Ancho de Banda y P2P: Análisis del tráfico de red
Revelador artÃculo, realizado por Telefónica I+D, que nos muestra las conclusiones a las que están llegando las operadoras para el futuro de las conexiones de Banda Ancha, algunas de las cuales ya las están aplicando algunos operadores.
Introducción
De acuerdo con los datos publicados recientemente por operadores, fabricantes de equipos e instituciones de investigación, el tráfico P2P supone un porcentaje cada vez mayor del tráfico total en las redes de datos. A causa de la creciente proporción de este tipo de tráfico, cobra un notable interés analizar el impacto del ancho de banda disponible en la red de acceso sobre el comportamiento y evolución del tráfico de aplicaciones P2P.
En este sentido, en Telefónica se ha realizado un estudio de la evolución del tráfico P2P para medir el impacto que puede tener la duplicación de la velocidad de las lÃneas ADSL en el tráfico global de la red, cuyas conclusiones más importantes se exponen a continuación.
¿Qué son las aplicaciones P2P?
Se entiende por aplicaciones P2P ( peer-to-peer o entre iguales) aquellas que intercambian o hacen uso compartido de recursos (capacidad de computación, capacidad de almacenamiento, archivos, etc.) distribuidos en máquinas con acceso a Internet. A pesar de la gran variedad de aplicaciones, el concepto de P2P ha quedado ligado popularmente a las aplicaciones de intercambio de ficheros. Existen en la actualidad multitud de aplicaciones P2P de intercambio de ficheros con distintas arquitecturas de funcionamiento (centralizada, distribuida o hÃbrida). Sin embargo, con independencia del tipo de arquitectura de la aplicación, la caracterÃstica principal del P2P es la ruptura con el paradigma tradicional de Internet, en el sentido de que ya no hay equipos cliente y equipos servidor, sino que todos los usuarios son a la vez clientes y servidores.
Estos programas realizan sus operaciones a nivel de aplicación y no a nivel de red, de manera que crean un entramado de relaciones superpuestas a la red IP, que es lo que conforma lo que se denomina red entre iguales o red P2P. En las redes P2P los archivos residen en los extremos de la red (en los clientes, a los que ahora se denomina peers, por su doble condición de clientes y servidores), y sólo en algunas arquitecturas se utilizan "servidores", que actúan como meros Ãndices de los archivos, y cuyo rol es facilitar que los clientes puedan encontrarse entre sÃ, y no almacenar los archivos, como sucederÃa en una arquitectura cliente-servidor convencional.
Dado el esquema de comunicaciones de las aplicaciones P2P, el tráfico que inducen se caracteriza por su simetrÃa en entornos cerrados de usuarios, puesto que todo el tráfico que reciba un usuario (peer) determinado habrá sido inyectado por otros usuarios del grupo. Esta simetrÃa supone que, a largo plazo, el tráfico que el usuario inyecta en la red, es similar al tráfico que el usuario recibe de la misma.
Por otra parte, dada la asimetrÃa caracterÃstica de las lÃneas ADSL, se puede establecer que el cuello de botella para las aplicaciones P2P reside en la velocidad de subida de las lÃneas ADSL, y no en la velocidad de bajada. Esto se confirma por medidas en las que se observa que el tráfico medio por usuario crece levemente al duplicar el ancho de banda de bajada sin aumentar el de subida (septiembre-noviembre de 2004). Sin embargo, las duplicaciones de la velocidad de subida de las lÃneas ADSL pueden suponer un incremento del tráfico P2P, en tanto que es este enlace, y no el de bajada, el que está actuando como cuello de botella en la actualidad.
Impacto del nuevo aumento del ancho de banda del ADSL
Con el objeto de analizar el crecimiento del tráfico P2P frente a la próxima duplicación, se ha estudiado mediante simulación el comportamiento de un grupo de usuarios y el tráfico inducido por ellos para dos modalidades de ADSL: 512/128 kbps frente a 1024/300 kbps.
El simulador modela las caracterÃsticas más relevantes de las aplicaciones P2P, asà como un patrón de los usuarios similar al observado en medidas reales.
El patrón de consumo de archivos por parte de un usuario asume que, a largo plazo, éste no puede acumular indefinidamente archivos sin consumir (en último término, debe 'consumirlos' y borrarlos -o sólo borrarlos- para tener suficiente espacio en disco para nuevas peticiones) y que no solicitará un nuevo archivo hasta que no haya consumido (borrado) otro anterior. Como, evidentemente, un archivo no puede consumirse hasta que no se ha descargado completamente, el intervalo entre dos peticiones consecutivas de archivos depende del tiempo de descarga (dependiente, a su vez, de las condiciones de la red). De este modo, si un usuario necesita menos tiempo para descargar un archivo, las peticiones de archivos se harán más frecuentes y, como consecuencia, aumentará el tráfico ofrecido.
En cuanto al comportamiento de la aplicación, la caracterÃstica más relevante es que los archivos se 'dividen' en trozos pequeños, de manera que no es necesario que un usuario haya descargado completamente un archivo para que pueda compartir algunos de sus trozos. Esta es una caracterÃstica común a todas las aplicaciones de compartición de información median te técnicas P2P.
La siguiente figura muestra el tráfico observado en la red simulada para un escenario con 1000 usuarios (peers), 120 archivos diferentes y para los tres esquemas de velocidades de lÃneas ADSL.
Como se esperaba, el ancho de banda de bajada no es el factor más relevante, ya que apenas afecta al volumen de tráfico intercambiado. Es al aumentar el ancho de banda de subida cuando el volumen de tráfico global aumenta de forma proporcional.
Para comprender mejor este comportamiento, se analizan los tiempos medios de descarga en uno y otro caso de simulación y se obtienen los siguientes resultados:
Como puede apreciarse, el tiempo medio de descarga solamente se reduce de forma significativa cuando aumenta el ancho de banda de subida. Como el tiempo medio entre peticiones de archivos está estrechamente relacionado con el tiempo medio de descarga (tal y como se expuso anteriormente), éste también se reducirá, de manera que el tráfico ofrecido a la red por cada usuario aumenta (como recibe antes el contenido, antes puede consumirlo y antes puede pedir el siguiente). De esta forma, se justifica que, sin haber variado ni el patrón de comportamiento ni el número de usuarios, haya aumentado de forma proporcional el tráfico intercambiado (por ejemplo, doblando el ancho de banda de subida, aproximadamente se duplicarÃa el tráfico).El impacto de la duplicación sobre los tiempos de descarga es todavÃa más significativo, ya que se reducen de forma más que proporcional al aumento de ancho de banda (por ejemplo, doblando el ancho de banda de subida, el tiempo de descarga se reducirÃa a bastante menos de la mitad). La explicación a esta aparente paradoja la proporciona un fenómeno bien conocido de la teorÃa de colas que se reproduce también en las redes P2P. Al tiempo necesario para que se complete una descarga contribuyen dos componentes: el tiempo que se consume esperando a que algún otro usuario autorice la transferencia de un trozo del fichero (tiempo de espera en cola), y el tiempo durante el cual se transfiere efectivamente ese contenido (tiempo de servicio). La primera de ellas, que es generalmente la que contribuye en mayor medida al tiempo total, presenta una dependencia no lineal respecto a la carga, es decir, disminuye rápidamente cuanto mayor es el ancho de banda disponible. De esta forma, el resultado de un aumento de capacidad no sólo supone una reducción proporcional del tiempo de servicio, sino que también implica una drástica reducción del tiempo de espera en cola.
Cabe esperar que esta nueva situación, donde mejoran significativamente las prestaciones percibidas por el usuario (se reducen de forma apreciable los tiempos de descarga), afecte también al comportamiento de los usuarios, pudiendo suponer un reclamo para usuarios que hasta el momento no hubieran participado en este tipo de redes de una forma tan activa. De esta forma, al aumento del tráfico ofrecido directamente asociado al nuevo ancho de banda, habrÃa que añadir el efecto nada despreciable de la incorporación de nuevos usuarios P2P. Este efecto, aunque puede ser potencialmente importante, no se ha podido cuantificar por ser un fenómeno novedoso relacionado con las preferencias subjetivas de los usuarios.
Conclusiones
Los resultados obtenidos revelan que, a raÃz de la duplicación del ancho de banda de subida de los usuarios residenciales, se producirá un aumento muy importante del tráfico P2P en el núcleo de la red. Los efectos de dicha duplicación, desde el punto de vista del tráfico, deberÃan ser mucho más importantes de los que se detectaron en la anterior duplicación de velocidad, donde sólo aumentó el ancho de banda en sentido descendente. Este hecho permite destacar algunas consecuencias para la futura evolución de los servicios de banda ancha.
En primer lugar, se demuestra que en la cadena de valor de la provisión de servicios de banda ancha, el ancho de banda en el acceso puede no ser el factor más importante a tener en cuenta. En el contexto de las redes de nueva generación, en las que existe un alto grado de control de las aplicaciones y los servicios por parte de los usuarios finales, cambios aparentemente simples en la configuración de la red pueden tener un impacto muy importante en el tráfico y en sus costes asociados.
En segundo lugar, es importante reconocer el gran impacto que las aplicaciones de transmisión masiva de información pueden tener sobre el resto de servicios con los que comparten de la red. No todo el tráfico tiene el mismo valor para los usuarios, por lo que es probable que en el futuro se deban instrumentar mecanismos de gestión diferenciada del tráfico, a nivel de aplicación o a nivel de red.
Finalmente, los resultados ponen de manifiesto la creciente dificultad para que las actuales estructuras tarifarias lleguen a reflejar los aumentos de costes que llevan aparejados determinados cambios en la red, en un contexto como el actual, donde los comportamientos de los servicios y aplicaciones pueden reaccionar de una forma sumamente compleja.
Autores : José EnrÃquez Gabeiras, Francisco Javier Ramón Salguero, Gerardo GarcÃa de Blas.Telefónica I+D
De acuerdo con los datos publicados recientemente por operadores, fabricantes de equipos e instituciones de investigación, el tráfico P2P supone un porcentaje cada vez mayor del tráfico total en las redes de datos. A causa de la creciente proporción de este tipo de tráfico, cobra un notable interés analizar el impacto del ancho de banda disponible en la red de acceso sobre el comportamiento y evolución del tráfico de aplicaciones P2P.
En este sentido, en Telefónica se ha realizado un estudio de la evolución del tráfico P2P para medir el impacto que puede tener la duplicación de la velocidad de las lÃneas ADSL en el tráfico global de la red, cuyas conclusiones más importantes se exponen a continuación.
¿Qué son las aplicaciones P2P?
Se entiende por aplicaciones P2P ( peer-to-peer o entre iguales) aquellas que intercambian o hacen uso compartido de recursos (capacidad de computación, capacidad de almacenamiento, archivos, etc.) distribuidos en máquinas con acceso a Internet. A pesar de la gran variedad de aplicaciones, el concepto de P2P ha quedado ligado popularmente a las aplicaciones de intercambio de ficheros. Existen en la actualidad multitud de aplicaciones P2P de intercambio de ficheros con distintas arquitecturas de funcionamiento (centralizada, distribuida o hÃbrida). Sin embargo, con independencia del tipo de arquitectura de la aplicación, la caracterÃstica principal del P2P es la ruptura con el paradigma tradicional de Internet, en el sentido de que ya no hay equipos cliente y equipos servidor, sino que todos los usuarios son a la vez clientes y servidores.
Estos programas realizan sus operaciones a nivel de aplicación y no a nivel de red, de manera que crean un entramado de relaciones superpuestas a la red IP, que es lo que conforma lo que se denomina red entre iguales o red P2P. En las redes P2P los archivos residen en los extremos de la red (en los clientes, a los que ahora se denomina peers, por su doble condición de clientes y servidores), y sólo en algunas arquitecturas se utilizan "servidores", que actúan como meros Ãndices de los archivos, y cuyo rol es facilitar que los clientes puedan encontrarse entre sÃ, y no almacenar los archivos, como sucederÃa en una arquitectura cliente-servidor convencional.
Dado el esquema de comunicaciones de las aplicaciones P2P, el tráfico que inducen se caracteriza por su simetrÃa en entornos cerrados de usuarios, puesto que todo el tráfico que reciba un usuario (peer) determinado habrá sido inyectado por otros usuarios del grupo. Esta simetrÃa supone que, a largo plazo, el tráfico que el usuario inyecta en la red, es similar al tráfico que el usuario recibe de la misma.
Por otra parte, dada la asimetrÃa caracterÃstica de las lÃneas ADSL, se puede establecer que el cuello de botella para las aplicaciones P2P reside en la velocidad de subida de las lÃneas ADSL, y no en la velocidad de bajada. Esto se confirma por medidas en las que se observa que el tráfico medio por usuario crece levemente al duplicar el ancho de banda de bajada sin aumentar el de subida (septiembre-noviembre de 2004). Sin embargo, las duplicaciones de la velocidad de subida de las lÃneas ADSL pueden suponer un incremento del tráfico P2P, en tanto que es este enlace, y no el de bajada, el que está actuando como cuello de botella en la actualidad.
Impacto del nuevo aumento del ancho de banda del ADSL
Con el objeto de analizar el crecimiento del tráfico P2P frente a la próxima duplicación, se ha estudiado mediante simulación el comportamiento de un grupo de usuarios y el tráfico inducido por ellos para dos modalidades de ADSL: 512/128 kbps frente a 1024/300 kbps.
El simulador modela las caracterÃsticas más relevantes de las aplicaciones P2P, asà como un patrón de los usuarios similar al observado en medidas reales.
El patrón de consumo de archivos por parte de un usuario asume que, a largo plazo, éste no puede acumular indefinidamente archivos sin consumir (en último término, debe 'consumirlos' y borrarlos -o sólo borrarlos- para tener suficiente espacio en disco para nuevas peticiones) y que no solicitará un nuevo archivo hasta que no haya consumido (borrado) otro anterior. Como, evidentemente, un archivo no puede consumirse hasta que no se ha descargado completamente, el intervalo entre dos peticiones consecutivas de archivos depende del tiempo de descarga (dependiente, a su vez, de las condiciones de la red). De este modo, si un usuario necesita menos tiempo para descargar un archivo, las peticiones de archivos se harán más frecuentes y, como consecuencia, aumentará el tráfico ofrecido.
En cuanto al comportamiento de la aplicación, la caracterÃstica más relevante es que los archivos se 'dividen' en trozos pequeños, de manera que no es necesario que un usuario haya descargado completamente un archivo para que pueda compartir algunos de sus trozos. Esta es una caracterÃstica común a todas las aplicaciones de compartición de información median te técnicas P2P.
La siguiente figura muestra el tráfico observado en la red simulada para un escenario con 1000 usuarios (peers), 120 archivos diferentes y para los tres esquemas de velocidades de lÃneas ADSL.
Como se esperaba, el ancho de banda de bajada no es el factor más relevante, ya que apenas afecta al volumen de tráfico intercambiado. Es al aumentar el ancho de banda de subida cuando el volumen de tráfico global aumenta de forma proporcional.
Para comprender mejor este comportamiento, se analizan los tiempos medios de descarga en uno y otro caso de simulación y se obtienen los siguientes resultados:
Como puede apreciarse, el tiempo medio de descarga solamente se reduce de forma significativa cuando aumenta el ancho de banda de subida. Como el tiempo medio entre peticiones de archivos está estrechamente relacionado con el tiempo medio de descarga (tal y como se expuso anteriormente), éste también se reducirá, de manera que el tráfico ofrecido a la red por cada usuario aumenta (como recibe antes el contenido, antes puede consumirlo y antes puede pedir el siguiente). De esta forma, se justifica que, sin haber variado ni el patrón de comportamiento ni el número de usuarios, haya aumentado de forma proporcional el tráfico intercambiado (por ejemplo, doblando el ancho de banda de subida, aproximadamente se duplicarÃa el tráfico).El impacto de la duplicación sobre los tiempos de descarga es todavÃa más significativo, ya que se reducen de forma más que proporcional al aumento de ancho de banda (por ejemplo, doblando el ancho de banda de subida, el tiempo de descarga se reducirÃa a bastante menos de la mitad). La explicación a esta aparente paradoja la proporciona un fenómeno bien conocido de la teorÃa de colas que se reproduce también en las redes P2P. Al tiempo necesario para que se complete una descarga contribuyen dos componentes: el tiempo que se consume esperando a que algún otro usuario autorice la transferencia de un trozo del fichero (tiempo de espera en cola), y el tiempo durante el cual se transfiere efectivamente ese contenido (tiempo de servicio). La primera de ellas, que es generalmente la que contribuye en mayor medida al tiempo total, presenta una dependencia no lineal respecto a la carga, es decir, disminuye rápidamente cuanto mayor es el ancho de banda disponible. De esta forma, el resultado de un aumento de capacidad no sólo supone una reducción proporcional del tiempo de servicio, sino que también implica una drástica reducción del tiempo de espera en cola.
Cabe esperar que esta nueva situación, donde mejoran significativamente las prestaciones percibidas por el usuario (se reducen de forma apreciable los tiempos de descarga), afecte también al comportamiento de los usuarios, pudiendo suponer un reclamo para usuarios que hasta el momento no hubieran participado en este tipo de redes de una forma tan activa. De esta forma, al aumento del tráfico ofrecido directamente asociado al nuevo ancho de banda, habrÃa que añadir el efecto nada despreciable de la incorporación de nuevos usuarios P2P. Este efecto, aunque puede ser potencialmente importante, no se ha podido cuantificar por ser un fenómeno novedoso relacionado con las preferencias subjetivas de los usuarios.
Conclusiones
Los resultados obtenidos revelan que, a raÃz de la duplicación del ancho de banda de subida de los usuarios residenciales, se producirá un aumento muy importante del tráfico P2P en el núcleo de la red. Los efectos de dicha duplicación, desde el punto de vista del tráfico, deberÃan ser mucho más importantes de los que se detectaron en la anterior duplicación de velocidad, donde sólo aumentó el ancho de banda en sentido descendente. Este hecho permite destacar algunas consecuencias para la futura evolución de los servicios de banda ancha.
En primer lugar, se demuestra que en la cadena de valor de la provisión de servicios de banda ancha, el ancho de banda en el acceso puede no ser el factor más importante a tener en cuenta. En el contexto de las redes de nueva generación, en las que existe un alto grado de control de las aplicaciones y los servicios por parte de los usuarios finales, cambios aparentemente simples en la configuración de la red pueden tener un impacto muy importante en el tráfico y en sus costes asociados.
En segundo lugar, es importante reconocer el gran impacto que las aplicaciones de transmisión masiva de información pueden tener sobre el resto de servicios con los que comparten de la red. No todo el tráfico tiene el mismo valor para los usuarios, por lo que es probable que en el futuro se deban instrumentar mecanismos de gestión diferenciada del tráfico, a nivel de aplicación o a nivel de red.
Finalmente, los resultados ponen de manifiesto la creciente dificultad para que las actuales estructuras tarifarias lleguen a reflejar los aumentos de costes que llevan aparejados determinados cambios en la red, en un contexto como el actual, donde los comportamientos de los servicios y aplicaciones pueden reaccionar de una forma sumamente compleja.
Autores : José EnrÃquez Gabeiras, Francisco Javier Ramón Salguero, Gerardo GarcÃa de Blas.Telefónica I+D