ESTIMADOR EN TIEMPO REAL DEL CONSUMO DE ANCHO DE BANDA EN UN ENLACE

DIEGO JOSE LUIS BOTIA VALDERRAMA

UNIVERSIDAD OBERTA DE CATALUÑA

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE BUCARAMANGA

MAGISTER EN SOFTWARE LIBRE

BUCARAMANGA

2008

ESTIMADOR EN TIEMPO REAL DEL CONSUMO DE ANCHO DE BANDA EN UN ENLACE

DIEGO JOSE LUIS BOTIA VALDERRAMA

Trabajo de Tesis para optar al Título de Magister en Software Libre

Director: Ph.D.(c) Cesar Darío Guerrero Santander

UNIVERSIDAD OBERTA DE CATALUÑA

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE BUCARAMANGA

MAGISTER EN SOFTWARE LIBRE

BUCARAMANGA

2008

Nota de Aceptación

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Firma del presidente del jurado

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Firma del jurado

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Firma del jurado

Bucaramanga, Julio de 2008

AGRADECIMIENTOS

El Autor expresa su agradecimiento a:

Al profesor Ph.D.(c) Cesar Darío Guerrero Santander por su gran colaboración, asesoría y dirección del trabajo.

A las directivas de la Universidad Oberta de Catalunya (UOC) y de la Universidad Autónoma de Bucaramanga (UNAB), por la formación de profesionales que actúan con honestidad y transparencia.

A todos mis profesores, por la excelente formación del profesional en educación posgraduada.

A mis amigos, por su compañerismo y apoyo.

A mis padres y hermanos por su constante apoyo y dedicación.

CONTENIDO

Pág.

LISTA DE TABLAS	viii
LISTA DE FIGURAS	ix
LISTA DE ANEXOS	xi
GLOSARIO	xii
RESUMEN	xiii
ABSTRACT	xiv
INTRODUCCION	1
1. ANTECEDENTES	3
2. OBJETIVOS	4
2.1 OBJETIVO GENERAL	4
2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS	4
3. MARCO TEORICO	5
3.1 ENCAPSULAMIENTO TCP/IP	6
3.1.1 Trama Ethernet	7
3.1.2 Protocolo IP	9
3.1.3 Protocolo TCP	11
3.1.4 Protocolo UDP	13
3.2 TAMAÑO DE LOS PAQUETES	14
3.3 ENVIO DE DATOS EN LINUX	15
3.4 FILTRADO DE PAQUETES	17
3.4.1 Funciones Principales de Libpcap	19
3.4.1.1 Selección de la Interfaz de Red.	19
3.4.1.2 Funciones para Sniffing y Captura	20
3.4.1.3 Filtrado de paquetes en Libpcap	21
3.4.1.4 Rastreo de paquetes	22
3.4.1.5 Extracción de la Información	23
3.4.1.5.1 Cabecera Ethernet	24
3.5 GENERADORES DE TRÁFICO	27
3.5.1 MGEN (NRL Multi-Generator)	27
3.6 SNIFFERS	28
3.6.1 Desactivación de Filtro MAC	29
3.6.2 Herramientas para hacer Sniffing	29
3.6.3 Tcpdump.	30
3.6.3.1 Sintaxis de TCPDUMP	30
3.6.3.2 Información Extendida	32
3.6.3.3 Salida del Sniffer	33
3.6.3.4 Direcciones de la capa de enlace	34
3.6.3.5 Filtros con TCPDUMP	35
3.7 INGENIERÍA DE SOFTWARE	36
3.7.1 Objetivos de la Ingeniería de Software	38
3.7.2 Planificación de un Proyecto de Ingeniería de Software	39
3.7.3 Organización de un Proyecto de Ingeniería de Software	40
3.7.4 Modelo de Desarrollo Incremental	41
4. METODOLOGIA DE LA INVESTIGACION	44
4.1 CONCEPTUALIZACION	44
4.2 ANÁLISIS DE REQUERIMIENTOS Y DISEÑO	45
4.3 CODIFICACIÓN, DEPURACIÓN Y PRUEBAS (INCREMENTO 1)	45
4.4 CODIFICACIÓN, DEPURACIÓN Y PRUEBAS (INCREMENTO 2)	45
4.5 ENTREGA DEL SISTEMA	46
5. DESARROLLO DEL SISTEMA	47
5.1 REQUERIMIENTOS GENERALES	47
5.2 ANÁLISIS	48
5.2.1 Casos de Uso	48
5.2.2 Patrones de Generación de Tráfico (Periódico, Poisson, Ráfaga)	57
5.2.2.1 Patrón Periódico	57
5.2.2.2 Patrón Poisson	58
5.2.2.3 Patrón Ráfaga (BURST):	59
5.3 TESTBED	60
5.3.1 Arquitectura General del Sistema	60
5.3.1.1 Configuración del Sender	61
5.3.1.2 Configuración del Receiver	65
6. TESTBW	67
6.1 DESCRIPCION	67
6.1.1 Log de Cambios	67
6.1.2 Plataformas Probadas	68
6.2 INSTALACION	69
6.3 EJECUCION DE LA HERRAMIENTA	73
7. ANALISIS DE RESULTADOS	76
8. ANÁLISIS ESTADÍSTICO	82
8.1 DISTRIBUCIÓN PERIÓDICA	83
8.1.1 Distribución Periódica para el 30% de Ancho de Banda del Enlace de Red	83
8.1.2 Distribución Periódica para el 60% de Ancho de Banda del Enlace de Red	89
8.2 DISTRIBUCIÓN DE POISSON	92
8.2.1 Distribución de Poisson Para el 30% de Ancho de Banda del Enlace de Red	92
8.2.2 Distribución de Poisson Para el 60% de Ancho de Banda del Enlace de Red	95
9. CONCLUSIONES	99
10. RECOMENDACIONES Y TRABAJOS FUTUROS	102
11. BIBLIOGRAFÍA	103
11.1 LIBROS	103
11.2 REVISTAS	104
11.3 INVESTIGACIONES	104
11.4 INFOGRAFIA	105
11.5 BIBLIOGRAFIA PARA ANALISIS ESTADISTICO	106
ANEXOS	108

LISTA DE TABLAS

Pag

Tabla 1. Software Utilizado	61
Tabla 2. Requerimientos mínimos para la instalación de la herramienta	69
Tabla 3. Resultados de cálculos estadísticos para, distribución periódica del 30% de ancho de banda de enlace de red	87
Tabla 4. Distribuciones Normales para 30% de ancho de banda de enlace de red	88
Tabla 5. Resultados de cálculos estadísticos para distribución periódica, del 60% de ancho de banda de enlace de red.	89
Tabla 6. Distribuciones Normales para 60% del ancho de banda del enlace de red	91
Tabla 7. Resultados de cálculos estadísticos para distribución de Poisson, para 30% de ancho de banda del enlace de red.	92
Tabla 8. Distribución de Poisson, para 30% de ancho de banda del enlace de red.	95
Tabla 9. Resultados de cálculos estadísticos para distribución de Poisson, para 60% de ancho de banda del enlace de red	95
Tabla 10. Distribución de Poisson, para 60% de ancho de banda del enlace de red	97

LISTA DE FIGURAS

Pag

Figura 1. Encapsulamiento de datos en TCP/IP.	7
Figura 2. Contenido de la Trama Ethernet	8
Figura 3. Estructura de un paquete IP	10
Figura 4. Estructura paquete TCP	12
Figura 5. Estructura de Datagrama UDP	14
Figura 6. Estructura de capas desde el punto de vista de Linux.	16
Figura 7. Esquematización de un programa con Libpcap	19
Figura 8. Red en la que un Host monitoriza el tráfico que fluye por esta	20
Figura 9. Principales estructuras de red contenidas en Linux	24
Figura 10. Salida estándar de TCPDUMP	31
Figura 11. Salida de TCPDUMP con Verbose	33
Figura 12. Salida de TCPDUMP con snaplength	35
Figura 13. Modelo de Desarrollo Incremental	42
Figura 14. Modelo de Desarrollo Incremental con desarrollo en cascada de los incrementos	43
Figura 15. Caso de Uso Envío y Captura de Tráfico	48
Figura 16. Caso de Uso Generación de tráfico por el Sender.	49
Figura 17: Caso de Uso Captura y Análisis de paquetes en el Receiver	50
Figura 18. Caso de Uso Análisis de Tráfico	51
Figura 19. Apertura de Puerto 5001 desde MGEN en PC Receiver	54
Figura 20. Puerto UDP/5001 abierto por MGEN	55
Figura 21. Entorno de pruebas para el Testbed	62
Figura 22. Comando Ifconfig	63
Figura 23. Parámetros para la Tarjeta de Red	63
Figura 24. Ejecución del comando Ping	64
Figura 25. Proceso de instalación de MGEN	65
Figura 26. Ejecución inicial de MGEN	65
Figura 27. Comprobación de Dependencias de GCC	66
Figura 28. Estructura del Programa Testbw	70
Figura 29. Instalación de Testbw	72
Figura 30. Verificación del Binario compilado	72
Figura 31. Ejecución Inicial de Testbw	73
Figura 32. Captura con IPTRAF	74
Figura 33. Captura de tráfico con testbw	74
Figura 34. Generación de Tráfico Periódico al 30% y 60% del tamaño del canal	76
Figura 35. Bandwidth calculado del 30% del canal usando distribución Periodic	77
Figura 36. Bandwidth calculado del 60% del canal usando distribución Periodic	78
Figura 37. Generación de Tráfico Poisson al 30% y 60% del tamaño del canal	79
Figura 38. Bandwidth calculado del 30% del canal usando distribución Poisson	80
Figura 39. Bandwidth calculado del 60% del canal usando distribución Poisson	81
Figura 40. Distribución periódica para un 30% de ancho de banda del enlace de red	88
Figura 41. Distribución Periódica para 60% de ancho de banda del enlace de red	90
Figura 42. Distribución Periódica para 60% de ancho de banda del enlace de red, (en escala x10^6 bps para ancho de banda)	91
Figura 43. Distribución de Poisson para 30% de ancho de banda del enlace de red	93
Figura 44. Distribución de Poisson para 30% de ancho de banda del enlace de red, (en escala x10^6 bps para ancho de banda)	94
Figura 45. Distribución de Poisson para 60% de ancho de banda del enlace de red	96
Figura 46. Distribución de Poisson para 60% de ancho de banda del enlace de red, ( en escala x10^6 bps para ancho de banda)	97

LISTA DE ANEXOS

Pag

Anexo 1. CÓDIGO FUENTE DE LA HERRAMIENTA TESTBW	109
Anexo 2. LICENCIA GPL	115
Anexo 3. CAPTURA DE TRAFICO PERIODICO DEL 30% DEL CANAL	128
Anexo 4. CAPTURA DE TRAFICO PERIODICO DEL 60% DEL CANAL	129
Anexo 5. CAPTURA DE TRAFICO POISSON DEL 30% DEL CANAL	130
Anexo 6. CAPTURA DE TRAFICO POISSON DEL 60% DEL CANAL	131

GLOSARIO

ACK: Paquete TCP con la bandera de Acuse de Recibido Activa

BSD: Berkeley Software Distribution

FTP: File Transfer Protocol

IETF: Internet Engineering Task Force

ICMP: Internet Control Message Protocol

IP: Internet Protocol

Kernel: Núcleo del Sistema Operativo

KB: Kilobyte

Kb: Kilobit

LAN: Local Area Network

MAC: Media Access Control address

MB: Megabyte

Mb: Megabit

Mbit: Megabit

MSS: Maximum Segment Size

MTU: Maximum Transmission unit

NIC: Network Interface Card

QoS: Quality of Service

RFC: Request For Comment

TCP: Transmission Control Protocol

TOS: Type of Service

UDP: User Datagram Protocol

VPN: Virtual Private Network

WAN: Wide Area Network

RESUMEN

Este trabajo muestra que a partir de la captura de tramas Ethernet de la capa 2 (de enlace), es posible generar un cálculo del ancho de banda entre el envió de paquetes en un enlace de red. Para este proyecto se empleo exclusivamente herramientas de software libre, entre las que se destacan: el sistema operativo GNU/Linux, el generador de trafico MGEN, el compilador de lenguaje C GCC, el sniffer TCPDUMP y el API libpcap.

El proyecto empieza con una recopilación y estudio de los principales protocolos de red utilizados en el modelo TCP/IP, así como el estudio de las principales estructuras de programación utilizadas en el desarrollo de la herramienta. También se explican las etapas de Ingeniería de Software realizadas en el proyecto como el Análisis y Diseño, Desarrollo y pruebas, utilizando el modelo de desarrollo Incremental. Por último se especifica la implementación y configuración del Testbed desarrollado.

Se utilizó una metodología de desarrollo incremental con sucesivas iteraciones en cada etapa, hasta llegar a la versión final de la herramienta que se denominó TESTBW. Se generó tráfico de MGEN de tipo Periódico y de Poisson, y las mediciones obtenidas de tráfico en la red, se analizaron a través de métodos estadísticos de distribuciones Periódicas y de Poisson, para 30% y 60% de ancho de banda del enlace de red.

Palabras Clave: Tcpdump, MGEN, Ancho de Banda, TCP/IP, Sniffers, Libpcap, Testbed, Software Libre, Linux, Ethernet.

ABSTRACT

This work shows that capturing Ethernet frames, it is possible to calculate the bandwidth in a network link. The project exclusively utilized open source tool such as GNU/Linux operating system, the MGEN, traffic generator, the C language compiler GCC, the TCPDUMP sniffer and the API library libpcap. 

The project begins studying the main TCP/IP network protocols and the main programming structures required to develop the desired packet capturing tool. In addition, the Software Engineering steps performed in the project are explained. Finally, implementation details and testbed configuration are specified.

An incremental development methodology was used with successive iterations on each step until defining the final tool called TESTBW. Periodic and Poisson traffic of 30% and 60% of the link capacity were generated using MGEN. All the measurements were analyzed using statistical methods.

Key Words: Tcpdump, MGEN, Bandwidth, TCP/IP, Sniffers, Libpcap, Testbed, Free Software, Linux, Ethernet.