Relazione Anno II - Istituto di Calcolo e Reti ad Alte Rrestazioni

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RELAZIONE ANNUALE CONSUNTIVA
PROGRAMMA DI RICERCA SETTORE:
Strumenti, Ambienti e Applicazioni per la Società dell’Informazione
Progetto SP1: Reti Internet: Efficienza, Integrazione e Sicurezza
U.O. IIT-CNR
Responsabile U.O. Marco Conti
• Linea e Tema di appartenenza
L’UO IIT-CNR ha svolto la sua attività nell’ambito dell’Azione “Simulazione e Ottimizzazione di reti
Internet” partecipando a due work-package: WP 1 “Simulazione di reti Internet” e WP2: “Algoritmi
per la ottimizzazione della QoS in Internet”.
• Costo Totale
I finanziamenti ottenuti e l’autofinanziamento per le attività dell’unità operativa IIT-CNR per il
secondo anno di progetto sono sintetizzati nella Tabella I. Nella tabella sono riportati anche gli
obiettivi dell’attività di ricerca per il secondo anno.
Tabella I
UNITÀ OPERATIVA: Istituto di Informatica e Telematica del CNR (IIT-CNR), Pisa
ATTIVITA’
(Linea e/o Tema di ricerca)
Unità Operative Partecipanti
Finanziamento
(Sede, Responsabile scientifico)
A1-WP 1Simulazione di reti IIT, Pisa, Marco Conti
INTERNET
A1-WP 2: Algoritmi per la
ottimizzazione della QoS in
INTERNET
OBIETTIVI
IIT, Pisa, Marco Conti
II Anno €
Validazione della metodologia e
strumenti per la simulazione di sistemi
Web
Analisi e valutazione dei nuovi protocolli
a livello network, e a livello middleware
definiti nel primo anno di progetto
TOTALE ANNO II
5.165,00
24.789,50
29.954,50
• Titolo della ricerca: Progettazione e simulazione di protocolli Internet
• Obiettivi previsti nel II anno di attività
Nel secondo anno di progetto le attività dell’unità operativa IIT-CNR sono state indirizzate al
raggiungimento dei due obiettivi definiti in Tabella I. Entrambi gli obiettivi sono stati raggiunti come
mostrato dai risultati presentati nella sezione successiva.
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Schema consuntiva U.O.
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•
Risultati ottenuti
1. Validazione del modello di simulazione, sviluppato nel primo anno di progetto, e finalizzato
allo studio delle prestazioni di servizi Web con garanzie sulla Qualità del Servizio (QoS)
realizzati tramite tecniche di replicazione dei servizi su scala geografica. La validazione del
modello simulativo è stata effettuata applicando il modello per studiare e confrontare le
prestazioni di politiche di replicazione client-side su scala geografica.
2. Analisi e valutazione dei nuovi protocolli, dal livello rete fino al livello middleware, per
migliorare la QoS in Internet. In particolare, nel primo anno di progetto erano state analizzate e
progettate politiche e protocolli orientati a risolvere due aspetti fondamentali della QoS: la
responsiveness dei servizi web e il risparmio energetico in Internet in presenza di utenti mobili.
Nel secondo anno di progetto sono state valutate le prestazioni di questi protocolli sia attraverso
strumenti analitici e simulativi, sia effettuando misure su sistemi prototipali sviluppati
nell’ambito del progetto.
Nel seguito, per ciascuna area di ricerca, sono presentate le metodologie seguite ed i risultati raggiunti.
1.
Simulazione di servizi web replicati su scala geografica
Durante il primo anno di progetto è stato progettato e sviluppato un ambiente di simulazione per lo
studio di sistemi replicati su scala geografica. In particolare l’obiettivo dell’ambiente di simulazione
sviluppato è quello di permettere il confronto delle strategie client-side nell’ambito delle contentdelivery network oggetto di studio del WP2.
Nel corso del secondo anno di progetto, come pianificato, abbiamo studiato e validato l’ambiente
sviluppato mostrando la sua flessibilità ed efficacia nello studio delle politiche di replicazione su scala
geografica.
Risultati ottenuti: Il nostro ambiente di simulazione ha permesso di valutare l'effetto di una politica di
replicazione sulle prestazioni globali del sistema quando questa politica è adottata da un numero
significativo di utenti del Internet. Inoltre, il nostro modello di simulazione ha consentito di studiare
gli effetti dei “colli di bottiglia” di Internet sulla QoS. In particolare siamo stati in grado di valutare le
politiche di replicazione selezionate quando: i) un numero costante di client adotta la stessa strategia,
ii) i client effettuano download dal web server di file sia di piccole che di grandi dimensioni iii) i client
sono collegati ad Internet attraverso un collegamento “lento”. Questo studio ha permesso di
evidenziare la flessibilità del nostro ambiente di simulazione rispetto agli studi basati su misure
effettuate su testbed reali. Apparentemente questi ultimi presentano il vantaggio di prendere in
considerazione tutti gli aspetti del problema (la rete reale, comportamento degli utenti reali, descrizione
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esatta dei protocolli del Internet, ecc.). Tuttavia, in un testbed reale ci sono parecchi parametri
importanti che non possono essere controllati (per esempio, il carico sui server e il carico della rete). In
più, è estremamente difficile avere una quantità significativa di client (geograficamente dispersi nel
Internet) che adottino la stessa strategia di replicazione. Infatti, i risultati sperimentali presentati
(finora) nella letteratura sono stati ottenuti con pochi client, in genere 4-5. Di conseguenza, questi studi
non chiariscono l'effetto negativo sulle prestazioni che si possono verificare quando parecchi client
applicano una strategia parallela. Al contrario, usando il nostro modello di simulazione per valutare le
prestazioni del sistema siamo in grado di studiare il sistema in ogni fase del suo ciclo di vita
(progettazione, messa in funzione, tuning e fase di modifica). In più, il nostro ambiente simulativo
permette una rappresentazione dettagliata di tutti i parametri importanti del sistema.
I risultati di questa attività di ricerca sono stati pubblicati nell’ambito di una rivista internazionale di
prestigio nel campo della valutazione delle prestazioni [R2].
2. Progettazione di nuovi protocolli a livello network, e a livello middleware.
Questa attività si è articolata in due principali linee di ricerca: i) studio di politiche per l’accesso a
servizi web replicati, ii) studio di politiche per il risparmio energetico nell’accesso a servizi web in
presenza di utenti mobili. In entrambi i casi, l’obiettivo delle attività svolte nel secondo anno è stato la
valutazione dell’efficacia delle politiche sviluppate nel primo anno di progetto utilizzando sia modelli
analitici/simulativi sia misure su sistemi reali.
2.1 Servizi Web replicati
Durante il primo anno di progetto sono state studiate e confrontate le soluzioni architetturali per la
realizzazione di servizi Web con garanzie sulla QoS ottenute tramite replicazione su scala geografica.
L’analisi delle strategie di tipo client-side ha portato ad individuare le soluzioni più promettenti per
migliorare la QoS percepita dall’utente. L’obiettivo del secondo anno di progetto è stato quello di
analizzare e confrontare le prestazioni di queste politiche al fine di identificare le politiche più efficaci.
Risultati ottenuti: Le soluzioni identificate nel primo anno di progetto sono state analizzate in
dettaglio attraverso studi simulativi utilizzando l’ambiente di simulazione sviluppato nel WP1. In
particolare, lo studio è stato focalizzato a confrontare, qualitativamente e quantitativamente (via
simulazione), le tecniche client-side più promettenti: una strategia parallela ed una strategia a singolo
servente. Lo scopo del nostro studio è stato quello di determinare i punti di forza e le limitazioni dei
due metodi (servente singolo o serventi paralleli) allo scopo di identificare le soluzioni migliori per i
sistemi di content delivery. I risultati della nostra analisi i) hanno evidenziato i problemi derivanti
dall’adozione della strategia parallela in modo diffuso (cioè da un grande numero di utenti) ed ii) hanno
indicato gli scenari in cui una strategia parallela può essere conveniente. Come conseguenza del nostro
studio abbiamo progettato una strategia ibrida che unisce i vantaggi della strategia parallela e di quella
a singolo servente. La strategia ibrida applica la strategia parallela o quella a servente singolo in
funzione degli stati di carico del sistema. Per maggiori dettagli si veda [C1],[R2] e [R3].
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2.2. Politiche per il Risparmio Energetico e la Qualità del servizio in Servizi Internet
Nel primo anno di progetto era stata definita una architettura proxy-based per limitare il consumo
energetico nell’accesso a Internet da computer mobile (notebook, palmare, ecc.). Con riferimento a
tale architettura erano state definite anche due politiche di power management (una applicationdependent e l’altra application-independent) ed erano state svolte delle valutazioni preliminari (di
carattere sperimentale) delle suddette politiche.
Per il secondo anno del progetto si prevedeva di completare la valutazione dell’architettura suddetta e,
in particolare, della politica application-independent, con riferimento ai seguenti indici di prestazione
− Risparmio energetico ottenuto (rispetto al caso senza power management)
−
Degradazione della Qualità del Servizio (rispetto al caso senza power management)
Si prevedeva inoltre di confrontare le prestazioni della soluzione proposta con quelle di altre soluzioni
(esempio il meccanismo di Power Saving Mode previsto dallo standard IEEE 802.11).
Questa attività è stata svolta in cooperazione con l’unità operativa Ingegneria di Pisa, per questo
motivo nel seguito riassumiamo i principali risultati ottenuti, mentre per maggiori dettagli si rimanda
alla relazione dell’UO Ingegneria Pisa.
•
Risultati ottenuti:
Nel corso della seconda parte del progetto è stata completata la valutazione sperimentale
dell’architettura sviluppata durante la prima parte del progetto. In particolare si è fatto riferimento alla
politica di power management application-independent, data la sua maggiore flessibilità rispetto alla
politica application-dependent.
Le prestazioni della politica application-independent sono state valutate sperimentalmente sfruttando il
prototipo realizzato durante la prima parte del progetto [C3]. Le misure sperimentali hanno messo in
evidenza l’efficienza della politica application-independent, in aggiunta alla sua flessibilità.
Contemporaneamente alle misure sperimentali descritte sopra, è stato sviluppato un modello analitico
dell’architettura con politica di power management application-independent [R1]. Tale modello è stato
validato mediante misure sperimentali ottenute con il prototipo usato per le misure sperimentali. La
soluzione del modello analitico ha permesso di valutare la dipendenza delle prestazioni della soluzione
proposta da alcuni parametri chiave, quali il throughput disponibile sulla fissa e il Round Trip Time
(RTT) della connessione TCP fra il server e il cliente mobile.
In aggiunta, è stata svolta un’indagine analitica delle prestazioni del meccanismo di Power Saving
Mode (PSM) previsto dallo standard IEEE 802.11. In particolare, è stato sviluppato un modello
analitico di una connessione TCP fra un server (Web) fisso e un cliente mobile collegato alla
infrastruttura di rete fissa, in modo wireless, attraverso un Access Point WiFi (i dettagli del modello
sono descritti in [C2]). Il modello è stato validato mediante un simulatore sviluppato appositamente. La
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soluzione di tale modello ha permesso di analizzare le prestazioni del meccanismo PSM al variare del
numero di computer mobili serviti dallo stesso Access Point.
Nell’ultima parte di attività le prestazioni dell’architettura proposta sono state confrontate, oltre che
con il meccanismo PSM, anche con altri protocolli di power management proposti in letteratura. Come
risultato di questa attività è stato prodotto un survey che confronta le varie soluzioni proposte in
maniera quantitativa e/o qualitativa mettendone in evidenza pregi e difetti [L1].
In conclusione, tutti gli obiettivi previsti per la seconda parte di attività sono stati pienamente raggiunti.
• Prodotti della ricerca (oggetti, brevetti, prototipi, programmi, ...):
E’ stato completato e validato un ambiente di simulazione per la valutazione delle prestazioni di
politiche di accesso a servizi web replicati su scala geografica.
E’ stato realizzato un prototipo dell’architettura proxy-based, descritta sopra, nella quale sono stati
integrati i vari protocolli di power management che sono state analizzati e che implementano diverse
politiche di limitazione del consumo energetico.
E’ stato realizzato un simulatore che modella una connessione TCP fra un server (Web) fisso e un
cliente mobile collegato alla infrastruttura di rete fissa mediante rete wireless WiFi attraverso un
Access Point. Tale simulatore è stato utilizzato per validare il modello analitico descritto in sviluppato
[C2].
• Pubblicazioni (suddivise in a. inserite su riviste indicizzate; b. riviste non indicizzate, capitoli su
libri,...):
PUBBLICAZIONI SU RIVISTE INDICIZZATE
[R1]
[R2]
[R3]
G. Anastasi, M. Conti, E. Gregori, A. Passarella, “A Performance Study of Power-Saving
Polices for Wi-Fi Hotspots”, Computer Networks, Vol. 45, No. 3, June 2004.
M. Conti, E. Gregori, W. Lapenna, "Client-Side Content Delivery Policies in Replicated
Web Services: Parallel-Access vs Single-Server Approach”, Performance Evaluation
Journal, Vol. 59 (2-3), February 2005, pp. 137-157.
M. Conti, E. Gregori, W. Lapenna, “Content Delivery Policies in Replicated Web Services:
Client-Side vs. Server-side”, Cluster Computing Journal, Vol. 8 pp.47-60, 2005.
PUBBLICAZIONI IN CAPITOLI DI LIBRI
[L1]
G. Anastasi, M. Conti, A. Passarella, “Power Management in Mobile and Pervasive
Computing Systems” in Algorithms for Wireless and Mobile Networks, (A. Boukerche,
Editor), CRC-Hall Publisher, in corso di pubblicazione.
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PUBBLICAZIONI IN ATTI
[C1]
Marco Conti, Enrico Gregori, Willy Lapenna, “Client-side Content Delivery Policies in
Replicated Web Service Parallel Access vs Single Server Approach”, Proc. HET-NETs'03:
the First Int. Conf. Performance Modelling and Evaluation of Heterogeneous Networks,
Ilkley, West Yorkshire, U.K., 21-23 July, 2003.
[C2]
G. Anastasi, M. Conti, E. Gregori, A. Passarella, “Saving Energy in WiFi Hotspots through
802.11 PSM: an Analytical Model”, Proceedings of the Workshop on Modeling and
Optimization in Mobile, Ad Hoc and Wireless Networks (WiOpt 2004), University of
Cambridge (UK), March 24-26, 2004.
[C3]
G. Anastasi, M. Conti, E. Gregori, A. Passarella, “Experimental Analysis of an Applicationindependent Energy Management Scheme for Wi-Fi Hotspots”, Proceedings of the IEEE
Symposium on Computers and Communications (ISCC 2004), Alexandria (Egypt), June 29 –
July 1, 2004. IEEE Computer Society Press.
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DI CONFERENZE INTERNAZIONALI