [PF95] através da análise de medidas de tráfego. Self-similarity é a propriedade que se associa aos fractais: o objeto parece o mesmo independentemente da escala em que é visto [Man82]. O tráfego self-similar parece o mesmo quando medido em diferentes escalas de tempo, variando de milisegundos a minutos e horas. O comportamento desse tipo de tráfego é bem diferente do tráfego telefônico convencional e também dos modelos para tráfego de dados considerados atualmente (e.g., Poisson, Batch-Poisson, processo de Poisson modulado por Markov, modelos de escoamento de fluido, etc. [FM94, Onv94]).
Já estão em andamento estudos de avaliação de desempenho de mecanismos de controle de tráfego ATM com tráfego self-similar. Tsybakov et al. obtêm analiticamente a probabilidade de perda de células num buffer ATM submetido a uma fonte self-similar. Garrett e Willinger fazem estudos de alocação de capacidades com o buffer sendo alimentado por diversas fontes de vídeo VBR self-similar. Esses estudos são simulações feitas usando amostras de medidas de tráfego de vídeo (trace-driven simulation). Do ponto de vista da avaliação de desempenho é importante que se tenham métodos de geração de seqüência de dados sintéticos que exibam características similares às do tráfego medido. Para isso podem ser usados modelos self-similar exatos como o ruído Gaussiano fracional e os processos ARIMA (fractional autoregressive integrated moving-average). Todavia, tais modelos consomem tempos de CPU enorme na geração dessas seqüências sintéticas. Assim, têm sido desenvolvidas diversas propostas para a geração eficiente de tráfego self-similar [LEWW95, RB95a, Pax95, RL96, RB95b]. Entre essas propostas é interessante citar aqui a de Robert e Le Boudec. Eles investigam a possibilidade de se gerar tráfego self-similar através de modelos markovianos [RB95a, RB95b]. O argumento usado é de que o tráfego só apresenta "self-similarity" em algumas escalas de tempo e assim não é self-similar segundo a definição. Daí ele tenta explorar modelos markovianos - que são mais simples - e verificar se eles modelam eficientemente esse tipo de tráfego.
O nosso interesse no tráfego self-similar e pseudo-self-similar provém do interesse de utilizar um modelo mais próximo do tráfego real. Serão feitos estudos para determinar o método de geração de tráfego self-similar sintético mais adequado para uso em simulações importance sampling (vide subseção seguinte).
Nesta macro-tarefa serão investigadas técnicas recentes de simulação de redes. Uma característica importante que os simuladores de redes ATM devem ter é a possibilidade de lidar eficientemente com eventos raros.
Na avaliação de desempenho de sistemas podem ser utilizados métodos analíticos ou simulação. Para sistemas complexos os métodos analíticos geralmente fazem uso de hipóteses simplificadoras (aproximações) que tornem o sistema matematicamente tratável. Dependendo de como sejam feitas essas aproximações, isso pode fazer com que os resultados obtidos fiquem muito longe da realidade. Além disso, muitos métodos analíticos limitam os parâmetros do sistema que eles são capazes de tratar (por exemplo, no problema de alocação de largura de banda: limitar o modelo das fontes). Por outro lado, nos modelos de simulação geralmente não se fazem aproximações, ou seja, esses modelos retratam o sistema de maneira mais fiel. No entanto, a simulação de sistemas complexos pode necessitar de tempos de CPU bastante grandes e até proibitivos.
No caso do problema de alocação de largura de banda, a simulação torna-se impraticável, devido às baixas taxas de perda de células consideradas (da ordem de 10-9). O tempo de simulação aumenta com a diminuição da probabilidade de perda, enquanto que o tempo de execução dos métodos analíticos independe da mesma.
Vários métodos têm sido propostos para a diminuição do tempo de CPU requerido em simulações. Essas são as chamadas técnicas de redução de variância [Rub81]. Dentre essas técnicas, importance sampling tem se mostrado muito atrativa para a simulação rápida de vários sistemas, incluindo canais de comunicação, sistemas de fila e sistemas de confiabilidade [Hei95, GSH+92]. Dependendo do sistema, obtém-se uma redução de várias ordens no número de amostras necessárias por simulação para se obter uma estimativa confiável. Heidelberger [Hei95, CHS95] mostra como estimar a probabilidade de perda de células num buffer ATM submetido a N fontes markovianas heterogêneas usando importance sampling.
A simulação importance sampling aparece como um método alternativo para a avaliação de desempenho de multiplexadores estatísticos ATM, procurando contornar os problemas apresentados pela simulação convencional e pelos métodos analíticos.
O objetivo principal do trabalho de mestrado do aluno Adriano Lorena é o de estudar a aplicação do método de simulação importance sampling ao problema de alocação de largura de banda com fontes de tráfego heterogêneas de tipos diversos (ON-OFF, MMPP, self-similar). Precisamos determinar se o método importance sampling é capaz de lidar com esse tipo de problema (com tráfego self-similar).
Uma das aplicações mais importantes das novas redes multimídia é a de vídeo sob demanda (VOD - Video On Demand) [SL92, RVR92], e são muitos os desafios de projetos neste campo. Para se ter uma idéia da dimensão do problema, calcula-se que nos EUA, no horário nobre, há uma demanda por banda acima de terabits por segundo, muito além do que se pode prover atualmente. Uma solução para este problema é a replicação de servidores e o uso de caches na rede de distribuição. Em outras palavras, a aplicação de vídeo sob demanda requer um estudo dos compromissos entre largura de banda e armazenamento. O problema de distribuição de repositórios de vídeo requer soluções que levem em conta o custo de armazenamento, a distribuição das informações nos discos do servidor e o custo da banda passante [SN95]. O grau de interação permitido ao usuário também é um fator importante para o projeto e as soluções devem levar em conta a flexibilidade permitida ao usuário (e.g., apenas solicitação do programa ou controle completo de VCR).
A aplicação de vídeo sob demanda é recente e ainda não há implementações comerciais definitivas no mercado. Muito tem sido discutido sobre a alocação de largura de faixa dedicada para garantir a qualidade da imagem em exibição, mas o serviço de vídeo sob demanda é mais abrangente. De pouco adianta ter largura de faixa dedicada se o servidor de vídeo não conseguir alimentar o canal de comunicação com a seqüência de imagens requisitada. Diversas técnicas de distribuição da programação em vários discos e utilização de técnicas de caching dos programas mais populares [KTR94, LAC+95] e de escalonamento de transmissão foram propostas [SN95, GLM, YWS95, NS95].
Diferentes mecanismos de armazenamento, acesso e recuperação de informação serão avaliados no decorrer do projeto. Por exemplo, serão investigados problemas que incluem a distribuição dos segmentos de imagem entre os discos para acesso concorrente da informação. A estruturação do sistema de E/S do servidor está também ligada à distribuição da imagem, assim como o estudo de políticas de acesso a disco e controle de admissão.
Um estudo comparativo entre arquiteturas para sistemas VOD está sendo executado como trabalho de mestrado da aluna Edilayne Meneses da Silva.
Esta macro-tarefa será realizada sobre uma base de ferramentas em desenvolvimento. Os métodos implementados serão escolhidos dentre os mais úteis para as atividades fim de projeto de redes de alto desempenho. Parte das ferramentas se utilizará de uma interface gráfica disponível em domínio público denominado TGIF (Tangram Graphics InterFace).
As ferramentas desenvolvidas previamente assim como as que serão desenvolvidas ao longo deste projeto serão incluídas na biblioteca de modelos de algoritmos de modo a facilitar a tarefa de especificação do usuário que deverá apenas entrar com os parâmetros adequados.
Dentre os métodos de solução implementados anteriormente a serem incorporados à biblioteca encontram-se o UAS, o MMPP e o SFF.
Esta macro-tarefa, sob responsabilidade principal do CPqD/Telebrás, consiste no dimensionamento de matrizes de comutação ATM a serem prototipados como evolução da central TRÓPICO.
Esperamos utilizar a nossa experiência com o dimensionamento do comutador no projeto COMATM para auxiliar a equipe do CPqD nesta tarefa.
Nesta macro-tarefa pretendemos contribuir dando continuidade ao trabalho de dimensionamento de redes realizado anteriormente [FGM94, MG94, PMG94, PM93] estendendo-o para o dimensionamento de redes virtuais para o suporte da aplicação de VOD.
Apesar de não pretendermos nos envolver diretamente na construção do protótipo do servidor de VOD, pretendemos participar dos testes mesmo nas suas diversas fases e nos mecanismos de distribuição, validando assim os resultados obtidos analiticamente e/ou através de simulação.
O projeto FLASH (Formalizações da Administração de Sistemas Heterogêneos: Modelos, Técnicas e Ferramentas) foi submetido e aprovado ao ProTeM-CC Fase III. Participarão do projeto FLASH cinco instituições de ensino (UFPE, UFC, UECE, ETFCE e UNB) e três parceiros industriais (IBM, Digital e HP), além de um parceiro internacional, o LFCS (Laboratory for Foundations of Computer Science) da Universidade de Edinburgh, sob a coordenação geral do Prof. Fabio Queda Bueno Silva da UFPE.
FLASH é um projeto cooperativo e multidisciplinar, integrando esforços de grupos de pesquisa acadêmicos e industriais das áreas de administração de sistemas, gerência de redes e integração de sistemas de gerenciamento de banco de dados (SGBDs), visando contribuir para a criação de um estoque social de recursos humanos e gerar teorias, modelos, técnicas e ferramentas que sejam competitivos internacionalmente e ao mesmo tempo aplicáveis a problemas nacionais em administração de grandes sistemas de computação com plataformas heterogêneas de hardware, software básico e SGBDs distribuídos. A ênfase do projeto reside em buscar soluções que possam ser aplicadas diretamente à Internet brasileira.
Dentre os objetivos específicos do projeto na área de Análise de Desempenho (que nos interessa diretamente) e Gerência de Redes encontram-se a interconexão de subredes locais dos laboratórios heterogêneos e a análise da eficiência e desempenho das várias alternativas de interconexão.
Para atingir este objetivo serão utilizados pacote de simulação e medições coletadas através dos pacotes de gerenciamento. Apesar de simples esta atividade deverá ser desempenhada continuamente para diversas situações de tráfego e configurações de rede, e seus resultados devem ser analisados adequadamente.
Pretende-se dar início a esta atividade através de exercícios no curso de Avaliação de Desempenho de Sistemas a ser ministrado no 2o semestre de 1996 na pós-graduação, buscando-se assim encontrar alunos interessados em realizar este trabalho como dissertação de mestrado.
Há em planejamento diversas redes experimentais de alta velocidade, que deveremos utilizar no futuro, seja como efeito demonstração da tecnologia que para plataforma de testes para a experimentação com aplicações que requeiram alta velocidade, controle de tráfego, políticas de alocação de recursos, etc.
Dentre as redes experimentais em planejamento citamos:
Localmente, a equipe será formada pelo coordenador do projeto, 2 alunos de doutorado, pelo menos 5 alunos de mestrado e 3 alunos de iniciação científica, além da colaboração com os demais professores membros do REDIS (Grupo de Redes e Sistemas Distribuídos da UFPE).
Dos 3 alunos de iniciação científica, dois estarão engajados no esforço de implementação dos protocolos do plano de controle (continuação do projeto COMATM) e um estará engajado nos estudos de desempenho das alternativas de interconexão do projeto FLASH.
Por outro lado, dado que a maioria dos projetos estão inseridos em projetos cooperativos multiinstitucionais (ProTeM-CC), há uma estreita colaboração com os respectivos parceiros.
Deve ser mencionada também a cooperação com o Computer Science Department da UCLA com o qual temos um projeto de cooperação internacional ainda em vigor.
Além de recursos para a aquisição de material de consumo e material bibliográfico, estamos solicitando recursos para a renovação da licença de pacote de simulação e a aquisição de uma estação de trabalho com recursos multimídia e placa de acesso à rede ATM.
Além dos recursos previstos neste projeto, há recursos alocados para a UFPE nos projetos ProTeM-CC correspondentes, enquanto que a UFPE entra também com alguns recursos computacionais, espaço físico e infra-estrutura básica.
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