Esercizio - Throughput al livello fisico e goodput all'applicazione

Testo. Collegamento punto-punto tra l'host A e l'host B con bitrate fisico $R=100$ Mbps. L'applicazione genera pacchetti a ritmo costante: PDU a livello applicazione di $1200$ B, un pacchetto ogni $10$ ms. I livelli inferiori aggiungono le loro intestazioni, così la PDU a livello fisico è di $1260$ B.

1. Calcolare il throughput a lungo termine a livello fisico e il goodput a livello applicazione.
2. Calcolare l'overhead a livello applicazione del ricevitore.

Teoria usata: Analisi delle prestazioni di reteLe prestazioni di una rete si misurano con tre famiglie di metriche: traffico (bitrate $R_0$ massimo del collegamento, throughput $S\le R_0$ dati consegnati con successo, goodput al livello applicazione), ritardo (end-to-end $d_{tot}=d_{proc}+d_{queue}+d_{trans}+d_{prop}$ con $d_{trans}=L/R$ e $d_{prop}=d/v$; jitter; RTT) e capacità del tubo (BDP $=R\cdot$ ritardo, bit che riempiono il collegamento), più l'affidabilità (PER, PDR, PLR). Il throughput di un percorso è quello del collegamento collo di bottiglia, $\min$ dei bitrate, ricordando che i collegamenti condivisi dividono la capacità.Analisi delle prestazioni di rete →, Modello ISO-OSI e pila TCP-IPUna comunicazione tra due calcolatori è un problema troppo vario (segnali, errori, accesso al mezzo, instradamento, controllo di flusso, rappresentazione dei dati) per un solo protocollo, quindi si divide in strati (layer). Il modello ISO/OSI ha 7 livelli (fisico, collegamento, rete, trasporto, sessione, presentazione, applicazione); la pila TCP/IP riunisce gli ultimi tre in un solo livello applicazione, quindi ne ha 5. Ogni livello offre un servizio a quello sopra e parla solo con il livello pari dell'altro nodo tramite PDU; scendendo si aggiunge un'intestazione (PCI): incapsulamento. Indirizzi: MAC (collegamento, locale), IP (rete, globale).Modello ISO-OSI e pila TCP-IP → (le intestazioni aggiunte a ogni livello), Livello di collegamento e framingIl livello di collegamento (DLL) consegna un frame da un nodo a un nodo adiacente su un collegamento. Servizi: framing, accesso al mezzo (MAC) con indirizzi MAC a 48 bit, controllo di flusso, rilevazione e correzione degli errori. Si divide in DLC (framing, controllo di errore e di flusso) e MAC (accesso al mezzo condiviso). Il framing delimita i frame con un flag: nei protocolli a byte (flag di 8 bit, ESC) si usa il byte stuffing, in quelli a bit (flag 01111110) il bit stuffing, che inserisce uno 0 dopo ogni cinque 1 consecutivi.Livello di collegamento e framing → (frame che incapsula il datagramma).

Idea

Il throughput al livello fisico conta tutti i bit effettivamente trasportati, intestazioni comprese; il goodput conta solo i bit utili, cioè quelli che arrivano all'applicazione (il carico utile). Il bitrate $R=100$ Mbps è solo la capacità massima: qui la sorgente è molto più lenta, quindi il collegamento non è saturo e il throughput è dettato dal ritmo di generazione.

(1) Throughput e goodput

Un pacchetto ogni $T=10$ ms, cioè $100$ pacchetti al secondo.

• Livello fisico: $1260$ B $=1260\cdot8=10\,080$ bit per pacchetto, quindi $$S_{PHY}=\frac{10\,080\ \text{bit}}{10\ \text{ms}}=1\,008\,000\ \text{bit/s}=\mathbf{1{,}008\ Mbps}.$$
• Livello applicazione: $1200$ B $=9600$ bit per pacchetto, $$S_{APP}=\frac{9600\ \text{bit}}{10\ \text{ms}}=960\,000\ \text{bit/s}=\mathbf{960\ kbps}.$$ Il collegamento è usato solo all'$1{,}008\%$ della sua capacità ($1{,}008/100$): il tempo di trasmissione di un pacchetto è $10\,080/10^8=100{,}8$ µs su un ciclo di $10$ ms.

(2) Overhead

L'overhead è il carico aggiunto dalle intestazioni dei livelli inferiori rispetto al dato utile: $1260-1200=60$ B. $$\text{overhead}=\frac{60}{1200}=\mathbf{5\%}$$ (equivalentemente $S_{PHY}/S_{APP}-1=1{,}008/0{,}96-1=0{,}05$).

Il rapporto tra goodput e throughput è l'efficienza di intestazione, $\dfrac{1200}{1260}=0{,}952$. Dipende dalla dimensione del pacchetto: le intestazioni sono fisse ($60$ B) e pesano di più sui pacchetti piccoli.

Confronto con la soluzione ufficiale

Ufficiale: throughput $1{,}008$ Mbps, goodput $960$ kbps, overhead $5\%$. Coincide. L'overhead è riferito al dato utile ($60/1200$); se lo si riferisse al pacchetto fisico ($60/1260$) si avrebbe $4{,}76\%$, ma la soluzione usa la prima definizione.

Errori comuni

• Dire che il throughput è $100$ Mbps: è il bitrate, cioè la capacità massima, non il traffico effettivo.
• Calcolare il goodput con $1260$ B (comprende le intestazioni) o con $R$ al posto del ritmo della sorgente.
• Dimenticare di convertire i byte in bit (fattore $8$).

(Verificato con Python: $S_{PHY}=1\,008\,000$ bit/s; $S_{APP}=960\,000$ bit/s; overhead $=0{,}05$ ($60/1260=0{,}0476$ come alternativa).)