Generierung und Simulation von großen Inter-Domain Topologien Thomas Schwabe TU München, Lehrstuhl für Kommunikationsnetze thomas.schwabe@tum.de
Agenda Motivation Inter-Domain Routing Eigenschaften der Internet Topologie Algorithmen zur Generierung von Internet-ähnlichen Topologien Topologie Generator - BRITE Protokollsimulator - SSFNet Zusammenfassung ITG FG 5.2.1, Mittweida, 3.11.2005 2
Inter-Domain Routing Inter-Domain Routing ist abhängig von der Konkurrenzsituation der einzelnen Netzbetreiber Beschreibung des Verhaltens eines Netzbetreibers durch Policies (Regelwerk) Ziel: Bester Pfad Suche abhängig von Policies Routing Protokoll Border Gateway Protocol (BGP) Bietet: Filtern von Routinginformationen Verändern von Pfadattributen Beeinflussung der Besten Pfad Suche ITG FG 5.2.1, Mittweida, 3.11.2005 3
Auswirkungen Policies - nicht öffentlich verfügbar BGP Routing anderer ASe nicht vorhersagbar Filtern Zurückhalten von Informationen Keine globale Sicht des Routings auf die Internet Topologie Für Analyse von großen Netzen erforderlich: Generierung von Internet-ähnlichen Topologien Skalierbare und effiziente Simulationsverfahren ITG FG 5.2.1, Mittweida, 3.11.2005 4
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Analyse des heutigen Internet Internet Vielzahl von Netzen (AS) Telstra: 20.645 ASe bzw. 225.787 Prefixe (25.10.05) 250.000 Aktive Einträge in BGP FIB 200.000 150.000 100.000 50.000 0 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 * http://bgp.potaroo.net/as1221/bgp-active.html ITG FG 5.2.1, Mittweida, 3.11.2005 6
Eigenschaften der Internet Topologie 1 # der erreichbaren ASe 10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 AS Hops Mittlere Anzahl der AS Hops 3 bis 4 Small-World-Graph-Theorie [1] anwendbar * http://bgp.potaroo.net/as1221/bgp-active.html ITG FG 5.2.1, Mittweida, 3.11.2005 7
Eigenschaften der Internet Topologie 2 Power-Law-Verteilung (Potenz-Gesetz) der Anzahl Nachbarn eines ASs [2] Große Anzahl von ASen mit wenigen Nachbarn Wenige ASe mit sehr vielen benachbarten ASen größere Wahrscheinlichkeit, daß neues AS sich mit großem AS verbindet [3] Monat Anzahl ASe Mittl. AS Hoplänge Cluster Koeff. Sept. 99 5764 3,71 0,3886 März 00 7012 3,6367 0,4417 Sept. 00 8613 3,6168 0,4531 März 01 10424 3,6193 0,4621 Sep. 01 11867 3,6205 0,4673 Jan. 02 12709 3,6179 0,4597 ITG FG 5.2.1, Mittweida, 3.11.2005 8
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Algorithmen zur Topologiegenerierung Power Law Random Graph (PLRG) Zufallsgraph mit Kurvenanpassung Generator nach Barabasi (BA) Zufällige Hinzunahme eines neuen Knotens oder einer neuen Verbindung Generator nach Albert und Barabasi (AB) Erweiterung des BA Generators Zusätzlich Umlegen von Verbindungen Internet Topology Generator (Inet) Kombination aus PLRG und BA Quelle: T. Bu and D. Towsley, On Distinguishing between Internet Power Law Topology Generators, IEEE INFOCOMM 2002 ITG FG 5.2.1, Mittweida, 3.11.2005 10
Weiterer Algorithmus Generalized Linear Preference (GLP) Erweiterung des BA Generators Weglassen des Umlegens einer Verbindung Berücksichtigen, daß Verbindung eines neuen AS mit einem AS mit vielen Nachbarn wahrscheinlicher Exponent des Potenz Gesetzes -1,0-1,2-1,4-1,6-1,8-2,0 Internet PLRG BA AB Inet GLP Topologie Generator Topologie Generator ITG FG 5.2.1, Mittweida, 3.11.2005 11
Vergleich der Algorithmen 5,0 4,8 0,50 0,45 Internet Internet Charakteristische Pfad Länge 4,6 4,4 4,2 4,0 3,8 3,6 3,4 Internet Internet Cluster Koeffizient 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 3,2 0,05 3,0 PLRG BA AB Inet GLP Topologie Generator Topology Generator 0,00 PLRG BA AB Inet GLP Topologie Generator Topologie Generator Topologie mittels GLP insgesamt größte Ähnlichkeit mit Internet Quelle: T. Bu and D. Towsley, On Distinguishing between Internet Power Law Topology Generators, IEEE INFOCOMM 2002 ITG FG 5.2.1, Mittweida, 3.11.2005 12
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Topologie Generator - BRITE Boston University Representative Internet Topology Generator Unterstützt neben BA, AB auch GLP Algorithmus Möglichkeit, verschiedene interne Topologien zu erstellen Export in unterschiedliche Formate ITG FG 5.2.1, Mittweida, 3.11.2005 14
Beispieltopologie mit 50 ASen ITG FG 5.2.1, Mittweida, 3.11.2005 15
Verteilung der Anzahl der Nachbarn (500ASen) 300 275 250 Anzahl ASe 225 50 25 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Anzahl der benachbarten ASe ITG FG 5.2.1, Mittweida, 3.11.2005 16
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Gründe für Simulationen Untersuchungen von Web Anwendungen (Peer-to- Peer) Zeitverhalten und Performance des Inter-Domain Routings Einschränkung - Keynote MASCOTS 2005 [6]: Simulation des gesamten Internets auf Paketebene unmöglich Auch auf Protokollebene - Gesamtgröße des Internets schwer simulierbar Simulationen mit kleineren Internet-ähnlichen Topologien Einschränkungen beachten ITG FG 5.2.1, Mittweida, 3.11.2005 18
Protokollsimulatoren C-BGP Skalierbar Untersuchung der komplette Internet Topologie Bildet nur die Beste Pfad Entscheidung von BGP nach BGP++ Erweiterung für den NS2 Frühes Entwicklungsstadium Kein internes Routing J-Sim Portierung der BGP Implementierung von SSFnet SSFnet ITG FG 5.2.1, Mittweida, 3.11.2005 19
Protokollsimulator SSFnet Diskreter Event Simulator Basiert auf dem Scalable Simulation Framework (SSF) Validierte BGPv4 Implementierung [5] Leistungsmerkmale E-BGP und I-BGP, OSPFv2 Policies Minimum Route Advertisement Interval Route Flap Damping Route Reflection In Java geschrieben und erweiterbar ITG FG 5.2.1, Mittweida, 3.11.2005 20
SSFnet Vor- und Nachteile Exakte Modellierung des BGP Protokolls nach RFC1771 Ermöglicht Untersuchungen Zum Zeitverhalten von BGP Der Einflüsse der BGP Parameter Zum Testen von Protokollerweiterungen Nur begrenzte Anzahl an ASen simulierbar 32 Bit Hardware Obergrenze 2 GB Speicher pro Prozeß AS ohne interne Topologie, max. 800 ASe simulierbar Mit anderer Hardware mehr möglich, aber Obergrenze durch Java (Limit einige Tausend ASe) ITG FG 5.2.1, Mittweida, 3.11.2005 21
Beispielsimulation BGP Konvergenzzeit Konvergenzzeit von BGP bei Ausfall eines Prefixes Parameter Verschiedene Minimum Route Advertisement Intervals Unterschiedliche Topologien 7000 6500 1500 20 ASe 50 ASe 100 ASe 200 ASe t down in s 1000 500 0 0 5 10 15 20 25 30 MRAI in s ITG FG 5.2.1, Mittweida, 3.11.2005 22
Zusammenfassung Aufgrund der Größe des Internets und der Unkenntnis der globalen Topologie: Generierung von Internetähnlichen Topologien notwendig Am besten geeignet: BRITE Generator und Nutzung des GLP Algorithmus SSFnet ausgereifter Protokollsimulator für das Inter- Domain Routing Volle Größe des Internets simulierbar Mit starken Einschränkungen auf Protokollebene Unmöglich auf Paketebene ITG FG 5.2.1, Mittweida, 3.11.2005 23
Literatur [1] D.J. Watts and S.H. Strogatz, Collective dynamics of 'smallworld' networks, Nature Vol. 393, p. 440-442, 1998 [2] M. Faloutsos, P. Faloutsos and C. Faloutsos, On Power-Law Relationships of the Internet Topology, ACM SIGMETRICS 1999 [3] R. Albert and A. Barabasi, Topology of Evolving Network: Local Events and Universality, Physical Review Letters, 85:5234-5237, 2000 [4] T. Bu and D. Towsley, On Distinguishing between Internet Power Law Topology Generators, IEEE INFOCOMM 2002 [5] B.J. Premorre, An Analysis of Convergence Properties of the Border Gateway Protocol using Discrete Event Simulation, PhD thesis, Dartmouth College Hanover, New Hampshire 2003 [6] Mostafa H. Ammar, Why We Still Don t Know How To Simulate Networks, Keynote speech MASCOTS 2005 ITG FG 5.2.1, Mittweida, 3.11.2005 24