ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Εκτίμηση της απόδοσης του πρωτοκόλλου μεταφοράς TCP στα ασύρματα δίκτυα τύπου IEEE (WiFi)

Transcript

1 Τεχνολογικό Ίδρυμα Καβάλας Τμήμα Βιομηχανικής Πληροφορικής ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Εκτίμηση της απόδοσης του πρωτοκόλλου μεταφοράς TCP στα ασύρματα δίκτυα τύπου IEEE (WiFi) Αναγνώστου Φωτεινή AEM:1369 Καραγιοβάννη Πετρούλα AEM:1169 Επιβλέποντες Καθηγητές Α Επιβλέπων: Κωνσταντίνος Τσίκνας Β Επιβλέπων: Στυλιανός Παπαδάκης Καβάλα Νοέμβριος

2 Σύνοψη Ο σκοπός της εργασίας είναι η μελέτη του πρωτοκόλλου μεταφοράς γνωστού και ως wifi. Το πρωτόκολλο αυτό ασχολείται με τα ασύρματα δίκτυα επικοινωνιών και μεταφοράς δεδομένων. Πιο συγκεκριμένα σκοπός της εργασίας είναι η μελέτη της απόδοσης των πρωτοκόλλων μεταφοράς καθώς και η μελέτη των χαρακτηριστικών δικτύου που επηρεάζουν την απόδοση των πρωτοκόλλων. 2

3 Ευχαριστίες Με το τέλος της εργασίας μας θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε θερμά τον καθηγητή μας κ. Κωνσταντίνο Τσίκνα για την πολύτιμη καθοδήγηση και βοήθεια του. Επίσης θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε και τις οικογένειες και τους φίλους μας για την συμπαράσταση τους. 3

4 Εισαγωγή To πρωτόκολλο TCP (transmission Control Protocol) είναι το κυρίαρχο πρωτόκολλο μεταφοράς στο Διαδίκτυο. Ο κλασσικός μηχανισμός ελέγχου συμφόρησης που διαθέτει TCP Reno στηρίζεται στην σταδιακή αύξηση της ροής των δεδομένων προκειμένου να γίνεται πλήρης αξιοποίηση των διαθέσιμων διαδικτυακών πόρων (bandwidth) και όταν έχουμε συμφόρηση η ροή των δεδομένων μειώνετε απότομα. Ο μηχανισμός αυτός είναι ανεπαρκής για τη μεταφορά δεδομένων στα ασύρματα δίκτυα. Το TCP ως αξιόπιστη μέθοδος μετάδοσης έχει εξελιχθεί μέσω του χρόνου σε ένα μίγμα μερικών σύνθετων πρωτοκόλλων Η δυνατότητά του να διασφαλίζει τον έλεγχο ροής είναι ένας αρκετά σύνθετος ερευνητικός τομέας και ένα καλά μελετημένο κομμάτι, με ένα πλήθος αλγορίθμων. Στο πειραματικό μας μέρος εμείς θα συγκρίνουμε και θα αξιολογήσουμε τους αλγόριθμους συμφόρησης Reno, Veno, Vegas, Westwood, Bic και Cubic. 4

5 Περίληψη Η πτυχιακή μας αποτελείται από 6 κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο εξετάζεται το πρότυπο ( wifi) που στις μέρες μας είναι το δημοφιλέστερο πρότυπο ασύρματου δικτύου. Αρχικά γίνεται μια ιστορική αναδρομή ενώ στην συνέχεια παρουσιάζονται κάποιες παραλλαγές του προτύπου ακόμη παρουσιάζονται τα μέρη που απαρτίζουν το πρότυπο αυτό καθώς και κάποιες τοπολογίες ασύρματων δικτύων. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μια περιγραφή του πρωτοκόλλου TCP, παρουσιάζονται οι κυριότερες λειτουργίες του όπως η εγκαθίδρυση και ο τερματισμός σύνδεσης καθώς και οι έλεγχοι ροής και συμφόρησης. Ακόμη αναλύονται οι μηχανισμοί αποφυγής συμφόρησης και γρήγορης επαναμεταφοράς και ανάκαμψης. Στο τελευταίο κομμάτι του κεφαλαίου γίνεται αναφορά στο TCP Reno τον σημαντικότερο αλγόριθμο του TCP. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα λάθη και τα προβλήματα στα ασύρματα δίκτυα. Αναλύονται κάποια χαρακτηριστικά όπως η ασυμμετρία και η λήψη πακέτων εκτός σειράς που έχουν αρνητικές συνέπειες στην απόδοση του πρωτοκόλλου μεταφοράς. Στο τέλος του κεφαλαίου παρατίθενται και κατηγοριοποιούνται κάποιες λύσεις που βοηθούν στην λύση των προβλημάτων. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναλύονται οι διάφοροι αλγόριθμοι που έχουν υλοποιηθεί για την βελτίωση του TCP. Όπως το TCP Veno, Vegas, Westwood, Bic και Cubic. Στο πέμπτο κεφάλαιο υλοποιούνται οι τοπολογίες για μια πιο συγκριτική αξιολόγηση των διαφόρων προσεγγίσεων που μελετήθηκαν. Παρουσιάζονται τα βοηθήματα και τα εργαλεία όπως ο ns-2.34, το μοντέλο Gilbert-Elliot και το Pareto Traffic που χρησιμοποιήσαμε για την εξομοίωση των τοπολογιών. Η Υλοποίηση των τοπολογιών έγινε με τη χρήση της γλώσσας προγραμματισμού TCL. Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συμπεράσματα της εργασίας μετά την υλοποίηση και ανάλυση των τοπολογιών. 5

6 Περιεχόμενα 1 Το πρότυπο (wifi) σελ Η αρχή του (wifi) Μέρη που απαρτίζουν το Τοπολογίες ασύρματων δικτύων Independent Basic Service Set (IBSS) ή Ad hoc δίκτυα Basic Service Set (BSS) δίκτυα Extended Service Set (ESS) δίκτυα Hot Spots.16 2 TCP Τι είναι το TCP Κεφαλίδα (header) του TCP Έναρξη σύνδεσης (τριμερής χειραψία/ 3-way handshake) Τερματισμός σύνδεσης Μεταφορά δεδομένων Έλεγχος ροής Έλεγχος συμφόρησης Αργή εκκίνηση (slow-start) Αποφυγή συμφόρησης (congestion avoidance) Γρήγορη επαναμεταφορά (fast retransmit) Γρήγορη ανάκαμψη (fast recovery) Χρονικό διάστημα επαναποστολής (retransmition timeout) TCP Reno Λάθη στα ασύρματα δίκτυα Απόδοση των ασύρματων δικτύων Προβλήματα του TCP στα ασύρματα δίκτυα Τα λάθη μετάδοσης στο ασύρματο κανάλι Διαχείριση ενέργειας Τι είναι η ασυμμετρία και σε ποια δίκτυα συναντάτε συνήθως Ασυμμετρία συνδέσεων σε δίκτυα Επίδραση της ασυμμετρίας στο Λήψη πακέτων εκτός σειράς ( packet re-ordering) Κατηγοριοποίηση των προτεινόμενων λύσεων Προσέγγιση από άκρη σε άκρη ( end-to-end) Split Aproaches (Διασπασμένες προσεγγίσεις TCP) Παραλλαγές του TCP Εισαγωγή TCP Veno Ο μηχανισμός του TCP Veno Ο αλγόριθμος ρύθμισης του ssthresh του TCP Veno Ο νέος μηχανισμός μετάδοσης του TCP Vegas Νέος μηχανισμός αποφυγής συμφόρησης Τροποποιημένος μηχανισμός slow-start Πλεονεκτήματα του TCP Vegas TCP Westwood TCP Bic TCP Cubic Νέα λειτουργία αύξησης παραθύρων Νέος τρόπος TCP

7 5 Πειραματική διαδικασία Στόχος της εξομοίωσης Βοηθήματα- Εργαλεία Network Simulator ( ns) Το TCP Linux στον ns Gilbert-Elliot το κλασικό 2-state Markov Model για τις διαδικασίες λάθους Το μοντέλο Gilbert-Elliot στον ns Pareto Traffic Μετρικές Goodput Throughput Πρώτη τοπολογία Αποτελέσματα του Script Δεύτερη τοπολογία Αποτελέσματα του Script Τρίτη τοπολογία Αποτελέσματα του Script Ανάλυση αποτελεσμάτων των τριών τοπολογιών 59 Παραρτήματα...61 Κατάλογος σχημάτων, εικόνων και πινάκων..74 βιβλιογραφία 75 7

8 1. Το πρότυπο (WiFi) 1.1 Η αρχή του (WiFi) Με την δημιουργία των πρώτων δικτύων ηλεκτρονικών υπολογιστών, παράλληλα με τις μεθόδους που αναπτύχθηκαν για ενσύρματη σύνδεση των κόμβων, είχαμε και την προσπάθεια, πολλών ομάδων, για την δημιουργία ασύρματων τοπικών δικτύων που θα αποδέσμευε την επικοινωνία από τα ενσύρματα μέσα. Η πιο πρακτική προσέγγιση ήταν να εξοπλιστούν τόσο ο χώρος του γραφείου όσο και οι φορητοί υπολογιστές με πομπούς και δέκτες ραδιοκυμάτων μικρής εμβέλειας, ώστε να μπορούν να επικοινωνούν. Η δουλειά αυτή σύντομα οδήγησε σε ασύρματα LAN που πωλούνταν από διάφορες εταιρίες. Το πρόβλημα ήταν ότι κανένα από αυτά τα δίκτυα δεν ήταν συμβατό με άλλα. Αυτή η πληθώρα προτύπων σήμαινε ότι ένας υπολογιστής εξοπλισμένος με ένα ραδιοπομπό μάρκας Χ δεν δουλεύει σε ένα χώρο εξοπλισμένος με ένα σταθμό βάσης μάρκας Υ. Τελικά η βιομηχανία αποφάσισε ότι ένα πρότυπο για τα ασύρματα LAN μπορεί να είναι καλή ιδέα, έτσι η επιτροπή της ΙΕΕΕ που τυποποίησε τα ενσύρματα LAN ανέλαβε το καθήκον να σχεδιάσει ένα πρότυπο για αυτά. Το πρότυπο στο οποίο κατέληξε ονομάστηκε Ένα εμπορικό όνομα που χρησιμοποιείται για το πρότυπο είναι το WIFI. Μερικές από τις προκλήσεις που έπρεπε να αντιμετωπιστούν ήταν η ανεύρεση μιας κατάλληλης ζώνης συχνοτήτων, η οποία να είναι κατά προτίμηση διαθέσιμη σε όλο τον κόσμο, η αντιμετώπιση της πεπερασμένης εμβέλειας των ραδιοκυμάτων, η εξασφάλιση των ιδιωτικών δεδομένων των χρηστών, η λήψη πρόνοιας για την περιορισμένη ζωή της μπαταρίας, η ανησυχία για την ανθρώπινη ασφάλεια (προκαλούν καρκίνο τα ραδιοκύματα;), η κατανόηση του αντίκτυπου που θα έχει η μεταφερσιμότητα των υπολογιστών και τέλος η υλοποίηση ενός συστήματος με επαρκές εύρος ζώνης ώστε να είναι οικονομικά βιώσιμο. Καταρχήν, ένας υπολογιστής σε ένα δίκτυο ETHERNET ακούει το φυσικό μέσο διασύνδεσης πριν μεταδώσει. Ο υπολογιστής αρχίζει να μεταδίδει μόνο αν το φυσικό μέσο διασύνδεσης είναι αδρανές. Στα ασύρματα LAN, η ιδέα δεν λειτουργεί και τόσο καλά. Για να μπορέσουμε να το καταλάβουμε ας υποθέσουμε ότι έχουμε τρείς υπολογιστές, A, B και C (εικόνα 1). Έστω ότι ο υπολογιστής Α μεταδίδει στον Β αλλά η εμβέλεια του ραδιοπομπού του Α είναι πολύ μικρή και δεν φτάνει μέχρι τον C. Αν ο C θέλει να μεταδώσει προς τον Β μπορεί να ακούσει το φυσικό μέσο διασύνδεσης πριν ξεκινήσει, το γεγονός όμως ότι δεν ακούει τίποτα δεν σημαίνει ότι η μετάδοση του θα είναι επιτυχής. Το πρότυπο έπρεπε να λύσει το πρόβλημα αυτό. 8

9 Σχήμα 1.1.1: Η εμβέλεια ενός μόνο ραδιοπομπού μπορεί να μην καλύπτει ολόκληρο το σύστημα. Το δεύτερο πρόβλημα που έπρεπε να λυθεί είναι ότι ένα ραδιοκυματικό σήμα μπορεί να ανακλαστεί πάνω στα συμπαγή αντικείμενα, άρα μπορεί να ληφθεί πολλές φορές (μέσω πολλαπλών διαδρομών). Οι παρεμβολές μεταξύ των σημάτων αυτών οδηγούν σε ένα φαινόμενο που ονομάζεται εξασθένηση πολλαπλών διαδρομών (multipath fading). Το τρίτο πρόβλημα είναι ότι μεγάλος όγκος λογισμικού δεν γνωρίζει τίποτα σχετικά με τη μεταφερσιμότητα των υπολογιστών. Για παράδειγμα, πολλοί επεξεργαστές κειμένου διατηρούν μια λίστα εκτυπωτών, από την οποία οι χρήστες μπορούν να επιλέξουν πού θα τυπώσουν κάποιο αρχείο. Όταν ο υπολογιστής στον οποίο εκτελείται ο επεξεργαστής κειμένου μεταφερθεί σε ένα νέο περιβάλλον, η ενσωματωμένη λίστα εκτυπωτών αχρηστεύεται. Το τέταρτο πρόβλημα είναι ότι αν ένας φορητός υπολογιστής κινηθεί μακριά από το σταθμό βάσης που χρησιμοποιεί και βρεθεί εντός της εμβέλειας ενός άλλου σταθμού βάσης, απαιτείται κάποιος τρόπος χειρισμού του. Αν και αυτό το πρόβλημα εμφανίζεται και στα κυψελωτά τηλέφωνα, δεν εμφανίζεται στο ETHERNET και άρα έπρεπε να επιλυθεί. Για την ακρίβεια, το δίκτυο που οραματίζονταν οι σχεδιαστές θα περιλάμβανε πολλαπλές κυψέλες (cells) η κάθε μία από τις οποίες θα είχε το δικό της σταθμό βάσης, με τους σταθμούς βάσης διασυνδεμένους μέσω ETHERNET. Από εξωτερική άποψη, το όλο σύστημα θα έπρεπε να μοιάζει με ένα μοναδικό δίκτυο ETHERNET (εικόνα 2). Η σύνδεση ανάμεσα στο σύστημα και τον έξω κόσμο ονομάζεται πύλη (portal). Σχήμα 1.1.2:Ένα δίκτυο με πολλές κυψέλες. 9

10 Μετά από αρκετή δουλειά, η επιτροπή κατέληξε το 1997 σε ένα πρότυπο που αντιμετώπιζε αυτά και άλλα ζητήματα. Το ασύρματο LAN που περιγραφόταν λειτουργούσε είτε στο 1 Mbps είτε στα 2 Mbps. Σχεδόν αμέσως κάποιοι διαμαρτυρήθηκαν ότι ήταν πολύ αργό, έτσι ξεκίνησε δουλειά σε ταχύτερα πρότυπα.κάθε παραλλαγή του πρωτοκόλλου συμβολίζεται με το ακολουθούμενο από ένα πεζό λατινικό γράμμα, το οποίο προέρχεται από την ομάδα εργασίας (task group) που έκανε την αναθεώρηση του πρωτοκόλλου. 1) ΙΕΕΕ : To εφαρμόζεται σε ασύρματα τοπικά δίκτυα και παρέχει ρυθμούς μετάδοσης 1 ή 2Μbps στη μπάντα των 2.4GHz. 2) ΙΕΕΕ a - OFDM in 5GHz Band: Το a είναι ένα πρωτόκολλο για το φυσικό στρώμα ενός ασύρματου δικτύου, η λειτουργία του οποίου καθορίζεται στην ζώνη UNII στα 5 GHz. Λόγω της λειτουργίας του στην ζώνη αυτή εμφανίζει σαφώς λιγότερες παρεμβολές από την ζώνη ISM, καθώς και μεγαλύτερους ρυθμούς μετάδοσης, που ανέρχονται στα 54 Mbps. Σαφέστατα υπερέχει σε επιδόσεις από το κλασσικό και το νεότερο και πιο εξαπλωμένο b.Το πρωτόκολλο αυτό χρησιμοποιεί διαμόρφωση ορθογώνιας διαίρεσης συχνότητας (OFDM). 3) ΙΕΕΕ b High Rate DSSS: Στόχος αυτού του πρωτοκόλλου ήταν να αυξηθεί ο ρυθμός μετάδοσης στα 5,5 Mbps και στα 10 Mbps. Έτσι η ομάδα εργασίας b επέκτεινε τον τρόπο κωδικοποίησης DSSS του φυσικού επιπέδου του , με το να αλλάξει τον τρόπο διαμόρφωσης του σήματος. Συνεπώς, για την επίτευξη αυτών των ρυθμών χρησιμοποιήθηκε διαμόρφωση CCK, ενώ για τους ρυθμούς 1 και 2 Mbps χρησιμοποιήθηκε διαμόρφωση DBPSK ( Differential Binary) και DQPSK (Differential Quadrantic), έτσι ώστε να διατηρηθεί η συμβατότητα με το ) ΙΕΕΕ g Union of.11a and.11b: Το g είναι ένας συνδυασμός των παραλλαγών a και b,δηλαδή επιτυγχάνονται υψηλοί ρυθμοί μετάδοσης της τάξης των 54 Mbps, διατηρώντας παράλληλα τη συμβατότητα με το διαδεδομένο b. Χρησιμοποιεί διαμόρφωση OFDM (όπως το a), καθώς και τη διαμόρφωση ενώ λειτουργεί στην ζώνη συχνοτήτων ISM (όπως το b) 10

11 Έκδοση Ημερομηνία Ζώνη συχνοτήτων Συνήθης ρυθμός μετάδοσης Ονομαστικός ρυθμός μετάδοσης Μέθοδοι μετάδοσης Εμβέλεια εσωτερικών χώρων Σχόλιο GHz 0.9 Mbit/s 2 Mbit/s IR / FHSS / DSSS ~20 m Το κλασικό πρότυπο, τώρα σε αχρηστία b GHz 4.3 Mbit/s 11 Mbit/s DSSS ~38 m Το πλέον επιτυχές εμπορικά, καθιέρωσε αρχικά τον όρο WiFi a GHz 23 Mbit/s 54 Mbit/s OFDM ~35 m Άγνωστη εμπορική πορεία λόγω ασυμβατότητας με το b g GHz 19 Mbit/s 54 Mbit/s OFDM ~38 m Αντικαταστάτης του b με μεγάλη εμπορική επιτυχία Πίνακας 1.1.3:Πρωτόκολλα του IEEE τα οποία έχουν εμφανιστεί στην αγορά και σε ποιες μεθόδους μετάδοσης χρησιμοποιούνται. 1.2 Μέρη που απαρτίζουν το Α) Σταθμοί Τα δίκτυα είναι κατασκευασμένα για να μεταφέρονται δεδομένα μεταξύ των σταθμών. Οι σταθμοί είναι υπολογιστικές συσκευές με ασύρματες διεπαφές δικτύου. Συνήθως, οι σταθμοί λειτουργούν με μπαταρία ή φορητούς υπολογιστές χειρός. Δεν υπάρχει κανένας λόγος όμως οι σταθμοί να είναι φορητές υπολογιστικές συσκευές. Σε ορισμένα περιβάλλοντα η ασύρματη δικτύωση χρησιμοποιείται για να αποφευχθεί το τράβηγμα νέου καλωδίου και οι επιτραπέζιοι υπολογιστές συνδέονται με ασύρματα δίκτυα LAN. Ανοιχτοί χώροι μπορούν επίσης να επωφεληθούν από ασύρματη δικτύωση. Το είναι όλο και περισσότερο ένα de facto πρότυπο για τη σύνδεση ηλεκτρονικών ειδών ευρείας κατανάλωσης. Για παράδειγμα η AirPort της Apple Express 11

12 συνδέει υπολογιστές με στερεοφωνικά μέσω του και η TiVos μπορεί να συνδεθεί σε ασύρματα δίκτυα. Πολλές εταιρείες ηλεκτρονικών ειδών ευρείας κατανάλωσης έχουν προσχωρήσει στην , προφανώς με την πρόθεση να επιτρέπεται η υψηλής ταχύτητας μεταφορά δεδομένων μέσω του Β) Σημεία πρόσβασης Τα πλαίσια, για ένα δίκτυο , πρέπει να μετατρέπονται σε άλλο τύπο πλαισίου για την παράδοση στον υπόλοιπο κόσμο. Συσκευές που ονομάζονται σημεία πρόσβασης, εκτελούν την ασύρματη-σε-ενσύρματη λειτουργία γέφυρας. (Τα σημεία πρόσβασης εκτελούν μια σειρά από άλλες λειτουργίες, αλλά η γεφύρωση είναι μακράν η πιο σημαντική.) Αρχικά, οι λειτουργίες του σημείου πρόσβασης τέθηκαν σε αυτόνομες συσκευές. Τέλος πολλά προϊόντα νέας γενιάς είναι η διαίρεση του πρωτοκόλλου μεταξύ των σημείων πρόσβασης και των ελεγκτών AP. Γ) Ασύρματο μέσο Για να μετακινηθούν τα πλαίσια από σταθμό σε σταθμό, το πρότυπο χρησιμοποιεί ένα ασύρματο μέσο. Η αρχιτεκτονική επιτρέπει πολλαπλά φυσικά επίπεδα που μπορούν να αναπτυχθούν για την υποστήριξη του MAC. Αρχικά, δύο ραδιοσυχνότητες (RF) φυσικού επιπέδου και ένα υπέρυθρο φυσικό επίπεδο ήταν τυποποιημένα, αν και έχουν αποδειχθεί τα επίπεδα RF πολύ πιο δημοφιλή. Αρκετά επιπλέον επίπεδα RF έχουν τυποποιηθεί επίσης. Δ) Δίκτυο διανομής Όταν τα διάφορα σημεία πρόσβασης συνδέονται για να σχηματίσουν μια μεγάλη περιοχή κάλυψης θα πρέπει να επικοινωνούν μεταξύ τους για την παρακολούθηση των κινήσεων των κινητών σταθμών. Το σύστημα διανομής είναι το λογικό συστατικό του που χρησιμοποιείται για να διαβιβάσει τα πλαίσια στον προορισμό τους. Το δεν προσδιορίζει κάποια συγκεκριμένη τεχνολογία για το σύστημα διανομής. Στα περισσότερα εμπορικά προϊόντα το σύστημα διανομής υλοποιείται ως συνδυασμός μιας γέφυρας και ενός μέσου συστήματος διανομής, το οποίο αποτελεί το δίκτυο κορμού που χρησιμοποιείται για την αναμετάδοση πλαισίων μεταξύ των σημείων πρόσβασης. Συνήθως ονομάζεται απλώς δίκτυο κορμού. Σε όλα σχεδόν τα εμπορικά επιτυχημένα προϊόντα το Ethernet χρησιμοποιείται ως η τεχνολογία του δικτύου κορμού. [14] 12

13 Σχήμα 1.2.1: Μέρη του Τοπολογίες ασύρματων δικτύων Όπως είναι γνωστό, τα ασύρματα τοπικά δίκτυα επιτρέπουν στους σταθμούς εργασίας να επικοινωνούν μέσω μετάδοσης ραδιοκυμάτων. Το ασύρματο τοπικό δίκτυο μπορεί να είναι ήδη συνδεδεμένο σε ένα υπάρχον ενσύρματο τοπικό δίκτυο σαν επέκταση αυτού ή μπορεί να είναι η βάση για ένα νέο δίκτυο. Παρόλο που τα ασύρματα δίκτυα εφαρμόζονται και σε εσωτερικούς και σε εξωτερικούς χώρους, τα ασύρματα τοπικά δίκτυα ταιριάζουν ειδικότερα σε εσωτερικούς χώρους όπως γραφεία, ακαδημαϊκά ιδρύματα, ξενοδοχεία, νοσοκομεία κ.λ.π. Οι υπολογιστές χρησιμοποιούν ασύρματες κάρτες δικτύου για να συνδεθούν Independent Basic Service Set (IBSS) ή Ad hoc δίκτυα Ένα Ad-hoc δίκτυο ή αλλιώς IBSS μπορεί να δημιουργηθεί όταν συναντώνται άνθρωποι με φορητούς υπολογιστές (για παράδειγμα σε αίθουσα συσκέψεων, σε ένα τρένο ή σε ένα αυτοκίνητο) και θέλουν να ανταλλάξουν δεδομένα, ενώ δεν υπάρχει ένα κεντρικό AP. Δηλαδή, στα Ad-hoc ασύρματα τοπικά δίκτυα δεν υπάρχει κάποιος κεντρικός διανομέας ο οποίος αναλαμβάνει τη διασύνδεση των υπολογιστών. Αλλά οι υπολογιστές επικοινωνούν ο ένας με τον άλλο σε μια αυτόνομη οργάνωση η οποία δημιουργείται και καταργείται κατά βούληση χωρίς να υπάρχει μια μόνιμη κεντρική υποδομή (εικόνα 4). Υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον για την ad-hoc δικτύωση, καθώς οι φορητές συσκευές με δυνατότητα επικοινωνίας πολλαπλασιάζονται καθημερινά. 13

14 Σχήμα 1.3.1: Ad-hoc δίκτυo Basic Service Set (BSS) δίκτυα Η βασική μονάδα ενός ασύρματου τοπικού δικτύου είναι η κυψέλη γνωστή σαν βασικό σύνολο υπηρεσίας (Basic Service Set, BSS). Ένα BSS περιέχει τυπικά έναν ή περισσότερους ασύρματους σταθμούς και έναν κεντρικό σταθμό βάσης, γνωστό σαν σημείο πρόσβασης (access point, AP). Μέσω του AP (του κεντρικού ασύρματου διανομέα) επιτυγχάνεται η επικοινωνία μεταξύ των σταθμών (εικόνες 18 και 19). Ο διανομέας αυτός λειτουργεί όπως τα Hub ή Switch στα καλωδιακά δίκτυα Ethernet. Το Access Point μπορεί να είναι συνδεδεμένο ή όχι με καλώδιο σε ένα δίκτυο κορμού ώστε να προωθεί την κίνηση των ασύρματων σταθμών. Στην περιοχή BSS λαμβάνει χώρα η ασύρματη επικοινωνία. Η περιοχή κάλυψης μιας κυψέλης εξαρτάται από την ισχύ του μεταδιδόμενου σήματος και του τύπου και της κατασκευής των τοίχων, των χωρισμάτων και άλλων φυσικών χαρακτηριστικών του εσωτερικού χώρου. Όλοι οι ασύρματοι σταθμοί εργασίας μπορούν να μετακινούνται ελεύθερα μέσα στην κυψέλη. Κάθε σταθμός στην κυψέλη χρησιμοποιεί ένα μοναδικό αναγνωριστικό το οποίο ονομάζεται SSID (Service Set Identifier) για την επικοινωνία και το οποίο ορίζεται στο Access Point από τον διαχειριστή του δικτύου. Οι σταθμοί πρέπει να γνωρίζουν το SSID του δικτύου για να συνδεθούν. Σε πολλές περιπτώσεις, όπως σε οικιακά ασύρματα δίκτυα, το Access Point μπορεί να συνδέεται απευθείας στο Internet μέσω συνήθως xdsl συνδέσεων. Σε αυτή την περίπτωση το Access Point λειτουργεί σαν ένας ασύρματος δρομολογητής (wireless router) για τους σταθμούς που συνδέονται σε αυτόν (εικόνα 5 ). 14

15 Σχήμα 1.3.2: Basic Service Set (BSS) δίκτυο Extended Service Set (ESS) δίκτυα Στην περίπτωση που υπάρχουν πολλά BSS δίκτυα τα οποία συνδέονται με ένα ενσύρματο δίκτυο κορμού για να σχηματίσουν ένα ευρύτερο δίκτυο τότε η τοπολογία ονομάζεται ESS. Τα ESS δίκτυα χρησιμοποιούνται σε περιπτώσεις που ένα ad-hoc δίκτυο δεν επαρκεί για να καλύψει τις ανάγκες δικτύωσης. Σε αυτά τα δίκτυα μπορεί να υπάρχουν και συσκευές οι οποίες ονομάζονται ασύρματες γέφυρες (Wireless Bridge, εικόνα). Η ακτίνα κάλυψης του συστήματος μπορεί έτσι να αυξηθεί με την συνένωση πολλών σημείων ασύρματης ζεύξης (εικόνα 6). Σχήμα 1.3.3: Extended Service Set. 15

16 1.3.4 Hot Spots Το hotspot είναι ένα ασύρματο σημείο πρόσβασης στο internet. Στην πραγματικότητα, δεν είναι απλώς ένα σημείο, αλλά μια περιοχή η οποία καλύπτεται από συσκευές που επιτρέπουν και διαχειρίζονται την ασύρματη πρόσβαση των χρηστών στο internet. Ένα Hot Spot μπορεί να αποτελείται απλά από μια BSS τοπολογία με ασύρματο δρομολογητή που συνδέεται στο Internet ή να απλώνεται σε μεγαλύτερη έκταση με τη χρήση ESS τοπολογίας η οποία περιλαμβάνει και σύνδεση στο Internet (εικόνα ). Ένα hotspot μπορεί να έχει εμβέλεια από μερικά μέτρα και να φτάσει ακόμη και το ένα χιλιόμετρο κάλυψης, αν αυτό είναι επιθυμητό. Ένας χρήστης, εκμεταλλευόμενος τις δυνατότητες που του παρέχει η ασύρματη σύνδεση του με το hotspot, είναι σε θέση να πραγματοποιήσει στον υπολογιστή του οποιαδήποτε εργασία έχει σχέση με το internet σαν να ήταν στο σπίτι του ή στο γραφείο του.αυτό σημαίνει ότι ο χρήστης του hotspot μπορεί να το χρησιμοποιήσει για τις ακόλουθες εργασίες: Πλοήγηση στο Διαδίκτυο (web surfing). Ανταλλαγή αρχείων και online επικοινωνία μεταξύ των χρηστών. Πρόσβαση σε εφαρμογές πολυμεσικού περιεχομένου (multimedia), για τη λήψη εικόνων, διαδραστικού βίντεο και μουσικής. Λήψη ενημερωτικού ή εκπαιδευτικού περιεχομένου. Στους παραπάνω τρόπους δικτύωσης το πρωτόκολλο αναγνωρίζει τρείς τρόπους μετακίνησης: Απουσία μετακίνησης, που αναφέρεται όταν δεν μετακινούνται σταθμοί ή όταν οι σταθμοί μετακινούνται μέσα σε ένα τοπικό BSS. BSS μετακίνηση, όταν δηλαδή οι σταθμοί μετακινούνται από ένα BSS σε ένα άλλο BSS, πάντα μέσα στο ίδιο ESS. ESS μετακίνηση, όπου οι σταθμοί μετακινούνται από ένα BSS σε ένα άλλο BSS το οποίο όμως ανήκει σε ένα διαφορετικό ESS. Η μετακίνηση αυτή θα μπορούσαμε να πούμε ότι είναι λίγο «προβληματική» αφού το δεν εγγυάται τη διατήρηση της σύνδεσης όταν υπάρχει μετακίνηση μεταξύ διαφορετικών ESS, ωστόσο υποστηρίζει ξεκάθαρα την απουσία μετακίνησης και την BSS μετακίνηση. 16

17 2 TCP 2.1 Τι είναι το TCP To πρωτόκολλο TCP (transmission Control Protocol) είναι το κυρίαρχο πρωτόκολλο μεταφοράς στο Διαδίκτυο. Οι κυριότερες λειτουργίες του είναι η εγκαθίδρυση και ο τερματισμός σύνδεσης (Connection establishment /termination), η αξιόπιστη μεταφορά δεδομένων με επαναμεταφορά (Retransmission) και επαναταξινόμηση των εκτός σειράς πακέτων (packet reordering), ο έλεγχος ροής (Flow Control) και ο έλεγχος και η αποφυγή συμφόρησης (Congestion avoidance). 2.2 Κεφαλίδα (header) του TCP Τα πακέτα του πρωτοκόλλου TCP καλούνται segments (τομείς). Ένα από τα κυριότερα μέρη ενός segment είναι η TCP επικεφαλίδα (TCP header), η οποία παρέχει συγκεκριμένες πληροφορίες για το πρωτόκολλο TCP. Το ελάχιστο μέγεθος της επικεφαλίδας είναι 5 words και το μέγιστο 15 words (απουσία ή παρουσία όλων των επιλογών αντίστοιχα). TCP επικεφαλίδα + Bits Θύρα προέλευσης Θύρα προορισμού 32 Αριθμός ακολουθίας 64 Αριθμός επιβεβαίωσης 96 Μήκος κεφαλίδας Κρατημένα bit Σημαίες Μέγεθος παραθύρου 128 Άθροισμα ελέγχου Δείκτης επειγόντων 160 Επιλογές ( 0 ή περισσότερες 32μπιτες λέξεις) 160/192+ Δεδομένα ( προαιρετικά) Σχήμα 2.2.1: Η κεφαλίδα του TCP Σημαία Σημασία Προέλευση ακολουθίας URG Το πεδίο δείκτης επειγόντων είναι URGent σημαντικό ACK Το πεδίο επιβεβαίωσης είναι σημαντικό ACKnoweledgment PSH Λειτουργία ώθησης PuSH RST Επαναρύθμιση σύνδεσης ReSeT SYN Συγχρονισμός αριθμών ακολουθίας SYNchronize FIN Ο αποστολέας δεν στέλνει άλλα δεδομένα FIN (= τέλος) Πίνακας 2.2.2: Τα πεδία του TCP 17

18 2.3 Έναρξη σύνδεσης (Τριμερής χειραψία / 3-way handshake) Πριν να προσπαθήσει ένα πρόγραμμα-πελάτης (client) να συνδεθεί με έναν αποστολέα (server), ο αποστολέας πρέπει πρώτα να δεσμεύσει μια θύρα και να την ανοίξει ώστε να δέχεται συνδέσεις, αυτό καλείται παθητικό άνοιγμα ( passive open). Όταν γίνει αυτό, ο πελάτης μπορεί να αρχίσει τη σύνδεση, αυτό καλείται ενεργό άνοιγμα (active open). Για να γίνει μια σύνδεση, γίνεται μια "χειραψία" ανάμεσα στα συμμετέχοντα μέρη, η λεγόμενη τριμερής χειραψ Σχήμα 2.3.1: Έναρξη της σύνδεσης με 3-way handshake Έναρξη της σύνδεσης με τριμερής χειραψία : Αρχικά αποστέλλεται ένα πακέτο με το SYN bit ενεργοποιημένο. Ο πελάτης θέτει το πεδίο αριθμού ακολουθίας στην TCP επικεφαλίδα (TCP header) στον αρχικό αριθμό ακολουθίας του (ISN - initial sequence number). O αποστολέας στο άλλο άκρο απαντάει, είτε με συγχρονισμό αριθμών ακολουθίας SYN (για να στείλει και το δικό του ISN) και ACK (που έχει το ISN+1 του πελάτη) του πρώτου πακέτου του πελάτη για να αποδεχτεί τη 18

19 σύνδεση ή συγχρονισμό αριθμών ακολουθίας/ Επαναρύθμιση σύνδεσης (SYN/RST) για να ενημερώσει τον πελάτη ότι αρνείται τη σύνδεση και η διαδικασία σταματά. Όταν ο client πάρει ένα πακέτο SYN/ACK απαντάει, αυτή τη φορά, με ένα πακέτο ACK. Σε αυτό το σημείο, τα δύο μέρη συνδέονται και μπορούν πλέον να σταλούν τα δεδομένα.κατά τη διάρκεια της τριμερούς χειραψίας, τα δύο μέρη διαπραγματεύονται επίσης όλες τις ειδικές επιλογές που θα χρησιμοποιηθούν κατά τη διάρκεια της σύνδεσης TCP, όπως ECN κ.α Τερματισμός σύνδεσης Η σύνδεση τερματίζεται με μια τετραμερής χειραψία (4-way handshake), με την κάθε πλευρά να τερματίζει ανεξάρτητα: Όταν κάποιο άκρο επιθυμεί να κλείσει τη σύνδεση από πλευράς του, στέλνει ένα πακέτο με το FIN ενεργοποιημένο. Tο πακέτο αυτό επιβεβαιώνει η άλλη πλευρά με ένα ACK και στη συνέχεια, στέλνει το ένα πακέτο FIN. Η πλευρά που ξεκίνησε τον τερματισμό, μπορεί να το επιβεβαιώσει στέλνοντας ένα πακέτο ACK. Με αυτόν τον τρόπο, για έναν τυπικό τερματισμό χρειάζεται ένα ζεύγος πακέτων FIN και ACK για κάθε άκρο στη σύνδεση TCP. Μια σύνδεση μπορεί να είναι "half-open", δηλαδή η μία πλευρά να έχει τερματίσει, όχι όμως και η άλλη. Η πλευρά που έχει τερματίσει δεν μπορεί να στείλει πλέον δεδομένα, ενώ η άλλη μπορεί. Τέλος, είναι δυνατό, αν και λιγότερο πιθανό, οι δύο υπολογιστές να στείλουν ταυτόχρονα ένα πακέτο FIN ο ένας στον άλλο. Στη συνέχεια ο καθένας επιβεβαιώνει το FIN που δέχτηκε με ένα πακέτο ACK. Στο σημείο αυτό και οι δύο διακόπτουν τη σύνδεση. 2.4 Μεταφορά δεδομένων Μόλις ανταλλαχθούν οι αρχικοί αριθμοί ακολουθίας (ISNs), οι εφαρμογές μπορούν να διαβιβάσουν δεδομένα η μια στην άλλη. H ανάλυση του τρόπου με τον οποίο γίνεται η μεταφορά δεδομένων, απαιτεί εξέταση για τον έλεγχο ροής (flow control) και τις τεχνικές ελέγχου συμφόρησης (congestion avoidance). Σε μια απλή υλοποίηση του TCP, χωρίς τους προαναφερθέντες ελέγχους,η εφαρμογή θα στείλει πακέτα στο δίκτυο προς τον παραλήπτη, εφ'όσον υπάρχουν δεδομένα να σταλούν και εφ' όσον ο αποστολέας δεν υπερβαίνει το παράθυρο που του έχει υποδείξει ο παραλήπτης. Όταν ο παραλήπτης δέχεται πακέτα TCP, στέλνει επιβεβαιώσεις (acknowledgement), δείχνοντας σε ποιο σημείο του ρεύματος από byte (byte stream) βρίσκεται. Αυτές οι επιβεβαιώσεις περιέχουν επίσης το επόμενο window (παράθυρο) που καθορίζει πόσα byte επιθυμεί να δεχτεί στη συνέχεια ο παραλήπτης. 19

20 Εάν ορισμένα δεδομένα αναπαράγονται ή χάνονται, μπορεί να δημιουργηθεί ένα κενό στο ρεύμα από byte (byte stream). Ο παραλήπτης θα συνεχίσει να επιβεβαιώνει την νεότερη θέση που βρίσκεται, στο ρεύμα από byte που έχει δεχτεί. Εάν δεν υπάρχουν δεδομένα για να σταλούν, ο αποστολέας θα βρίσκεται σε αδράνεια αναμένοντας την εφαρμογή να βάλει δεδομένα στο byte stream ή να παραλάβει δεδομένα από το άλλο άκρο της σύνδεσης. 2.5 Έλεγχος ροής Ο έλεγχος ροής απαιτεί την επιβεβαίωση λήψης (acknowledgment) κάθε πακέτου από τον απόμακρο host πριν να σταλεί το επόμενο. Οι αλγόριθμοι για το sliding window, που χρησιμοποιούνται από το TCP, επιτρέπουν σε πολλαπλά πακέτα δεδομένων να μεταφέρονται ταυτόχρονα για να χρησιμοποιείται αποδοτικότερα το bandwidth (εύρος ζώνης) ενός δικτύου. 2.6 Έλεγχος συμφόρησης Αν και το TCP συνήθως δεν ενδιαφέρεται για όσα συμβαίνουν στο διαδίκτυο (αυτό είναι εργασία που εκτελείται από IP protocol στο 3ο επίπεδο του μοντέλου OSI) πρέπει να είναι αρκετά "έξυπνο", ώστε να αντιληφθεί και να χειριστεί κατάλληλα μια συμφόρηση στο δίκτυο. Το TCP δεν μπορεί να αγνοήσει τι συμβαίνει στο διαδίκτυο μεταξύ των δύο συνδεδεμένων άκρων. Για αυτόν τον λόγο, το TCP περιλαμβάνει διάφορους συγκεκριμένους αλγορίθμους που έχουν ως σκοπό είτε να αποφύγουν εξ αρχής τη συμφόρηση, είτε να αποκριθούν σε αυτή. Χρησιμοποιούνται διάφοροι μηχανισμοί για να επιτευχθεί υψηλή απόδοση και να μην υπερφορτωθεί το δίκτυο. Αυτοί οι μηχανισμοί περιλαμβάνουν τον αλγόριθμο αργής εκκίνησης (slow-start), τον αλγόριθμο αποφυγής συμφόρησης (congestion avoidance), τον αλγόριθμο γρήγορης επαναμεταφοράς (fast retransmit) και τον αλγόριθμο γρήγορης ανάκαμψης (fast recovery) Αργή εκκίνηση (Slow-start) Εάν ο αποστολέας έστελνε πολλαπλά πακέτα από την αρχή της επικοινωνίας είναι πολύ πιθανόν ότι αυτό θα οδηγούσε πολύ γρήγορα τους καταχωρητές των δρομολογητών σε υπερχείλιση και το δίκτυο σε συμφόρηση. Ο μηχανισμός slow start προσθέτει ένα ακόμη παράθυρο στον αποστολέα: το παράθυρο συμφόρησης (congestion window). Για την αποφυγή της συμφόρησης στην αρχή της επικοινωνίας ο αποστολέας ξεκινάει στέλνοντας ένα πακέτο (cwnd=1), και για κάθε ACK που 20

21 παραλαμβάνεται αυξάνει το παράθυρο συμφόρησης κατά 1 πακέτο (cwnd = 2). Όταν παραληφθούν 2 ΑCK, το παράθυρο συμφόρησης αυξάνεται σε 4, κοκ, δηλαδή το cwnd διπλασιάζεται κάθε φορά που λαμβάνονται όλες οι επιβεβαίωσεις για τα πακέτα του προηγούμενου cwnd.με τον τρόπο αυτό η ροή των δεδομένων που στέλνεται στο δίκτυο αυξάνεται εκθετικά, με ρυθμό που καθορίζεται από το ρυθμό παραλαβής των ACK, για τη γρήγορη ανίχνευση της χωρητικότητας του καναλιού Αποφυγή συμφόρησης (Congestion Avoidance) Λόγω της εκθετικής αύξησης της ροής των δεδομένων με την «αργή εκκίνηση», είναι βέβαιο ότι κάποια στιγμή οι καταχωρητές των ενδιάμεσων δρομολογητών θα αρχίσουν να χάνουν πακέτα και έτσι θα προκληθεί συμφόρηση στο δίκτυο. Για την αποφυγή της συμφόρησης του δικτύου κρίνεται αναγκαίο να μειωθεί ο ρυθμός αύξησης των δεδομένων από ένα οριακό σημείο και μετά. Το σημείο αυτό ονομάζεται όριο αργού ξεκινήματος (slow start threshold- ssthresh) και η υπέρβασή του σηματοδοτεί τη μετάβαση από την εκθετική αύξηση της ροής των δεδομένων στην προσθετική. Αναλυτικά ο αλγόριθμος λειτουργεί ως εξής: Αρχικά τίθεται το cwnd σε 1 και το ssthresh σε και εφαρμόζεται η αργή εκκίνηση (slow start), δηλαδή ο ρυθμός αύξησης των δεδομένων είναι εκθετικός - για κάθε επιβεβαίωση που λαμβάνεται, το cwnd αυξάνεται κατά 1. Όταν συμβεί συμφόρηση που επισημαίνεται με τη λήξη του χρονικού περιθωρίου -RTO, τότε το όριο αργού ξεκινήματος τίθεται ίσο με το μισό του τρέχοντος μεγέθους του παραθύρου (ssthresh = cwnd /2) και το cwnd ίσο με 1. Στη συνέχεια για κάθε λαμβανόμενη επιβεβαίωση το cwnd αυξάνεται εκθετικά (slow start) για όσο διάστημα είναι μικρότερο ή ίσο με το sshthresh. Όταν το cwnd γίνει μεγαλύτερο του ssthresh, τότε εφαρμόζεται προσθετική αύξηση, δηλαδή το παράθυρο συμφόρησης αυξάνεται κατά 1/cwnd για κάθε ACK που λαμβάνεται. Με αυτόν τον τρόπο τελικά το cwnd αυξάνεται κατά 1 σε κάθε Round-trip time σε αντίθεση με την αργή εκκίνηση όπου αυξάνεται σύμφωνα με των αριθμό των ACKs που λαμβάνονται σε κάθε RTT Γρήγορη επαναμεταφορά (fast retransmit) To ΤCP στέλνει ένα ενδιάμεσο ACK (douplicate ACK- DACK), όταν ληφθεί ένα πακέτο εκτός σειράς, προκειμένου να ειδοποιήσει τον αποστολέα με τον αριθμό ακολουθίας που αναμένεται Εκτός σειράς πακέτα λαμβάνονται είτε επειδή προέρχονται από διαφορετικές διαδρομές, είτε επειδή κάποιο ενδιάμεσο πακέτο χάθηκε λόγω συμφόρησης στο δίκτυο. Όταν ο αποστολέας παραλάβει 1 ή 2 DACKs θεωρεί ότι οφείλονται σε πακέτα που παραλήφθηκαν με διαφορετική σειρά και σε αυτήν την περίπτωση δεν κάνει τίποτα (ο παραλήπτης στη συνέχεια τα θέτει στη σωστή σειρά με βάση τον αριθμό ακολουθίας τους). Με την παραλαβή 3 DACKs θεωρεί ότι 21

22 τα πακέτο χάθηκε λόγω συμφόρησης. Δεδομένου όμως ότι το δίκτυο δε βρίσκεται σε συνθήκες καταστροφικής συμφόρησης (ο αποστολέας εξακολουθεί να λαμβάνει DACK πακέτα), το ξαναστέλνει αμέσως, δηλαδή πριν τη λήξη του χρονικού περιθωρίου. Το ΤCP Tahoe εφαρμόζει αργό ξεκίνημα, αποφυγή συμφόρησης, γρήγορη επαναμεταφορά (με την παραλαβή 3 DACK) και αμέσως μετά αργό ξεκίνημα (slow-start) Γρήγορη Ανάκαμψη (Fast Recovery) Η λήψη ενδιάμεσων επιβεβαιώσεων (Duplicate ACKs), είναι μια ένδειξη περιορισμένης συμφόρησης στο δίκτυο, εφόσον πακέτα εξακολουθούν να διακινούνται.επομένως κρίνεται υπερβολική μια τόσο μεγάλη μείωση της ροής των δεδομένων όπως συμβαίνει στο μηχανισμό fast start, όπου τίθεται το cwnd = 1. Αντιθέτως κρίνεται αρκετό να μειωθεί το παράθυρο συμφόρησης στο μισό της προηγούμενης τιμής και να συνεχίσουν να στέλνονται πακέτα όσο λαμβάνονται DACKs. Αναλυτικά ο αλγόριθμος λειτουργεί ως εξής : Όταν λαμβάνεται το 3ο DACK το SSTHRESH τίθεται στο μισό του παραθύρου συμφόρησης (cwnd), ενώ το νέο παράθυρο συμφόρησης τίθεται ίσο με: Cwnd = SSTHRESH +3 x Packet και το χαμένο πακέτο ξαναστέλνεται (fast retransmit) αυτό είναι το πρώτο βήμα. Κάθε φορά που παραλαμβάνεται ένα DACK το cwnd αυξάνεται κατά 1 και αποστέλλεται ένα πακέτο, εάν αυτό επιτρέπεται από τη νέα τιμή του cwnd. Όταν παραληφθεί επιβεβαίωση (ΑCK) για νέο πακέτο, τότε το cwnd παίρνει την τιμή του SSTHRESH που υπολογίστηκε στο βήμα 1 και εξέρχεται από τη Γρήγορη Ανάκαμψη. Για κάθε νέο ΑCK που λαμβάνει, ο αλγόριθμος συνεχίζει με προσθετική αύξηση (αποφυγή συμφόρησης) Χρονικό διάστημα επαναποστολής (Retransmission Timeout) To TCP θέτει ένα χρονικό διάστημα επαναποστολής ως συνάρτηση του εκτιμούμενου Round-Trip-Time (RTT). Το Round-Trip-Time (RTT) δεν είναι σταθερό, αλλά αλλάζει δυναμικά ανάλογα με την κατάσταση που επικρατεί στο δίκτυο. Ο αποστολέας μετράει διαρκώς τον RTT, υπολογίζοντας το χρόνο από τη στιγμή που στέλνει ένα πακέτο, έως τη στιγμή που λαμβάνει το ACK για το πακέτο αυτό. Το χρονικό διάστημα επαναποστολής (Retransmission Timeout - RTO) υπολογίζεται και επαναπροσδιορίζεται διαρκώς βάση των μετρήσεων του RTT (αλγόριθμος Jacobson /Karels). 22

23 2.7 TCP Reno Το TCP Reno είναι το πρωτόκολλο στο οποίο λαμβάνουν χώρα σχεδόν όλοι οι μηχανισμοί συμφόρησης του TCP. Ο Αλγόριθμος συμφόρησης RENO αλλάζει το παράθυρο συμφόρησης βασιζόμενος στα χαμένα πακέτα κατά τη διάρκεια της σύνδεσης. Ήταν ο πρώτος αλγόριθμος που αναπτύχθηκε και πολύ άλλοι όπως ο BIC αποτελούν παραλλαγές του. Ο Αλγόριθμος RENO λειτουργεί σε δύο στάδια. Το πρώτο στάδιο είναι η γνωστή μας αργή εκκίνηση ( slow start) στο οποίο εισέρχεται ο αλγόριθμος κατά την έναρξη της σύνδεσης ή μετά την λήξη του χρονομετρητή αναμετάδοσης. Το αρχικό παράθυρο συμφόρησης έχει μέγεθος ίσο με δύο MSS ( MAXIMUM SEQMENT SIZE). Για κάθε πακέτο που επαληθεύεται το παράθυρο συμφόρησης αυξάνεται κατά ένα MSS έτσι ώστε για κάθε χρόνο RTT το παράθυρο να διπλασιάζεται. Όταν το μέγεθος παραθύρου ξεπεράσεις ένα όριο που ονομάζεται ssthresh ο αλγόριθμος εισέρχεται στο δεύτερο στάδιο που ονομάζεται congestion avoidance (αποφυγή συμφόρησης). Στο στάδιο της αποφυγής όσο δεν λαμβάνουμε διπλές επαληθεύσεις το παράθυρο συμφόρησης αυξάνεται συντηρητικά κατά ένα MSS για κάθε χρόνο RTT. Όταν χάνεται κάποιο πακέτο λαμβάνονται διπλές επαληθεύσεις. Αν ληφθούν τρεις διπλές επαληθεύσεις τότε ο RENO μειώνει στο μισό το παράθυρο συμφόρησης και ξαναστέλνει το χαμένο πακέτο με την διαδικασία της γρήγορης αναμετάδοσης ( fast retransmit). Αν και πάλι δεν υπάρξει επαλήθευση τότε επιστρέφει στην διαδικασία της αργής εκκίνησης. Σχήμα 2.7.1: Η συνάρτηση του παραθύρου συμφόρησης του αλγορίθμου RENO. 23

24 Slow Start (cwnd < ssthresh) Congestion Avoidance (cwnd ssthresh) cwnd=1; ssthresh=flightsize non dupack cwnd = cwnd + 1 non dupack cwnd = cwnd + 1 third dupack go to Fast Retransmit Fast Retransmit ssthresh = max (FlightSize/2, 2); retransmit only the lost packet cwnd = ssthresh + 3 MSS; go to Fast Recovery Fast Recovery dupack cwnd = cwnd + 1; send a new segment if allowed by the new cwnd value and the rwnd non dupack cwnd = ssthresh; go to Congestion Avoidance Retransmission Timeout (RTO cwnd=1; ssthresh = FlightSize/2; go to Slow Start Πίνακας 2.7.2: Αλγόριθμοι Ελέγχου Συμφόρησης του TCP Reno 3 Λάθη στα ασύρματα δίκτυα Σε αυτό το κεφάλαιο θα περιγράψουμε λάθη που επηρεάζουν την απόδοση των ασύρματων δικτύων καθώς και κάποια προβλήματα του TCP στα ασύρματα δίκτυα. 3.1 Απόδοση των ασύρματων δικτύων. Τα ασύρματα δίκτυα χαρακτηρίζονται από τυχαίες απώλειες υψηλού ρυθμού. Τα ασύρματα δίκτυα ( WLANs) είναι σε θέση να παρέχουν ικανό εύρος ζώνης αλλά ακόμη δεν έχουν αντικαταστήσει πλήρως τα ενσύρματα δίκτυα. Τα ασύρματα δίκτυα έχουν κάποια χαρακτηριστικά που επηρεάζουν την απόδοση τους. Η καθυστέρηση μετάδοσης δίνεται από τη διαίρεση του μεγέθους των στοιχείων και από τη ταχύτητα μετάδοσης της σύνδεσης, συν μια σταθερά καθυστέρησης διάδοσης ( ο χρόνος που το σήμα κάνει να διασχίσει τη σύνδεση). Ενσύρματες και ασύρματες συνδέσεις έχουν παρόμοιες καθυστερήσεις διάδοσης. Ακόμη στις ασύρματες συνδέσεις έχουμε πολλά και τυχαία λάθη που κυρίως εξαρτώνται από εξωτερικές πηγές. Τα δίκτυα κινητών επικοινωνιών επηρεάζονται από τις ατμοσφαιρικές συνθήκες και από επίγεια εμπόδια τα οποία εξασθενούν το σήμα. Τα τυχαία λάθη είναι δύσκολο να αντιμετωπιστούν με κωδικοποίηση γιατί οι συνθήκες στο φυσικό επίπεδο συνεχώς αλλάζουν. Τα ασύρματα δίκτυα έχουν στηριχθεί στα πρωτόκολλα που είχαν σχεδιαστεί για τα ενσύρματα δίκτυα. Για το λόγω αυτό 24

25 δημιουργείται πρόβλημα στην απόδοση όταν πρέπει να επικοινωνήσουν ασύρματα και ενσύρματα δίκτυα μεταξύ τους. Το TCP/IP σχεδιάστηκε για την διασύνδεση δικτύων υπολογιστών βασισμένων σε διαφορετικές τεχνολογίες. Βασικό χαρακτηριστικό του IP είναι η επικοινωνία δίχως σύνδεση και η παροχή υπηρεσίας βέλτιστης προσπάθειας χωρίς εγγυήσεις ποιότητας υπηρεσίας. Στο επίπεδο μεταφοράς παρουσιάζονται δύο πρωτόκολλα. Το πρώτο είναι το UDP που δεν παρέχει καμιά εγγύηση για τη σωστή παραλαβή των δεδομένων από το δέκτη ή για το χρόνο μετάδοσης. Και το TCP που εγγυάται τη σωστή παραλαβή των δεδομένων αλλά δεν εγγυάται για τη διάρκεια και το ρυθμό μετάδοσης. Το TCP χρησιμοποιεί μηχανισμούς ελέγχου ροής της συμφόρησης που βάζουν περιορισμούς στο ρυθμό μετάδοσης του αποστολέα για την αποφυγή καταστάσεων συμφόρησης στο δίκτυο. 3.2 Προβλήματα του TCP στα ασύρματα δίκτυα Ο σχεδιασμός του TCP στα ασύρματα δίκτυα θα πρέπει να λάβει υπόψη του επιπλέον παραμέτρους σε σχέση με τα ενσύρματα δίκτυα, που προκύπτουν κυρίως λόγω του ασύρματου μέσου μεταφοράς της πληροφορίας και λόγω της φορητότητας (mobility) των συσκευών. Βασικά θέματα που πρέπει να ληφθούν υπόψη είναι : Τα λάθη μετάδοσης στο ασύρματο κανάλι. Η διαχείριση ενέργειας των ασύρματων συσκευών. Ασυμμετρία των ασύρματων καναλιών μεταξύ uplink και downlink. Λήψη πακέτων εκτός σειράς (packet re-ordering) Τα λάθη μετάδοσης στο ασύρματο κανάλι Συμβαίνουν συχνά καταιγισμοί λαθών ( error bursts) οφειλόμενοι σε χαμηλή ισχύ του σήματος ή σε θόρυβο. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να χάνονται περισσότερα από ένα πακέτα στο TCP παράθυρο. Πολλές φορές η καθυστέρηση είναι υψηλή και έχουμε υψηλό RTT. Όταν έχουμε απώλεια πακέτων λόγω θορύβου έχουμε timeout, μπαίνουμε στον έλεγχο συμφόρησης και έχουμε και αργή αύξηση του cwnd. Υπάρχουν δύο κατηγορίες λύσεων : πρώτον μπορούμε να δημιουργήσουμε ένα εντελώς καινούργιο πρωτόκολλο μεταφοράς αλλά είναι δύσκολη η ευρεία ανάπτυξη και εγκατάσταση του. Ακόμη θα πρέπει να είναι αποτελεσματικό και στα ενσύρματα δίκτυα και θα πρέπει να υλοποιεί αρκετό από τον έλεγχο ροής του TCP. Και δεύτερον μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε TCP διαχωριζόμενης σύνδεσης ( split-connection TCP) αλλά δεν συμβαδίζει με την end to end φύση του πρωτοκόλλου, η κατάσταση του σταθμού βάσης μπορεί να κάνει τα handoff αργά και χρειάζεται επιπλέον επεξεργασία TCP στο σταθμό βάσης. 25

26 Συμπεράσματα: Πρέπει να ασφαλιστεί ο αποστολέας από την ασύρματη φύση του συνδέσμου έτσι ώστε να μην αντιδράσει αναποτελεσματικά, να είναι ενήμερος για τα προβλήματα της ασύρματης επικοινωνίας για να αντιδράσει σωστά. Και να μην επιτραπεί η συρρίκνωση του παραθύρου συμφόρησης για να αποφεύγονται οι αχρείαστες επαναμεταδόσεις. Πιθανές λύσεις: Στο σταθμό βάσης να έχουμε πιθανή αποθήκευση ( caching) πακέτων, ανίχνευση και παρακράτηση όμοιων ACK και επαναμετάδοση όμοιων πακέτων τοπικά. Να έχουμε ρητή ειδοποίηση απώλειας, μελλοντικά ACK για το πακέτο να σημειώνονται έτσι ώστε να δείχνουν πως η απώλεια δεν οφείλεται σε συμφόρηση και ο αποστολέας να δέχεται διπλά ACK και να επαναμεταδίδει αλλά να μη χρησιμοποιεί διαδικασίες σχετικές με συμφόρηση. Και τέλος να έχουμε επαναμετάδοση στο πρώτο όμοιο ACK. [28] Διαχείριση ενέργειας Στα ασύρματα δίκτυα το σύνολο των συσκευών που συνδέονται σε αυτά (notebooks, personal digital assistants (PDAs), κινητά τηλέφωνα, αισθητήρες) αναπόφευκτα λειτουργούν με παροχή ισχύος από μπαταρίες. Η τεχνολογία των μπαταριών υπολείπεται σε σχέση με την αντίστοιχη στο τομέα των τηλεπικοινωνιών. Το γεγονός αυτό οδηγεί στη προσπάθεια σχεδιασμού ενεργό-αποδοτικού υλικού και λογισμικού που θα επεκτείνει το χρόνο ζωής των δικτυακών συσκευών και κατά επέκταση και του δικτύου (σαν χρόνο ζωής ενός ασύρματου ad hoc δικτύου θεωρούμε τον χρόνο μέχρι να εξαντληθεί η ενέργεια σε οποιονδήποτε κόμβο). Για να επιτευχθεί χαμηλή κατανάλωση ενέργειας χρησιμοποιούνται τα πρωτόκολλα εξοικονόμησης ενέργειας τα οποία χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: Στα transmitter power control όπου κάθε κόμβος προσαρμόζει την ισχύ μετάδοσής του προς τους υπόλοιπους. Αυτό είχε ως συνέπεια, εκτός από τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας και τη μείωση της παρεμβολής, την αλλαγή με δυναμικό τρόπο της τοπολογίας του δικτύου. Ένα επιπλέον πλεονέκτημα είναι και η αύξηση του εύρους ζώνης του δικτύου. Στα Power managements όπου αναπτύσσονται αλγόριθμοι είτε στο MAC, είτε στο network, είτε σε υψηλότερα επίπεδα, οι οποίοι έχουν ως στόχο την καλύτερη διαχείριση της ενέργειας. 26

27 Εικόνα 3.2.1: Μέθοδοι Διαχείρισης Ενέργειας Η ενεργό-αποδοτικότητα μπορεί να προσεγγιστεί με λύσεις σε διάφορα επίπεδα. Σε πρώτο επίπεδο (όπως φαίνεται στην εικόνα ) μπορούμε να τη διαχωρίσουμε στις λύσεις που λαμβάνουν υπόψην τους μόνο τον κόμβο. Στη περίπτωση αυτή αναζητούνται λύσεις βέλτιστης διαχείρισης της ενέργειας στα μέρη του λογισμικού και του υλικού που αποτελούν τον κάθε κόμβο, καθώς και στο τομέα της μπαταρίας. Στο τομέα του υλικού, εξετάζονται τρόποι όπου τα μηχανικά μέρη όπως η CPU, μνήμες, κεραίες, κάρτες διεπαφής με το δίκτυο κ.ά να καταναλώνουν όσο λιγότερη ενέργεια είναι δυνατόν και σε εκείνες που λαμβάνουν υπόψη τους το δίκτυο, τον τρόπο δηλαδή με τον οποίο οι κόμβοι του δικτύου αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Οι λειτουργίες των κινητών συσκευών πρέπει να στοχεύουν στην μείωση της κατανάλωσης ενέργειας. Αναλύονται οι βασικές λειτουργίες του TCP και υπολογίζεται η συνολική ενέργεια που καταναλώνεται από το πρωτόκολλο. Εστιάζουμε στον κόμβο ισόπεδου κόστους του πρωτοκόλλου TCP και λαμβάνουμε μια διακοπή του ενεργειακού κόστους των διαφορετικών λειτουργιών του TCP. Αναλύουμε την κατανάλωση ενέργειας του TCP σε δύο πλατφόρμες ( lap-top και ipaq) και τρία λειτουργικά συστήματα ( freebsd 4.2,5 και linux 4.2.7). τα αποτελέσματα μας δείχνουν ότι το 60%-70% του ενεργειακού κόστους ( για την μετάδοση ή την υποδοχή ) αποτελείται από την λειτουργία αντιγράφων πυρήνων NIC ( κάρτα διεπαφών δικτύων ). Από το υπόλοιπο, ~15% αποτελείται από τη λειτουργία αντιγράφων από το διάστημα χρηστών στο διάστημα πυρήνων με το υπόλοιπο 15% που αποτελείται από τις δαπάνες επεξεργασίας TCP. Έπειτα περαιτέρω αναλύουμε το κόστος επεξεργασίας TCP 15% και δείχνουμε ότι το κόστος checksums αποτελεί 20%-30% του κόστους επεξεργασίας TCP.Τέλος καθορίζουμε και τις δαπάνες επεξεργασίας δύο αρχικών λειτουργιών TCP του timeout και των τριών 27

28 duplicate ACKs. Η κατανάλωση ενέργειας είναι αντιστρόφως της απόδοσης του πρωτοκόλλου μεταφοράς. [31] Τι είναι η ασυμμετρία και σε ποια δίκτυα συναντάται κυρίως Ο όρος «Αsymmetric» δηλώνει την ασυμμετρία που χαρακτηρίζει το ρυθμό μετάδοσης δεδομένων σε σχέση με το ρυθμό λήψης δεδομένων. Ασύμμετρα χαρακτηριστικά παρατηρήθηκαν σε αρκετά δίκτυα όπως: στα καλωδιακά δίκτυα (π.χ. DOCSIS καλωδιακή τηλεόραση και στα δίκτυα [DS00, DS01]),στα απευθείας μετάδοσης μέσω δορυφόρου, στα Very Small Aperture Satellite Terminals (VSAT), στα Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) [ITU02, ANS01], και σε πολλά ραδιοφωνικά δίκτυα πακέτων. Οι επιπτώσεις της ασυμμετρίας στην απόδοση του TCP γίνεται με τους εξής τρόπους: Με την ασυμμετρία του εύρους ζώνης, με τις αλληλεπιδράσεις του πρωτοκόλλου MAC, με την αμφίδρομη κυκλοφορία, με τις μπροστινές απώλειες πακέτων πορειών λόγω των λαθών συνδέσεων ΑΣΥΜΜΕΤΡΙΑ ΣΥΝΔΕΣΕΩΝ ΣΕ ΔΙΚΤΥΑ Στα δίκτυα έχουμε φαινόμενα ασυμμετρίας.το access point και ο σταθμός έχουν διαφορετική ικανότητα μετάδοσης και λήψης καθώς και διαφορετικές εφαρμογές υλικού και λογισμικού. Για την ασυμμετρία των συνδέσεων μετράμε τον ρυθμό μετάδοσης και λήψης δεδομένων FLR ( Frame Loss Ratio). [29] ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΑΣΥΜΜΕΤΡΙΑΣ ΣΤΟ Οι περισσότερες εφαρμογές χρησιμοποιούν μια ενιαία ώθηση που μετρά την ποιότητα σε μια κατεύθυνση μετάδοσης. Εάν ένας σταθμός χρησιμοποιεί παθητική ανίχνευση θα έχει μόνο την ποιότητα της λήψης δεδομένων για την απόφαση handoff. Tέλος το αναγνωριστικό σήμα του access point μπορεί να ακουστεί από το σταθμό, ενώ η μετάδοση του σταθμού δε μπορεί να παραληφθεί από το access point, αυτό θα οδηγήσει σε timeout και σε μακροχρόνια καθυστέρηση στη φάση της επανασύνδεσης. Όλα τα παραπάνω έχουν σαν αποτέλεσμα ένας σταθμός να εξετάζει ενεργά και νωρίς τα άλλα κανάλια και όταν έχει όλες τις ενημερωμένες πληροφορίες να πηγαίνει στη φάση της επανασύνδεσης και η βασισμένη ώθηση να καλύπτει την ποιότητα αποστολής και λήψης και να αντιμετωπίζει το ζήτημα της ασυμμετρίας συνδέσεων. [16] 28

29 3.2.4 Λήψη πακέτων εκτός σειράς (packet re-ordering) Η λήψη πακέτων εκτός σειράς μπορεί να παρατηρηθεί τόσο στα ενσύρματα όσο και στα ασύρματα δίκτυα.το packet re-ordering αφορά την παραλαβή πακέτων γνωστών χαρακτηριστικών από τον κόμβο προορισμού εκτός της αναμενόμενης σειράς, δηλαδή εκτός της σειράς αποστολής των πακέτων από τον κόμβο πηγής. Η αναδιάταξη της σειράς των πακέτων IP (packet re-ordering) μέσα στο δίκτυο προκαλεί προβλήματα σε εφαρμογές που βασίζονται στο πρωτόκολλο μεταφοράς TCP. Η λήψη πακέτων IP εκτός σειράς δηλαδή όταν ένα πακέτο IP καθυστερήσει να ληφθεί από τον κόμβο προορισμού σε σχέση με πακέτα IP που στάλθηκαν χρονικά αργότερα από τον κόμβο αποστολής, έχει ως αποτέλεσμα την ενεργοποίηση μηχανισμού αποφυγής συμφόρησης (congestion avoidance) του πρωτοκόλλου TCP. Η λήψη πακέτων εκτός σειράς από τον δέκτη TCP και η ανάλογη αποστολή πακέτων επιβεβαίωσης ( acknowledgements-acks) προκαλούν μείωση στο ρυθμό αποστολής δεδομένων καθώς η πηγή TCP ερμηνεύει τη μη λήψη πακέτων επιβεβαίωσης για τα ενδιάμεσα πακέτα ως ένδειξη απώλειας πακέτων στο δίκτυο λόγω συμφόρησης. Το πρόβλημα παρατηρείται εντονότερα στα δίκτυα που χρησιμοποιούν τεχνικές High-speed δρομολόγησης ή τεχνικές παράλληλης προώθησης πακέτων. Τα ασύρματα δίκτυα δε χρησιμοποιούν τέτοιους δρομολογητές, το πρόβλημα λήψης πακέτων εκτός σειράς είναι περιορισμένης έκτασης. Εξαίρεση αποτελούν τα ad-hocs ασύρματα δίκτυα όπου εκεί λόγω των κινούμενων τερματικών που λειτουργούν και σαν δρομολογητές, τα πακέτα μπορούν να ακολουθούν διαφορετικές διαδρομές προς τον τελικό προορισμό, οπότε πιθανότατα λαμβάνονται πακέτα εκτός σειράς. [4] 3.3 Κατηγοριοποίηση των προτεινόμενων λύσεων Λαμβάνοντας υπόψη τις δραματικές διαφορές μεταξύ των ενσύρματων και των ασύρματων δικτύων, μια πολύ καλή κοινή προσέγγιση είναι να παρασχεθεί κάποιο ταίριασμα όπου οι δύο διαφορετικές τεχνολογίες θα συναντιούνται στον ενδιάμεσο κόμβο Προσέγγιση από άκρη σε άκρη (end to end) Η ιδέα είναι να αντικατασταθεί μια end-to-end σύνδεση TCP με δύο σαφώς ευδιάκριτες συνδέσεις: η μια πέρα από την ασύρματη σύνδεση, η άλλη απέναντι από την αντίστοιχη ασύρματη. Κάθε μια από τις δύο προκύπτουσες συνόδους TCP λειτουργεί κάτω από τα πολύ διαφορετικά χαρακτηριστικά 29

30 δικτύωσης, και μπορεί να υιοθετήσει τις καταλληλότερες πολιτικές στο ιδιαίτερο μέσο του. Για παράδειγμα, σε μια συγκεκριμένη τοπολογία LTN που μπορεί να είναι επιθυμητό να τροποποιηθεί το TCP αναμεταδίδει γρήγορα για να στείλει εκ νέου μετά από το πρώτο διπλό ack και αποκαθιστάται γρήγορα για να μην συρρικνωθεί το παράθυρο συμφόρησης εάν η σύνδεση LTN έχει εξαιρετικά μακρύ RTT, είναι γνωστό για να μην ξαναπαραγγέλλει τα πακέτα, και δεν είναι υπό τον όρο της συμφόρησης. Επιπλέον, σε μια σύνδεση μακράς καθυστέρησης ή σε μια σύνδεση με ένα σχετικά υψηλό εύρος ζώνηςκαθυστέρησης μπορεί να είναι επιθυμητή η «αργή-εκκίνηση»(slow-start) με ένα σχετικά μεγάλο αρχικό παράθυρο. Ενώ αυτά τα είδη τροποποιήσεων του TCP μπορούν να διαπραγματεύονται πέρα από τη σύνδεση LTN, δεν θα ήταν αναπτυγμένα end-to-end μέσω του σφαιρικού Διαδικτύου. Στις τοπολογίες LTN όπου τα θεμελιώδη χαρακτηριστικά των συνδέσεων είναι γνωστά, ποικίλοι παρόμοιοι τύποι της απόδοσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν χωρίς να διακινδυνεύουν οι διαδικασίες μέσω του σφαιρικού Διαδικτύου. Σε μερικές προτάσεις, εκτός από έναν μηχανισμό PEP στο μεσάζοντα κόμβο, τα κοινά πρωτόκολλα χρησιμοποιούνται στην ασύρματη σύνδεση (π.χ., [WAP], [YB94] Ή [MOWGLI]). Ακόμα κι αν τα κέρδη από τη χρησιμοποίηση των πρωτοκόλλων μη-tcp είναι μέτρια ή καλύτερα, ο πλούτος της έρευνας για τη βελτιστοποίηση του TCP για το ασύρματο δίκτυο, και η συμβατότητα με το Διαδίκτυο είναι επιτακτικοί λόγοι για να υιοθετηθεί το TCP στην ασύρματη Split TCP Approaches (Διασπασμένες προσεγγίσεις TCP) Οι προτάσεις διάσπασης TCP περιλαμβάνουν σχέδια όπως το Ι-TCP και MTCP τα οποία επιτυγχάνουν τις βελτιώσεις απόδοσης με την εγκατάλειψη end-to end σημασιολογίας. Η αρχιτεκτονική Mowgli [MOWGLI] προτείνει μια διασπασμένη προσέγγιση με υποστήριξη για τις διάφορες αυξήσεις σε όλα τα επίπεδα του πρωτοκόλλου, όχι μόνο στο στρώμα μεταφορών. Το Mowgli παρέχει μια επιλογή να αντικατασταθεί ο πυρήνας των πρωτοκόλλων του TCP/IP στην σύνδεση LTN με ένα σύνηθες πρωτόκολλο που είναι συντονισμένο για τις συνδέσεις LTN. Επιπλέον, το πρωτόκολλο παρέχει διάφορα χαρακτηριστικά γνωρίσματα που είναι χρήσιμα στα LTNs. Παραδείγματος χάριν, παρέχει πολλαπλή προτεραιότητα των παράλληλων συνδέσεων μαζί με την κοινή ροή ελέγχου, προσφέροντας κατά συνέπεια την ικανότητα των συνδέσεων σε επιδόσεις αλληλεπίδρασης σε ένα χρονικό είδος ακόμα κι αν υπάρχει εύρος ζώνης στις μεταφορές υποβάθρου. Επίσης με αυτήν την επιλογή, Mowgli συντηρεί την σημασιολογία των υποδοχών στην κινητή συσκευή έτσι ώστε οι εφαρμογές κληρονομιών να μπορούν να είναι οργανωμένες χωρίς τροποποιήσεις. Υιοθετώντας τις διασπασμένες προσεγγίσεις TCP υπάρχουν πολλά ωφέλει καθώς επίσης και μειονεκτήματα. Τα οφέλη σχετικά με τις διασπασμένες προσεγγίσεις TCP είναι τα εξής: Ο διαχωρισμός της end-to-end σύνδεσης TCP σε δύο μέρη είναι ένας ακριβής τρόπος να προστατευθούν τα προβλήματα της ασύρματης σύνδεσης από το μονοπάτι του Διαδικτύου καλωδιώσεων, και αντίστροφα. Κατά συνέπεια, σε ένα διασπασμένο TCP η προσέγγιση επιτρέπει να εφαρμόσει 30

31 τις τοπικές λύσεις στα τοπικά προβλήματα επάνω στην ασύρματη σύνδεση. Παραδείγματος χάριν, λύνει αυτόματα το πρόβλημα σχετικά με την συμφόρηση απωλειών πακέτων στο ασύρματο δίκτυο και απώλειες πακέτων λόγω της λάθος μετάδοσης της ασύρματης σύνδεσης καθώς εμφανίζεται στις χωριστές συνδέσεις TCP. Ακόμα κι αν και τα δύο τμήματα δοκιμάζουν τη συμφόρηση, μπορεί να είναι διαφορετική η φύση και μπορεί να αντιμετωπιστεί υπό αυτήν τη μορφή. Επιπλέον, προσωρινές αποσυνδέσεις της ασύρματης σύνδεσης μπορούν να προστατευθούν αποτελεσματικά από το ασύρματο Διαδίκτυο. Όταν μια από τις συνδέσεις TCP διασχίζει ένα απλό βήμα ασύρματου δικτύου ή ένα πολύ περιορισμένο αριθμό βημάτων, μερικά ή όλα τα χαρακτηριστικά της ασύρματης πορείας του TCP είναι γνωστά. Παραδείγματος χάριν, με μια ιδιαίτερη σύνδεση μπορούμε να ξέρουμε ότι η σύνδεση παρέχει αξιόπιστη παράδοση των πακέτων, τα πακέτα δεν παραδίδονται μετά από διαταγή, ή η σύνδεση δεν υπόκειται σε συμφόρηση. Έχοντας αυτές τις πληροφορίες για η πορεία του TCP κάποιος θα μπορούσε να αναμένει ότι ο καθορισμός των μετριασμών του TCP γίνεται ένας σημαντικά ευκολότερος στόχος. Επιπλέον, διάφοροι μετριασμοί που δεν μπορούν να υιοθετηθούν ακίνδυνα πέρα από το σφαιρικό Διαδίκτυο, μπορούν να απασχοληθούν επιτυχώς από την ασύρματη σύνδεση. Ο διαχωρισμός μιας σύνδεσης TCP σε δύο χωριστές επιτρέπει πολύ ευκολότερα την επέκταση των διάφορων πρόσφατων προτάσεων για την βελτίωση της TCP απόδοσης πέρα από τις ασύρματες συνδέσεις. μόνο οι εφαρμογές της TCP κινητής συσκευής και ο ενδιάμεσος κόμβος πρέπει να τροποποιηθούν, επιτρέποντας στο τεράστιο αριθμό των οικοδεσποτών Διαδικτύου να συνεχίσουν να διανύουν τις εφαρμογές TCP χωρίς τροποποιήσεις. Οποιοιδήποτε μετριασμοί που απαιτούν τροποποίηση του TCP σε αυτούς τους οικοδεσπότες καλωδιώσεων μπορεί να πάρουν πάρα πολύ για να γίνουν ευρέως επεκταμένοι. Επιτρέπει την εκμετάλλευση των διάφορων αυξήσεων επιπέδων εφαρμογής ο οποίος μπορεί να δώσει τα σημαντικά κέρδη απόδοσης. Τα μειονεκτήματα σχετικά με τις διασπασμένες προσεγγίσεις TCP περιλαμβάνουν τα εξής: Μια από τις κύριες κριτικές ενάντια στις διασπασμένες προσεγγίσεις TCP είναι ότι σπάζει την end-to-end σημασιολογία TCP. Αυτό έχει διάφορα μειονεκτήματα μερικά από τα οποία είναι αυστηρότερα από άλλα. Το πιο καταστρεπτικό μειονέκτημα είναι πιθανώς αυτό που χωρίζει τη σύνδεση TCP, θέτει εκτός λειτουργίας την end-to-end χρήση των μηχανισμών ασφάλειας στρώματος IP, και παρεμποδίζει την εφαρμογή IPSec για να επιτευχθεί το end-to-end. 31

32 4 Παραλλαγές του TCP 4.1 Εισαγωγή Το TCP ως αξιόπιστη μέθοδος μετάδοσης έχει εξελιχθεί μέσω του χρόνου σε ένα μίγμα μερικών σύνθετων πρωτοκόλλων. Η δυνατότητά του να διασφαλίζει τον έλεγχο ροής είναι ένας αρκετά σύνθετος ερευνητικός τομέας και ένα καλά μελετημένο κομμάτι, με ένα πλήθος αλγορίθμων. Το Linux είναι ένα διαδεδομένο λειτουργικό σύστημα που παρέχει έναν σωρό δικτύων TCP/IP και εφαρμόζει 11 αλγόριθμους ελέγχου ροής. Στο πειραματικό μας μέρος εμείς θα συγκρίνουμε και θα αξιολογήσουμε τους αλγόριθμους συμφόρησης Reno, Veno, Vegas, Westwood, Bic και Cubic. 4.2 TCP Veno Το TCP Veno είναι ένα end-to-end σχέδιο ελέγχου συμφόρησης που μπορεί να βελτιώσει την απόδοση του TCP αρκετά σημαντικά πέρα από τα ετερογενή δίκτυα, ιδιαίτερα όταν αποτελούν οι ασύρματες συνδέσεις μέρος τέτοιων δικτύων. Η βασική καινοτομία στο Veno είναι η αύξηση του αλγορίθμου ελέγχου συμφόρησης Reno με τη χρησιμοποίηση της κατ' εκτίμηση κατάστασης μιας σύνδεσης βασισμένης σε Vegas. Αυτό το σχέδιο μειώνει σημαντικά τη «τυφλή» μείωση του παραθύρου TCP ανεξάρτητα από την αιτία της απώλειας πακέτων. Το εμφανές χαρακτηριστικό γνώρισμα του TCP Veno είναι ότι χρειάζεται μόνο την απλή τροποποίηση στην πλευρά αποστολέων τηςλίστας πρωτοκόλλου Reno. Εξετάζοντας τα πρακτικά ζητήματα η δυνατότητα ανάπτυξης και η συμβατότητα (προσαρμογή με τις συνδέσεις κληρονομιών), TCP Veno μπορούν να επεκταθούν γρήγορα στη «καυτή» κινητή βιομηχανία Διαδικτύου Ο μηχανισμός του TCP Veno Το TCP Veno χρησιμοποιεί την ιδέα του σχεδίου ελέγχου συμφόρησης από το TCP Vegas, και το ενσωματώνει στο σχέδιο εξέλιξης παραθύρου του Reno. Στο TCP Vegas, αυτός ο έλεγχος είναι υπολογισμένος από τη διαφορά μεταξύ της μετρημένης και αναμενόμενης ρυθμοαπόδοσης, δηλαδή, DIFF = (Αναμενόμενη - Πραγματική) ρυθμοαπόδοση (Expected Actual) με την Αναμενόμενη = cwnd/basertt και το BaseRTT είναι το ελάχιστο από όλα τα μετρημένα RTT (χρόνοι στρογγυλού ταξιδιού). 32

33 Η Πραγματική είναι η μετρημένη ρυθμοαπόδοση στον αποστολέα που δίνεται από cwnd/rtt, όπου το RTT είναι ο πραγματικός μετ'επιστροφής χρόνος ενός πακέτου με ετικέτα. Για να κυριολεκτήσουμε, η Αναμενόμενη όπως καθορίζεται είναι η καλύτερη δυνατή ρυθμοαπόδοση, δεδομένου ότι το BaseRTT είναι το ελάχιστο όλων των μετρημένων RTT. Στο Veno, η διαφορά DIFF*BaseRTT χρησιμοποιείται για να υπολογίσει τον αριθμό πακέτων που συσσωρεύονται στον δυσχερή buffer. Εάν υπάρχουν περισσότερα από ένα ανώτερο όριο (β) πακέτων που περιμένουν στη σειρά για επεξεργασία, η TCP σύνδεση λέγεται ότι έχει εξελιχθεί σε μία συμφορητική κατάσταση. Διαφορετικά, είναι σε μία μησυμφορητική. Όπως στο TCP Reno, η απώλεια πακέτου στη κατάσταση συμφορητική (συμφορητική πτώση) θα αναγκάσει το παράθυρο να διχοτομηθεί. Εντούτοις, η απώλεια πακέτων στη μη-συμφορητική κατάσταση (μη-συμφορητική πτώση) θα προκαλέσει μόνο μείωση κατά 1/5 στο μέγεθος παραθύρου. Επιπλέον, το Veno καθαρίζει την φάση προσθετικής αύξησης του Reno με τον καταναγκασμό της TCP σύνδεσης να μείνει πιο μακροχρόνια στη περιοχή λειτουργίας. Όταν η απώλεια πακέτου ανιχνεύεται από τη γρήγορη αναμετάδοση τότε εάν (DIFF*BaseRTT < β) αυτό είναι πολύ πιθανό να οφείλεται σε μια τυχαία απώλεια, εάν ssthresh = cwndloss * (4/5) αυτό είναι πολύ πιθανό να οφείλεται απώλεια συμφόρησης. Όταν η απώλεια πακέτου ανιχνεύεται από το χρονόμετρο αναμετάδοσης διαλείμματος: το ssthresh τίθεται στο μισό του τρέχοντος παραθύρου η αργή εκκίνηση εκτελείται, ssthresh = cwndloss / 2 (εκτελεί την ίδια ενέργεια όπως στο Reno) Ο αλγόριθμος ρύθμισης του ssthresh του TCP Veno Κατά τη διάρκεια της περιόδου προσθετικής αύξησης εάν (DIFF*BaseRTT < β) το διαθέσιμο εύρος ζώνης είναι υπο χρησιμοποιούμενο, έχουμε cwnd=cwnd+1 όταν κάθε νέο ack λαμβάνεται διαφορετικά το διαθέσιμο εύρος ζώνης χρησιμοποιείται πλήρως. Και όταν κάθε άλλο νέο ack λαμβάνετα έχουμε cwnd=cwnd+1 cwnd. Καθορίζουμε μια εποχή (epoch) μιας TCP σύνδεσης να είναι το χρονικό διάστημα κατά τη διάρκεια του οποίου η ποσότητα πακέτων ενός ολόκληρου παραθύρου να έχει αναγνωριστεί. Θα εστιάσουμε σε εκείνες τις ιδιαίτερες εποχές στις οποίες εμφανίζεται η απώλεια πακέτου, και τις αναφέρουμε ως εποχέ συμφόρησης. Επομένως, το cwnd του Veno αυξάνει κατά ένα πακέτο σε κάθε εποχή όταν DIFF*BaseRTT < β, ή αυξάνει κατά ένα πακέτο μόνο κάθε δύο εποχές όταν DIFF*BaseRTT β. Σε αντίθεση, το Reno αυξάνει πάντα ένα πακέτο σε κάθε εποχή. Το γενικό ποσοστό αύξησης του παραθύρου συμφόρησης του Veno είναι πιο αργό από αυτό του Reno. 33

34 4.3 Ο νέος μηχανισμός αναμετάδοσης του TCP Vegas Το Vegas επεκτείνει το μηχανισμό αναμετάδοσης ως εξής: το χρονόμετρο του συστήματος διαβάζεται και καταγράφεται κάθε φορά που στέλνεται ένα πακέτο. Όταν ένα ack φθάνει, το ρολόι διαβάζεται πάλι και ο υπολογισμός του RTT (Round-Trip-Time) έχει επιτευχθεί χρησιμοποιώντας αυτή τη φορά και το timestamp που καταγράφεται για το πακέτο. Χρησιμοποιώντας αυτό το ακριβέστερο RTT, η αναμετάδοση γίνεται με τους εξής δύο τρόπους: Ο πρώτος τρόπος είναι όταν ένα DACK παραλαμβάνεται, το Vegas ελέγχει για να δει εάν το νέο RTT (τρέχων χρόνος - timestamp που καταγράφεται) είναι μεγαλύτερο από το RTO. Εάν αυτό συμβαίνει,το Vegas αναμεταδίδει το πακέτο χωρίς να πρέπει να περιμένει το τρίτο DACK.Και ο δεύτερος τρόπος είναι όταν ένα DACK δεν παραλαμβάνεται, τότε εάν είναι το πρώτο ή το δεύτερο μετά από μια αναμετάδοση, το Vegas ελέγχει πάλι για να δει εάν το RTT > RTO. Σε αυτή την περίπτωση, το πακέτο αναμεταδίδεται. Αυτό θα πιάσει οποιοδήποτε πακέτο που μπορεί να είχε χαθεί προηγουμένως στην αναμετάδοση χωρίς να πρέπει να περιμένει ένα DACK. Με άλλα λόγια, το Vegas αντιμετωπίζει την παραλαβή ορισμένων ACKs ως ώθηση η οποία ελέγχει εάν ένα timeout πρέπει να συμβεί. Ακόμα όμως περιέχει τον κώδικα διαλείμματος (timeout) του Reno σε περίπτωση που αυτός ο μηχανισμός δεν μπορέσει να αναγνωρίσει ένα χαμένο πακέτο. Τέλος, το Reno, είναι δυνατό να μειώσει το παράθυρο συμφόρησης για τις απώλειες περισσότερο από μία φορά κατά τη διάρκεια ενός διαστήματος RTT. Αντίθετα, το Vegas μειώνει το παράθυρο συμφόρησης (congestion window) μόνο εάν ένα πακέτο που έχει αναμεταδοθεί, σταλεί μετά από την τελευταία μείωση. Οποιεσδήποτε απώλειες συνέβησαν πριν την τελευταία μείωση αγνοούνται, και επομένως, δεν πρέπει να μειωθεί πάλι το παράθυρο συμφόρησης. Αυτό συμβαίνει επειδή το Vegas ανιχνεύει τις απώλειες πολύ πιο σύντομα από το Reno Νέος μηχανισμός αποφυγής συμφόρησης Η εφαρμογή Vegas χρησιμοποιεί την ιδέα να μετρηθεί και να ελεγχθεί το ποσό των πρόσθετων πακέτων που μια σύνδεση έχει κατά τη μεταφορά τους, όπου πρόσθετα πακέτα είναι τα πακέτα που δεν θα είχαν σταλεί εάν το εύρος ζώνης που χρησιμοποιείται από τη σύνδεση είναι ακριβώς ίδιο με το διαθέσιμο εύρος ζώνης της σύνδεσης. Ο στόχος του Vegas είναι να διατηρηθεί το «σωστό» ποσό των πρόσθετων πακέτων στο δίκτυο. Προφανώς, εάν μια σύνδεση στέλνει πολλά παραπάνω πακέτα θα προκαλέσει συμφόρηση στο δίκτυο ενώ εάν στέλνει λίγα πακέτα δεν θα μπορεί να αξιοποιήσει κατά το μέγιστο δυνατό τους πόρους του δικτύου. Αυτός ο αλγόριθμος δεν λειτούργει κατά τη διάρκεια του slow-start και η εφαρμογή του είναι η ακόλουθη: 34

35 Το TCP-Vegas μετράει τον ρυθμό αποστολής των δεδομένων (πακέτων) του αποστολέα και συγκρίνει την απόδοση που μετρά κατά τακτά χρονικά διαστήματα με την αναμενόμενη απόδοση. Ελέγχει δηλαδή την διαφορά μεταξύ του ποσοστού που αναμένει να δει με το ποσοστό που πραγματοποιεί πραγματικά Diff = (Expected Actual) BaseRTT. Όπου expected=cwnd/basertt, actual=cwnd/rtt και Η αναμενόμενη απόδοση υπολογίζεται με βάση τις μετρήσεις των RTT. Το Vegas ορίζει την μονάδα BaseRTT ως το μικρότερο RTT. Το BaseRTT αντιπροσωπεύει την ταχύτητα του δικτύου χωρίς την παρουσία συμφόρησης. Στην πράξη το BaseRTT το οποίο θέτει, είναι το ελάχιστο όλων των μετρημένων RTTs. Δηλαδή, ουσιαστικά είναι το RTT του πρώτου πακέτου που στέλνεται από τη σύνδεση, πριν δημιουργηθεί η αύξηση σειρών αναμονής λόγω της κυκλοφορίας που παράγεται από αυτήν την σύνδεση. Η αναμενόμενη απόδοση δίνεται από την σχέση ExpectedRate = CWND / BaseRTT, όπου CongestionWindow είναι το μέγεθος του τρέχοντος παραθύρου συμφόρησης και η πραγματική απόδοση δίνεται από την σχέση ActualRate = CWND/currentRTT, όπου currentrtt είναι ο Round Trip Time που έχει μετρηθεί. Επίσης, μπορούμε να υπολογίσουμε τον πραγματικό ρυθμό αποστολής (ActualRate), καταγράφοντας πόσα πακέτα μεταδίδονται μεταξύ του χρόνου που στέλνεται ένα πακέτο και του χρόνου που παραλαμβάνεται το ack του και διαχωρίζοντας πάντα τον αριθμό των πακέτων που μεταδίδονται από το RTT. Αυτός ο υπολογισμός γίνεται μια φορά ανά RTT. Στο Vegas ορίζονται δύο κατώτατα όρια, α και β, τα οποία ονομάζονται κατώφλια (thresholds). Ανάλογα με την τιμή της διαφοράς σε σχέση με τα δύο κατώφλια, αυξάνεται ή μειώνεται γραμμικά το congestion window (cwnd). Για παράδειγμα, αν η διαφορά (Diff) ανάμεσα στο ExpectedRate και στο ΑctualRate είναι μικρότερη από το κατώφλι α, αυτό σημαίνει ότι βρισκόμαστε κοντά στο βέλτιστο ρυθμό μεταφοράς, και μπορεί ο αποστολέας να συνεχίσει να στέλνει με τον ίδιο ρυθμό τα δεδομένα στον παραλήπτη ή ακόμη και να αυξήσει τον ρυθμό μετάδοσής του (το CWND αυξάνεται κατά 1), ενώ σε αντίθεση εάν η διαφορά αυτή είναι μεγαλύτερη του κατωφλιού β τότε πρέπει να μειώσει τον ρυθμό αποστολής ( το CWND μειώνεται κατά 1) έτσι ώστε να αποφύγουμε την συμφόρηση. Το παράθυρο συμφόρησης αφήνετε αμετάβλητο όταν η διαφορά ανάμεσα στην αναμενόμενη απόδοση και την πραγματική βρίσκεται μεταξύ των δύο thresholds (α<diff<β). Όταν η πραγματική απόδοση είναι πολύ μεγαλύτερη από την αναμενόμενη απόδοση, η περισσότερη συμφόρηση είναι στο δίκτυο, και αυτό δείχνει ότι το ποσοστό αποστολής πρέπει να μειωθεί. Το όριο β προκαλεί αυτήν την μείωση. Από την άλλη μεριά, όταν φτάνει το πραγματικό ποσοστό απόδοσης πάρα πολύ κοντά στην αναμενόμενη απόδοση, η σύνδεση βρίσκεται στον κίνδυνο να μείνει ανεκμετάλλευτο το διαθέσιμο εύρος ζώνης. Το όριο α προκαλεί αυτήν την αύξηση. Ο γενικός στόχος του Vegas είναι να κρατήσει το παράθυρο συμφόρησης μεταξύ του α και του β στο δίκτυο. 35

36 Εικόνα 4.3.1: το παράθυρο ελέγχου του TCP Vegas Τροποποιημένος μηχανισμός slow-start Το Vegas προσπαθεί να βρει ένα διαθέσιμο εύρος ζώνης μιας σύνδεσης που δεν θα υφίσταται την απώλεια που υφίσταται ο μηχανισμός slow-start του Reno (μείωση του παραθύρου συμφόρησης στο μισό του όταν έχουμε υπέρβαση του εύρους ζώνης).για να είναι σε θέση να ανιχνεύσει και να αποφύγει τη συμφόρηση κατά τη διάρκεια του slow-start, το Vegas επιτρέπει την εκθετική αύξηση μόνο για κάθε δεύτερο RTT. Στο μεταξύ, το παράθυρο συμφόρησης μένει σταθερό και έτσι μια έγκυρη σύγκριση των αναμενόμενων και των πραγματικών ποσοστών απόδοσης μπορεί να γίνει. Όταν το πραγματικό ποσοστό είναι > από το αναμενόμενο ποσοστό το Vegas αλλάζει από την εκθετική αύξηση Slow-start στην γραμμική αύξηση/μείωση του παραθύρου Πλεονεκτήματα του Vegas Τα πλεονεκτήματα του Vegas είναι τα εξής: Πρώτον έχει δίκαιο (fairness) σχέδιο εκτίμησης εύρους ζώνης. Οι αναπροσαρμογές των παραθύρων δεν εξαρτώνται μόνο από το RTT όπως σε ένα πρωτόκολλο Reno. Δεύτερον έχει ομαλό ποσοστό αποστολής και αποδοτική χρησιμοποίηση των συνδέσεων. Όταν τα μεγέθη σειρών αναμονής είναι μεγάλα τότε το παράθυρο σταθεροποιείται μεταξύ του κατωφλιού α και του κατωφλιού β. Και τρίτον το TCP Vegas ανιχνεύει τις απώλειες γρηγορότερα από το TCP Reno κι έτσι μπορεί να τις καλύψει γρηγορότερα και αποτελεσματικότερα. [18] 36

37 4.4 TCP Westwood Το TCP-Westwood είναι μια τροποποίηση μόνο του αποστολέα του σωρού TCP. Προτείνει έναν end to end αλγόριθμο εκτίμησης του εύρους ζώνης που στηρίζεται στον τυποποιημένο μηχανισμό του σημερινού TCP. Εφαρμόζει το slow-start και την congestion avoidance όπως το κλασικό TCP Reno για να εξετάσει το δίκτυο αλλά, μετά από τη συμφόρηση, υιοθετεί την εκτίμηση της καλύτερης προσπάθειας που το διαθέσιμο εύρος ζώνης έθεσε κατάλληλα το παράθυρο συμφόρησης και το κατώφλι αργής εκκίνησης.όταν λαμβάνει ένας αποστολέας TCP-Westwood 3 DUPACKs, θέτει και το ssthresh και το cwnd ίσο με max[2, (B*RTTmin) /seg_size], όπου RTTmin είναι το ελάχιστο μετρημένο RTT και seg_size είναι το μέγεθος των σταλμένων τμημάτων. Αφ' ενός, όταν λήγει ένα timeout, το ssthresh τίθεται όπως στην προηγούμενη περίπτωση ενώ το cwnd τίθεται ίσο με 1 segment.είναι σημαντικό να παρατηρηθεί ότι η ρύθμιση ssthresh= (B*RTTmin) /seg_size παρέχει ένα slowstart threshold που ακολουθεί ακριβώς το καλύτερο διαθέσιμο εύρος ζώνης όπως υπολογίζεται από τον αποστολέα TCP Westwood (RTTmin/seg_size είναι ένας παράγοντας κλίμακας). Ο προσαρμοστικός μηχανισμός μείωσης βελτιώνει τη σταθερότητα του τυποποιημένου TCP πολλαπλασιαστικής μείωσης αλγορίθμου δεδομένου ότι μπορεί να εξασφαλίσει ότι το παράθυρο συμφόρησης μειώνεται αρκετά παρουσία της βαριάς συμφόρησης και όχι πάρα πολύ παρουσία της ελαφριάς συμφόρησης ή των απωλειών που δεν οφείλεται στη συμφόρηση. Σαφώς, μια βασική απαίτηση προκειμένου να υπάρξει ένας κατάλληλα λειτουργικός προσαρμοστικός μηχανισμός μείωσης είναι ότι η εκτίμηση του εύρους ζώνης είναι σωστή. Για να ολοκληρώσουμε αυτό το τμήμα επίσης παρατηρούμε ότι η προσαρμοστική ρύθμιση των παραθύρων ελέγχου αυξάνει τη δίκαιη κατανομή του διαθέσιμου εύρους ζώνης στις διαφορετικές ροές TCP. Αυτό μπορεί να εξηγηθεί διαισθητικά με το να θεωρήθει ότι ο καθορισμός παραθύρων του TCP Westwood ακολουθεί το κατ' εκτίμηση εύρος ζώνης έτσι ώστε, εάν η εκτίμηση είναι μια καλή μέτρηση του σημαντικού μέρους, η δικαιοσύνη βελτιώνεται. Η διαφορά με τον RENO ο οποίος μετά από τρείς διπλές επαληθεύσεις μειώνει το παράθυρο συμφόρησης στο μισό, είναι ότι ο WESTWOOD παίρνει υπ όψιν του το εύρος ζώνης της σύνδεσης και προσαρμόζει κατάλληλα το παράθυρο συμφόρησης. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να μοιράζεται καλύτερα το εύρος ζώνης όταν μοιράζονται την ίδια ζεύξη συστήματα που χρησιμοποιούν τον αλγόριθμο WESTWOOD. 37

38 Εικόνα 4.4.1: Η συνάρτηση του παραθύρου συμφόρησης του αλγορίθμου WESTWOOD 4.5 TCP Bic Ο Αλγόριθμος Binary Increase Congestion Control ( αλγόριθμος δυαδικής αύξησης) είναι βελτιστοποιημένος για δίκτυα υψηλών ταχυτήτων με υψηλές καθυστερήσεις ( high latency). Το βασικό χαρακτηριστικό του BIC είναι η συνάρτηση αύξησης του παραθύρου συμφόρησης που χρησιμοποιεί. Όταν συμβεί απώλεια ενός πακέτου ο BIC μειώνει το παράθυρό του κατά ένα πολλαπλασιαστικό παράγοντα. Το μέγεθος του παραθύρου ακριβώς πριν την μείωση τίθενται στο μέγιστο και το μέγεθος του παραθύρου μετά τη μείωση τίθενται στο ελάχιστο. Έπειτα ο BIC εκτελεί μία δυαδική αναζήτηση χρησιμοποιώντας αυτές τις δύο παραμέτρους ξεκινώντας από το κέντρο μεταξύ του μέγιστου (Wmax) και του ελάχιστου (Wmin). Επειδή η απώλεια πακέτου συνέβη στο Wmax το μέγεθος του παραθύρου που μπορεί να χειριστεί το δίκτυο χωρίς επιπλέον απώλειες βρίσκεται κάπου μεταξύ αυτών των δύο αριθμών. Αν η απόσταση μεταξύ του κέντρου και του τρέχοντος ελάχιστου σημείου είναι μεγαλύτερη από μια συγκεκριμένη σταθερά που ονομάζεται Smax o BIC αυξάνει το τρέχον μέγεθος του παραθύρου κατά Smax ( γραμμική αύξηση). Αν δεν αναφερθούν καινούργιες απώλειες πακέτων για το αναθεωρημένο μέγεθος του παραθύρου αυτό το παράθυρο γίνεται το ελάχιστο. Αν συμβεί κάποια απώλεια το παράθυρο αυτό γίνεται το καινούργιο μέγιστο. Αυτή η διαδικασία συνεχίζεται μέχρι η αύξηση του παραθύρου να είναι μικρότερη από μια άλλη μικρή σταθερά που ονομάζεται Smin. Σε αυτό το σημείο το παράθυρο τίθενται στο τρέχον μέγιστο. Έτσι η 38

39 συνάρτηση αύξησης του παραθύρου θα είναι πιθανότατα γραμμική και μετά λογαριθμική ( additive increase, binary search). Αν το παράθυρο μεγαλώσει πέρα από το μέγιστο τότε και το μέγεθος του παραθύρου ισορροπίας θα έχει ξεπεράσει το μέγιστο οπότε πρέπει να υπολογιστεί ένα καινούργιο μέγιστο. Ο BIC μπαίνει σε μια καινούργια φάση που ονομάζεται μέγιστη ( max probing). Η συνάρτηση αύξησης κατά τη διάρκεια αυτής της φάσης είναι η αντίστροφη από αυτήν στις άλλες δύο φάσεις. Το παράθυρο μεγαλώνει εκθετικά στην αρχή και μετά γραμμικά. Η συνάρτηση που χρησιμοποιείται στην φάση του max probing είναι συμμετρική με αυτήν που χρησιμοποιείται στην δυαδική αύξηση( additive increase, binary search) μόνο που τα γεγονότα γίνονται με διαφορετική σειρά. Εικόνα 4.5.1: Η συνάρτηση του παραθύρου συμφόρησης του αλγορίθμου BIC 4.6 TCP Cubic Τρία χαρακτηριστικά γνωρίσματα του cubic: Νέος τρόπος αύξησης παραθύρων. Νέα φιλική λειτουργία του TCP. Χαμηλή ανίχνευση χρησιμοποίησης Νέα λειτουργία αύξησης παραθύρων Αν και η BIC επιτυγχάνει αρκετά καλά την εξελιξιμότητα, η δικαιοσύνη, και η σταθερότητα κατά τη διάρκεια των τρεχόντων περιβαλλόντων υψηλής ταχύτητας, η λειτουργία αύξησης της BIC μπορούν ακόμα να είναι πάρα πολύ 39

40 επιθετικές για το TCP, ειδικά κάτω από σύντομο RTT ή τα αργόστροφα δίκτυα. Επιπλέον, οι διάφορες διαφορετικές φάσεις ελέγχου παραθύρων προσθέτουν πολλή πολυπλοκότητα στην ανάλυση του πρωτοκόλλου. Έχουμε ψάξει για μια νέα λειτουργία αύξησης παραθύρων ότι διατηρώντας των περισσότερων από τις δυνάμεις της BIC (ειδικά, η σταθερότητα και η εξελιξιμότητά του), απλοποιεί τον έλεγχο παραθύρων και ενισχύει τη φιλική διάθεση τουtcp του. Στη νέα απελευθέρωση της BIC, εισάγουμε μια νέα λειτουργία αύξησης παραθύρων - μια κυβική λειτουργία (cubic). Το σχήμα 2 παρουσιάζει κυβική λειτουργία της οποίας η μορφή είναι παρόμοια με την καμπύλη παραθύρων BIC.Η λειτουργία γίνεται πολύ πιό αργή από τη δυαδική αύξηση (που είναι η λογαριθμική) κοντά στην προέλευση (ή το οροπέδιο). Εικόνα 4.6.1: Η συνάρτηση του παραθύρου συμφόρησης του αλγορίθμου Cubic Θέτουμε την προέλευση για να είμαστε Wmax. Έτσι μετά από μια μείωση παραθύρων, το παράθυρο αυξάνεται πολύ γρήγορα, αλλά όσο φτάνει πιο κοντά στο Wmax, επιβραδύνει την αύξησή του. Στο Wmax, η αύξησή γίνεται μηδέν. Μετά από αυτό, το παράθυρο αυξάνεται αργά, επιταχύνοντας την αύξησή του όπως απομακρύνεται από το Wmax. Έχει το ίδιο οροπέδιο όπως στην καμπύλη παραθύρων της BIC, αλλά το ποσοστό αύξησής του το επιταχύνει πιο αργά από της BIC. Αυτή η αργή αύξηση συμβάλλει σημαντικά στη βελτιωμένη φιλική διάθεση TCP του πρωτοκόλλου. Επιπλέον, η λειτουργία απλοποιεί εξαιρετικά τον έλεγχο παραθύρων δεδομένου ότι δεν υπάρχει μόνο μια λειτουργία που χρησιμοποιούν και καμία πολλαπλάσια φάση. 40

41 Ολόκληρη η λειτουργία αύξησης παραθύρων περιγράφεται από μόνο μια λειτουργία -cubic, δεν χρειαζόμαστε τις διαφορετικές φάσεις ελέγχου παραθύρων όπως την πρόσθετη αύξηση, τη δυαδική αναζήτηση, και την ανώτατη εξέταση στη BIC. Αυτό απλοποιεί πάρα πολύ την ανάλυση cubic Νέος τρόπος TCP Tο ποσοστό αύξησης παραθύρων CUBIC μπορεί να είναι πιό αργό από το TCP κάτω από σύντομο RTT ή/και τα μικρά (προϊόν καθυστέρησης εύρους ζώνης) δίκτυα BDP. Προκειμένου να επιτευχθεί η συγκρίσιμη απόδοση στο TCP σε αυτό το καθεστώς, επιτρέπουμε στο παράθυρο CUBIC να αυξηθεί τουλάχιστον με την ταχύτητα του TCP. Ολοκληρώνουμε αυτό με την προσθήκη ενός νέου τρόπου «TCP». Τα περισσότερα πρωτόκολλα υψηλής ταχύτητας του TCP,έχουν κάποια μορφή «τρόπων TCP» κατά τη διάρκεια της οποίας ένα πρωτόκολλο συμπεριφέρεται με τον ίδιο τρόπο όπως το TCP. Τα HS-TCP και S-TCP εισάγουν τους τρόπους TCP όταν το μέγεθος παραθύρων είναι λιγότερο από κάποια μικρή σταθερά διακοπών (χαρακτηριστικά περίπου 30 πακέτα). Αυτή η διακοπή καθορίζεται από το σημείο διατομής μεταξύ της λειτουργίας απάντησης ενός πρωτοκόλλου υψηλής ταχύτητας και αυτής του TCP. Σημειώστε ότι μια λειτουργία απάντησης ενός πρωτοκόλλου είναι το ποσοστό πακέτων αποστολής ανά RTT (ή μέγεθος παραθύρων) σε σχέση με το ποσοστό απώλειας πακέτων. Η BIC υιοθετεί επίσης αυτήν την προσέγγιση. Εντούτοις, αυτή η προσέγγιση έχει ένα σημαντικό μειονέκτημα. Το TCP μπορεί να δώσει πολύ καλή εκτέλεση ακόμα κι αν το μέγεθος παραθύρων είναι μεγαλύτερο των 30 πακέτων. Αυτό συμβαίνει όταν το RTT είναι πολύ χαμηλό, αλλά είναι αρκετά μεγάλο για να καταστήσει το BDP του μεγαλύτερο από την διακοπή. Για παράδειγμα, 200Mb/s εύρος ζώνης και 10 ms RTT δίνουν BDP περίπου 200 αλλά το TCP αποδίδει πολύ καλά σε αυτό το περιβάλλον, που χρησιμοποιεί το πλήρες εύρος ζώνης. Εάν χρησιμοποιείται σε αυτό το περιβάλλον, αυτή η προσέγγιση μερικές φορές μπορεί να καταστήσει το BIC πάρα πολύ επιθετικό για τις ανταγωνιστικές ροές του TCP. Στην πραγματικότητα, η παρατήρησή μας είναι ότι το καθεστώς όπου το TCP αποδίδει καλά καθορίζεται από το μέγεθος «εποχής» συμφόρησης (και όχι από το μέγεθος παραθύρου) - η περίοδος μεταξύ δύο διαδοχικών γεγονότων απώλειας. Για παράδειγμα, εάν το RTT είναι 1 ms, το TCP μπορεί να αυξήσει το παράθυρό του από 1000 πακέτα ανά δευτερόλεπτο (με το καθυστερημένο ack, από 500), και αυτή η ταχύτητα πρέπει να είναι αρκετά γρήγορη, έτσι ώστε να μπορέσει να χρησιμοποιήσει πλήρως το εύρος ζώνης στα περισσότερα από τα μεγάλα δίκτυα (εάν υπάρχει αρκετό διάστημα buffer στη σύνδεση). Αφ' ετέρου, εάν το RTT είναι 200ms, κατόπιν το TCP μπορεί να αυξήσει το παράθυρό του από 5 πακέτα ανά δευτερόλεπτο. Αυτό θα μπορούσε να είναι πάρα πολύ αργό για ένα μεγάλο δίκτυο BDP. Το CUBIC λύνει αυτό το πρόβλημα. Το ποσοστό αύξησης του παραθύρου CUBIC είναι ανεξάρτητο από το RTT, δεδομένου ότι το TCP αλλάζει την επιθετικότητα βασισμένη στο RTT. Η διάρκεια του πραγματικού χρόνου που το CUBIC αυξάνεται πιo αργά από το TCP, μετά από την προηγούμενη συμφόρηση, καθορίζεται από την επιθετικότητα του TCP. 41

42 Δεδομένου ότι το TCP γίνεται πολύ επιθετικό, αυτή η «φιλική περίοδος TCP» γίνεται πιo μεγάλη. Προκειμένου να υπολογιστεί το ποσοστό αύξησης του TCP, μιμούμαστε τον αλγόριθμο ρύθμισης παραθύρων TCP μετά από ένα γεγονός απώλειας πακέτων. Για να είμαστε ακριβέστεροι, πρέπει να συγκρίνουμε τη ρυθμοαπόδοση του TCP και του CUBIC. Δεδομένου ότι το CUBIC μειώνει το παράθυρό του από έναν παράγοντα β μετά από ένα γεγονός απώλειας, το δίκαιο ποσοστό TCP θα ήταν 3 ((1- β)/(1+β)) ανά RTT. Αυτό είναι επειδή το μέσο ποσοστό αποστολής του AIMD είναι: όπου α είναι η πρόσθετη αύξηση παραθύρων και το π είναι το ποσοστό απώλειας. Επομένως, το TCP θα πάρει από α=1 και β=1/2. Για να επιτύχει το ίδιο μέσο ποσοστό αποστολής όπως του TCP, χρειαζόμαστε τον α ίσο με 3 ((1-β) (1+β)). Δεδομένου ότι θέτουμε 0.2, ο πρόσθετος παράγοντας αύξησης είναι 0.5. Λαμβάνοντας υπόψη αυτό το ποσοστό αύξησης ανά RTT, το μέγεθος παραθύρων του TCP στο χρόνο τ (μετά από την τελευταία εποχή συμφόρησης) είναι Αν το TCP είναι μεγαλύτερο από το Wcubic τότε θέτουμε το μέγεθος παραθύρου ίσο με Wtcp. Διαφορετικά, το Wcubic είναι το τρέχον μέγεθος παραθύρου συμφόρησης. 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Σε αυτό το κεφάλαιο περιγράφεται λεπτομερώς η πειραματική διαδικασία που ακολουθήθηκε καθώς και οι μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν για την εξαγωγή των πειραματικών μετρήσεων. Αρχικά θα γίνει η περιγραφή της πειραματικής διαδικασίας,περιγραφή των τοπολογιών που χρησιμοποιήθηκαν και των δομικών τους στοιχείων, ενώ στο τέλος θα παρουσιαστούν τα αποτελέσματα και θα γίνει η περαιτέρω ανάλυσή τους. Συγκρίνοντας τα αποτελέσματα των διαφορετικών αλγορίθμων θα καταλήξουμε σε χρήσιμα συμπεράσματα για την λειτουργία των διαφορών αλγορίθμων αλλά και σε παρατηρήσεις πάνω στην γενικότερη λειτουργία του TCP. 42

43 5.1 Στόχος της εξομοίωσης Στόχος μας είναι με την βοήθεια των εξομοιώσεων να βρεθεί η βέλτιστη λύση για τα τοπικά ασύρματα δίκτυα (802.11). Για να επιτευχθεί αυτό, στην πειραματική διαδικασία χρησιμοποιήθηκαν, όπως αναφέρθηκαν και παραπάνω, τα έξι πρωτόκολλα μεταφοράς του TCP:TCP Reno, TCP Veno, TCP Vegas, TCP Westwood και TCP Bic,TCP Cubic καθώς επίσης και οι παράμετροι, απόδοση (throughput) και goodput. Με λίγα λόγια, θα παρακολουθήσουμε την συμπεριφορά των αλγορίθμων σε συνθήκες που μοιάζουν με συμφόρηση. Επίσης, θα δούμε αν και κατά πόσο η λειτουργία των αλγορίθμων συμφόρησης επηρεάζει τον τρόπο με τον οποίο το TCP καταλαμβάνει και χρησιμοποιεί το παρεχόμενο από το δίκτυο throughput. Θα εξετάσουμε πως λειτουργεί το TCP όταν υπάρχει μια ή παραπάνω ροές δεδομένων και πως αντιδρά ο κάθε αλγόριθμος συμφόρησης στην αύξηση των χρόνων επαλήθευσης των πακέτων. 5.2 Βοηθήματα-Εργαλεία Για την λήψη των μετρήσεων χρησιμοποιήθηκαν διάφορα εργαλεία όπως το λειτουργικό σύστημα TCP Linux,το μοντέλο Markov για τις διαδικασίες λάθους, την κατανομή pareto για την προσομοίωση της web κίνησης στο διαδίκτυο και τον προσομοιωτή δικτύων Ns (network simulator) Σε αυτό το σημείο θα παρουσιάσουμε συνοπτικά το καθένα από αυτά και θα εξηγήσουμε την χρησιμότητά του στην διαδικασία λήψης των μετρήσεων κατά την διάρκεια των πειραμάτων Νetwork Simulator Ο ns-2 είναι ένας αντικειμενοστρεφής προσομοιωτής δικτύων γραμμένος σε C++ και OTCL ( αντικειμενοστρεφής έκδοση της γλώσσας Tcl. Η γλώσσα Tcl/ OTCL στον ns-2 χρησιμοποιείται για να δημιουργήσει τη δομή του δικτύου και την τοπολογία, γιατί έχει απλή σύνταξη και γιατί είναι συμβατή με πολλές πλατφόρμες. Ακόμη παρέχει ευκολία στη διευθέτηση των παραμέτρων δικτύου και τέλος μπορεί να εξερευνά γρήγορα πολλά και διαφορετικά σενάρια. Η γλώσσα C++ είναι το πιο σημαντικό κομμάτι του ns-2 γιατί υλοποιεί τον πυρήνα της αρχιτεκτονικής των πρωτοκόλλων ( τροποποίηση ή αποκλεισμός των υπαρχόντων πρωτοκόλλων). Επίσης κάνει διαχείριση byte, επεξεργασία πακέτου και υλοποίηση των αλγορίθμων. Ο ns-2 χρησιμοποιεί σε συνδυασμό και τις δύο γλώσσες γιατί η C++ είναι γρήγορη στην εκτέλεση αλλά αργή στις αλλαγές ( κωδικοποίηση) ενώ η Tcl/ OTCL είναι εύκολη στην κωδικοποίηση αλλά τρέχει αργά. Στον ns-2 είναι ενσωματωμένα τα γνωστότερα δικτυακά πρωτόκολλα π.χ. το TCP,UDP και FTP. Ο ns-2 είναι ένας προσομοιωτής διακριτών γεγονότων όπως η επαναμετάδοση πακέτου μετά από λήξη timeout. Η καρδιά του ns-2 είναι ο scheduler ο οποίος αποσπά (dequeue) από τη λίστα το γεγονός που υπάρχει στην κορυφή, ενημερώνει το χρόνο, εκτελεί το γεγονός, αποσπά νέο γεγονός μέχρι το γεγονός εξόδου. 43

44 Υπάρχουν ορισμένοι περιορισμοί στον ns-2, τα μοντέλα που χρησιμοποιούνται είναι εκ των πραγμάτων απλοποιημένα σε σχέση με τα πραγματικά συστήματα και ότι δεν έχει τελειώσει ακόμα η ανάπτυξή του. Στον ns-2 έχουμε ενσύρματα (LANS), ασύρματα (Wireless) και δορυφορικά (Satelite) μέσα μετάδοσης. Εικόνα : network simulator Το TCP Linux στον NS-2.34 Το TCP LINUX ΣΤΟΝ NS-2 εισάγει και τους 9 αλγόριθμους συμφόρησης από το LINUX 2,6,16-3 ( Reno, Vegas, HS-TCP, Scalable TCP, Bic, Cubic, Westwood, H-TCP, Hybla) ακόμη εισάγει και 3 πειραματικούς αλγόριθμους συμφόρησης για να τους τεστάρει για μελλοντικές εκδόσεις του LINUX ( Veno, TCP-LP, TCP-Compound ( MS Windows Vista)).Το TCP LINUX κάνει εύκολη την υλοποίηση των scripts, έχει πολύ μεγάλη ακρίβεια και συγκρίνει τα αποτελέσματα του LINUX στην τροχιά του επιπέδου συμφόρησης.. Είναι καλύτερα να χρησιμοποιήσουμε το TCP LINUX γιατί είναι ικανό να αναλύσει νέους αλγόριθμους χωρίς να περιμένει τη διαθεσιμότητα από τις εκδόσεις του NS-2, έχει υψηλότερη ακρίβεια και γρηγορότερη εξομοίωση και τέλος είναι ικανό να τρέξει επαναλαμβανόμενες εξομοιώσεις για να τεστάρει νέους αλγόριθμους και έχει μεγάλο μηχανισμό χρήσης για να βρίσκει ατέλειες. Άρα προκύπτει ότι το TCP LINUX είναι το καλύτερο TCP για τον NS-2. [8] 44

45 5.2.3 Gilbert-Elliott το κλασικό 2-state Markov model για τις διαδικασίες λάθους Το 2-state Markov model εισάγεται από το Gilbert-Elliott το οποίο χρησιμοποιείται ευρέως για την περιγραφή των σχεδίων λάθους στα κανάλια μετάδοσης και για την ανάλυση της αποδοτικότητας της κωδικοποίησης για την ανίχνευση και την διόρθωση λάθους. Ακολουθείται η συνηθισμένη σημείωση ενός καλού καναλιού ( G) και κακού ( Β) state. Καθένα από αυτά μπορεί να παραγάγει λάθη σε ένα ποσοστό 1-κ για το καλό state και 1-h για το κακό state, αντίστοιχα. Για τις εφαρμογές στις διαδικασίες απώλειας στοιχείων, ερμηνεύουμε ένα γεγονός σαν άφιξη ενός πακέτου και ένα λάθος ως απώλεια ενός πακέτου. Το πέρασμα στη φόρμα Α δίνεται από τις δύο μεταβάσεις. p=p(q t =B q όπου το q t t 1=G); r=p(q t =G q t 1=B); A=( δηλώνει τα state σε χρόνο t. 1 p r p 1 r ) Εικόνα 5.2.2: To Gilbert-Elliott model δημιουργεί τη διαμορφωμένη διαδικασία αποτυχίας του Markov model. Οι στάσιμες πιθανότητες π G και π Β για 0<p,r<1 από τις οποίες το ποσοστό λάθους λαμβάνεται σταθερό: p P E =(1-k) π G + (1-h ) π Β ; π G =, π Β= p r p r r O Gilbert πρότεινε ένα μοντέλο για να χαρακτηρίσει ένα burst-noise κανάλι. Προσθέτει μνήμη στα δυαδικό συμμετρικό κανάλι που κωδικοποιείται σε δύο καταστάσεις της αλυσίδας του Markov. Ο Gilbert εξέτασε την πρόσθετη περίπτωση ενός καλού state χωρίς λάθη (κ=1) και πρότεινε να υπολογίσει τις πρότυπες παραμέτρους από τρεις μετρίσιμες περιπτώσεις μιας δυαδικής διαδικασίας λάθους {E t }2N, όπου E t =1 δείχνει ένα λάθος: P(111) a=p(1), b=p(1 1), c= P(101) P(111) 45

46 Γνωρίζοντας τις τρεις παραμέτρους του μοντέλου a,b,c μπορεί να υπολογιστεί ο ακόλουθος τύπος: 1-r= 2 ac b 2ac b( a c) ; h=1- b 1 r ; p= ar 1 h Ο Gilbert υποστηρίζει ότι η μέτρηση c μπορεί να αποφευχθεί με την επιλογή h=0.5 και χρησιμοποιώντας 1-r=2b. Επιπλέον έδειξε ότι η μέθοδος που εισάγεται παραπάνω μπορεί να οδηγήσει στις γελοίες παραμέτρους ( p,r,h<0 ή p,r,h>1), εάν το ίχνος είναι πολύ μικρό. Η μέθοδος που προτείνεται από τον Gilbert είναι η πιο κατάλληλη για τα πιο μακροχρόνια ίχνη. Στην περίπτωση των πιο σύντομων μετρήσεων καλύτερα αποτελέσματα θα επιτευχθούν κατά την εξέταση του μοντέλου Gilbert όπως είναι το Hidden Markov Model. [5] [6] [7] a Μοντέλο Παράμετρος Πολυπλοκότητα Απλοποίηση κατάρτισης Simple Gilbert p,r Simple k=1, h {0, 0.5} Gilbert P,r,h Medium k=1 Gilbert-Elliott P,r,h,k High - Πίνακας 5.2.3: Σύγκριση των απλουστευμένων προτύπων 2-state Markov model Το μοντέλο Gilbert-Elliot στον ns-2.34 O ns-2.34 που χρησιμοποιούμε για την εξομοίωση των script μας, έχει ενσωματωμένο το μοντέλο Gilbert-Elliot. Σύμφωνα με το μοντέλο Gilbert-Elliot στην καλή κατάσταση καναλιού( G) δεν έχουμε απώλειες πακέτων ενώ στην κακή κατάσταση ( Β) έχουμε πλήρης απώλειες πακέτων που φτάνουν το 100%. Το Markov Error Model στην εργασία μας χρησιμοποιείται ως εξής: proc MarkovErrorProc {} { set rvgood [new RandomVariable/Exponential] set rvbad [new RandomVariable/Exponential] $rvgood set avg_ [expr $sim_time(1-$per)] $rvbad set avg_ [expr $sim_time $PER)] set err [new ErrorModel/TwoState $rvgood $rvbad pkt] return $err } Όπου με την μεταβλητή rvgood παριστάνεται ο χρόνος όπου παραμένει το μοντέλο στην καλή κατάσταση ενώ με rvbad ο χρόνος όπου παραμένει το μοντέλο στην κακή κατάσταση. Το avg_ είναι ο μέσος χρόνος που παραμένει το πακέτο δτην κάθε κατάσταση. Τέλος το pkt δηλώνει ότι οι απώλειες είναι ανά πακέτο ενώ το PER παίρνει διάφορες τιμές για την εκτίμηση της απόδοσης των πρωτοκόλλων. 46

47 5.2.5 Pareto Traffic Η On/Off γεννήτρια κυκλοφορίας του Pareto Traffic είναι μια γεννήτρια κυκλοφορίας που προσεγγίζει τον τρόπο που κατανέμονται τα πακέτα στο διαδίκτυο. Το Pareto Traffic παράγει την κυκλοφορία σύμφωνα με μια On/Off διανομή. Τα πακέτα στέλνονται με έναν σταθερό ρυθμό κατά τη διάρκεια μιας on περιόδου και κανένα πακέτο δεν στέλνεται κατά τη διάρκεια μιας περιόδους off. Και οι δύο περιόδοι on και off παίρνονται από μια διανομή του pareto με σταθερό μέγεθος πακέτων. Αυτές οι πηγές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να παράγουν τη συνολική κυκλοφορία που αναδείχνει την εξάρτηση μακροχρόνιας σειράς. Στα script που αναλύουμε παρακάτω το pareto χρησιμοποιήθηκε για την κίνηση και προς τις δύο μεριές( διασταυρούμενη). Set pfw [new Application/Traffic/Pareto] $pfw set busrt_time_500ms $pfw set idle_time_500ms $pfw set rate_4m $pfw set packetsize_1024 $pfw set shape_1.0 $pfw attach-agent $tcpfw $ns at $opt(cc-start) $pfw start $ns at $opt(cc-stop) $pfw stop Οι παράμετροι εισαγωγής του pareto είναι οι εξής: burtst_time είναι ο χρόνος ο οποίος στέλνονται τα πακέτα ( κατάσταση on), idle_time είναι ο αδρανής χρόνος, δηλαδή δεν στέλνονται πακέτα ( κατάσταση off), rate είναι η εκτίμηση κατά τη διάρκεια που στέλνονται τα πακέτα, packetsize είναι το μέγεθος του πακέτου και τέλος shape είναι το σχήμα των παραμέτρων του pareto. Σε κάθε on/off γύρω του pareto, υπολογίζονται οι ακόλουθες δύο ( ανεξάρτητες) τυχαίες μεταβλητές: next_burstlen είναι ο αριθμός των πακέτων που διαβιβάζονται στην επόμενη περίοδο έκρηξης και next_idle_time επόμενο μήκος αδρανούς περιόδου σε δευτερόλεπτα. [30] 5.3 Μετρικές Οι μετρικές που χρησιμοποιήσαμε στην πειραματική διαδικασία είναι: το Goodput, και το Troughput Goodput Στα συστήματα υπολογιστών ( περιλαμβανομένου των ασύρματων δικτύων) το goodput είναι η απόδοση εφαρμογής throughput, είναι ο αριθμός των χρήσιμων bits στην μονάδα του χρόνου που αποστέλονται από έναν αποστολέα σε έναν παραλήπτη χωρίς τις επαναμεταδόσεις πακέτων και την επιβάρυνση. Αν δηλαδή ένα πακέτο παραχωρείται το goodput αντιστοιχεί στα 47

48 συνολικά bits του αρχείου προς το χρόνο της μετάδοσης ( goodput= συνολικά bits/ χρόνος). Το goodput είναι γενικά χαμηλότερο από το throughput. Παραδείγματα από γεγονότα που μπορεί να προκαλέσουν χαμηλότερο goodput από throughput είναι: η υπερχείλιση πρωτοκόλλου, η αποφυγή συμφόρησης και η επαναμεταφορά χαμένων ή κατεστραμμένων πακέτων. Το goodput είναι το throughput χωρίς τα headers και το retrasmition overhead δηλαδή είναι τα <<καθαρά>> δεδομένα που παραλαμβάνει η εφαρμογή. Goodput= Throughput- (overhead/time) ή Goodput = original_data / connection_time όπου original_data είναι ο αριθμός των bytes που φτάνουν στην εφαρμογή (χωρίς τα πακέτα που ξαναστάλθηκαν και τις επικεφαλίδες) και connection_time ο χρόνος που χρειάστηκε για την μεταφορά των δεδομένων. Το goodput μετράει ακριβώς την ροή των δεδομένων που είναι χρήσιμα δηλαδή φτάνουν στην εφαρμογή. Στις τοπολογίες μας το goodput μετριέται ως εξής: set Goodput [expr ($summaxackseqno * $pksize*8) / (1000*$sim_time)] Όπου το summaxackseqno είναι το άθροισμα των επόμενων σε σειρά πακέτων, Pksize είναι το μέγεθος πακέτου και επειδή είναι bytes το πολλαπλασιάζουμε με το 8 για να γίνει bits και το sim_time είναι ο χρόνος της εξομοίωσης. [1] [2] Throughput Το throughput είναι τα δεδομένα που στέλνουμε. Όταν το ποσοστό των δεδομένων που φτάνουν στον κόμβο ξεπερνάει το ποσοστό που μπορεί να εξυπηρετηθεί από την υπηρεσία τότε αρχίζει να χτίζεται η ουρά μέσα στον buffer του κόμβου. Ο buffer μπορεί τελικά να υπερχειλίσει και να αρχίσει να <<ρίχνει>> τα εισερχόμενα πακέτα. Αν οι αποστολείς δεν μειώσουν την ταχύτητα με την οποία στέλνουν δεδομένα τότε έχουμε μία κατάσταση η οποία καλείται καταστροφική συμφόρηση. Όπως είναι φυσικό το throughput του συστήματος μειώνεται δραματικά. Throughput= data set in bytes/ time και Application troughput= data received in bytes/ time δηλαδή η μετρήσιμη ταχύτητα ροής, η μέγιστη ροή όταν πάντα υπάρχουν δεδομένα προς αποστολή κατά το διάστημα της μέτρησης. Το troughput μπορεί κανείς να το μετρήσει για μια συγκεκριμένη εφαρμογή ( application throughput) ή μπορεί κανείς να το μετρήσει σε διαφορετικά σημεία του διαδικτύου. [2] [3] 5.4 Πρώτη τοπολογία Στο script top_1 υπάρχει ένας σταθμός βάσης ( base station) ο οποίος είναι ενσύρματα συνδεδεμένος με έναν κόμβο (wired node) με χαρακτηριστικά γραμμής εύρος ζώνης ( bandwidth) 100Mbps και καθυστέρηση (delay) 45ms. Από την άλλη μεριά έχουμε συνδέσει ασύρματα έναν κινητό κόμβο (mobile node) με εύρος ζώνης 11Mbps. Η διάρκεια της εξομοίωσης είναι =300. Στο script έχουμε 2 domains (πεδία) και κάθε πεδίο έχει από ένα cluster (ομάδα). Και το κάθε cluster έχει από έναν node (κόμβο). Η ιεραρχική 48

49 διεύθυνση για το ενσύρματο πεδίο είναι (όπου το πρώτο νούμερο είναι το domain, το δεύτερο το cluster και το τρίτο ο node. Ενώ η ιεραρχική διεύθυνση για το ασύρματο πεδίο είναι και Ο αποστολέας στην τοπολογία μας είναι ο $W(0) και ο παραλήπτης ο $wl_node_($i) δηλαδή αποστολέας είναι ο ενσύρματος κόμβος ενώ παραλήπτης ο κόμβος node_(0). Το default πρωτόκολλο στο script είναι το reno και το error model που χρησιμοποιείται είναι το Markov. Σκοπός της τοπολογίας είναι να εξετάσουμε την συμπεριφορά των πρωτοκόλλων μεταφοράς σε συνθήκες σφαλμάτων στο ασύρματο κανάλι μεταφοράς. Το μέγεθος του TCP πακέτου είναι 984 bytes ενώ το μέγεθος της κεφαλίδας 40 bytes. Εικόνα : Script top_ Αποτελέσματα του Script 1 Παρακάτω παρατίθενται τα αποτελέσματα των πειραμάτων. Οι παράμετροι που χρησιμοποιήθηκαν για την ανάλυση και την σύγκριση των αποτελεσμάτων είναι το παράθυρο συμφόρησης (CWND),το κατώφλι (SSTHRESHOLD),ο χρόνος RTT και το throughput. Στον πίνακα που ακολουθεί φαίνονται τα αποτελέσματα της απόδοσης (goodput) των πρωτοκόλλων μεταφοράς για διαφορετικές τιμές του error rate με delay ms και η συγκριτική τους γραφική παράσταση. Error rates Reno Veno Vegas Westwood Bic Cubic Πίνακας 5.4.2: GOODPUT 49

50 GOODPUT SCRIPT goodputs (bits per seconds) reno veno vegas westwood bic cubic 0 0, ,0001 0,001 0,005 0,01 0,05 0,1 packet error rates Σχήμα : Γραφική παράσταση goodput script 1 Από τον πίνακα και την γραφική παράσταση των goodputs παρατηρούμε ότι το καλύτερο πρωτόκολλο είναι το westwood διότι κάνει εκτίμηση της χωρητικότητας και στηρίζεται σε ιστορικό δειγμάτων άρα δεν ρίχνει το παράθυρό του από ένα λάθος. Εφαρμόζει την αργή εκκίνηση ( slow-start) και την αποφυγή συμφόρησης (congestion avoidance) και μετά την συμφόρηση υιοθετεί την εκτίμηση της καλύτερης προσπάθειας. Το westwood έχει την ικανότητα να ακολουθεί ακριβώς το διαθέσιμο εύρος ζώνης, έτσι ώστε εάν η εκτίμηση είναι μια καλή μέτρηση του σημαντικού μέρους, η δικαιοσύνη βελτιώνεται. Στο bic όταν συμβεί απώλεια πακέτου μειώνει το παράθυρο του κατά ένα πολλαπλασιαστικό παράγοντα. Επειδή το bic εκτελεί δυαδική αναζήτηση φαίνεται να έχει καλύτερη απόδοση από το westwood σε υψηλούς ρυθμούς σφαλμάτων. Το μέγεθος παραθύρου του πριν τη μείωση τίθεται ως μέγιστο ενώ μετά τη μείωση ως ελάχιστο. Το westwood σε σχέση με το reno έχει καλύτερη απόδοση γιατί μετά από μια συμφόρηση έχουμε κατάλληλη προσαρμογή του παραθύρου του. Σε σχέση με το vegas το westwood είναι καλύτερο λόγω της καλύτερης εκτίμησης της διαθέσιμης χωρητικότητας. Το vegas έχει μια συντηρητική συμπεριφορά στην αύξηση του παραθύρου. Το westwood στηρίζεται σε ιστορικό δειγμάτων οπότε έχει καλύτερη απόδοση από το veno που στηρίζεται σε ένα δείγμα και όταν έχουμε υψηλούς ρυθμούς λαθών ρίχνει την απόδοση. Το veno αυξάνει το παράθυρό του αργά και όταν υπάρχει καθυστέρηση η αύξηση του παραθύρου δεν αυξάνει πια την απόδοση. 50

51 Το westwood σε σχέση με το cubic έχει καλύτερη απόδοση διότι μετά τη συμφόρηση υιοθετεί την εκτίμηση της καλύτερης προσπάθειας ενώ το cubic αυξάνει το παράθυρο του αργά, η λειτουργία του cubic είναι πιο αργή από τη δυαδική αύξηση του bic. Σχήμα :Γραφική Παράσταση του παραθύρου συμφόρησης σε συνάρτηση με τον χρόνο Σχήμα : Γραφική Παράσταση του κατωφλίου έναρξης σε συνάρτηση με τον χρόνο 51

52 Παραπάνω φαίνονται οι γραφικές παραστάσεις που απεικονίζουν το παράθυρο συμφόρησης σε σχέση με το χρόνο και το κατώφλι έναρξης σε σχέση με το χρόνο του αποδοτικότερου πρωτοκόλλου westwood σε σχέση με το reno που δεν είναι και ένα τόσο αποδοτικό πρωτόκολλο. Οι γραφικές αυτές παραστάσεις ονομάζονται x-graph και τις πήραμε τρέχοντας το script στον ns Δεύτερη τοπολογία Στο script top_2 η τοπολογία μας είναι πιο σύνθετη λόγω των ροών που έχουμε εισάγει. Στο ενσύρματο κομμάτι έχουμε 8 κόμβους. Οι κόμβοι R(2) και R(3) μας δείχνουν την κίνηση προς τα εμπρός (δεξιά) ενώ οι R(4) και R(5) μας δείχνουν την κίνηση προς τα πίσω (αριστερά). Η σύνδεση μεταξύ του W(1) και W(0) έχει εύρος ζώνης 100Mbps και καθυστέρηση 10ms. Η σύνδεση μεταξύ του W(0) και R(0) έχει εύρος ζώνης 100Mbps και καθυστέρηση 20ms. Ο ενσύρματος κόμβος R(0) συνδέεται και με τον cc_node R(2) με εύρος ζώνης 100Mbps και καθυστέρηση 1ms αλλά και με τον cc_node R(4) με εύρος ζώνης 100Mbps και καθυστέρηση 1ms. Ακόμη συνδέεται και με τον ενσύρματο κόμβο R(1) με εύρος ζώνης 10Mbps και καθυστέρηση 25ms. Με την σειρά του ο κόμβος R(1) συνδέεται ενσύρματα με τον cc_node R(5) με εύρος ζώνης 100Mbps και καθυστέρηση 1ms. Τέλος ο R(1) συνδέεται ενσύρματα και με τον σταθμό βάσης με εύρος ζώνης 100Mbps και καθυστέρηση 20ms. Στο script μας έχουμε και δύο διασταυρούμενες ( crossconnect) συνδέσεις, η μία έχει κίνηση προς τα εμπρός μεταξύ των ενσύρματων κόμβων cc_node R(2) και cc_node R(3) με εύρος ζώνης 4Mbps,burst_time ( χρόνος έκρηξης) 500ms, idle_time ( χρόνος αδράνειας) 500ms και rate ( ρυθμός) 4m. Και μία δεύτερη προς τα πίσω σύνδεση δηλαδή προς την αντίθετη κατεύθυνση μεταξύ του cc_node R(5) και cc_node R(4) με εύρος ζώνης 8Mbps,burst_time ( χρόνος έκρηξης) 500ms, idle_time ( χρόνος αδράνειας) 500ms και rate ( ρυθμός) 8m. Βλέπουμε ότι για την κίνηση προς τα πίσω έχουμε διπλάσιο ρυθμό καθώς και διπλάσιο εύρος ζώνης. Στο ασύρματο κομμάτι του script μας, συνδέεται ο σταθμός βάσης ασύρματα με έναν κινητό κόμβο με εύρος ζώνης 11Mbps. Το μέγεθος πακέτου είναι 984 bytes και το μέγεθος της κεφαλίδας 40 bytes. Η διάρκεια της εξομοίωσης είναι =300. Στο script έχουμε 2 domains (πεδία) με 1 cluster ( ομάδα) σε κάθε πεδίο. Το default πρωτόκολλο είναι το reno και το error model που χρησιμοποιεί το script είναι το Markov. Με την εντολή record δηλώνουμε το χρόνο, το cwnd, το ssthresh και το ACK. Η stop καλείται για να ενημερώσει τους κόμβους πότε τελειώνει η εξομοίωση. 52

53 Εικόνα : script top_ Αποτελέσματα του Script 2 Στους πίνακες που ακολουθεί φαίνονται τα αποτελέσματα της απόδοσης (goodput) των πρωτοκόλλων μεταφοράς για διαφορετικές τιμές του error rate με delay ms και η συγκριτικές τους γραφικές παραστάσεις. Error rates 0, ,0001 0,001 0,005 0,01 0,05 0,1 reno 1555, , , , ,57 443,74 33,82 veno 545,39 631,3 668,98 733,43 579,66 0,55 191,68 vegas 541,04 500,92 489,53 479,27 398,08 275,36 93,44 westwood , , , ,73 799,71 316,87 bic 1807, , , , ,45 0,55 316,5 cubic , , ,4 1723,86 613,91 0,47 Πίνακας 5.5.2: goodputs 53

54 GOODPUT SCRIPT 2 goodput ( bit per second) , ,0001 0,001 0,005 0,01 0,05 0,1 packet error rate reno veno vegas westwood bic cubic Σχήμα :Γραφική παράσταση goodputs script 2 Καλύτερη απόδοση στο script μας βλέπουμε ότι έχει το TCP Westwood, αν και η απόδοση του πέφτει απότομα όσο μεγαλώνει ο ρυθμός των λαθών το westwood επικρατεί των άλλων πρωτοκόλλων γιατί κάνει εκτίμηση της χωρετικότητας, στηρίζεται σε ιστορικό δειγμάτων και μετά τη συμφόρηση υιοθετεί την εκτίμηση της καλύτερης προσπάθειας. Το TCP Cubic σε σχέση με το westwood αυξάνει το παράθυρο του πιο αργά. Αν και η λειτουργία του cubic είναι πιο αργή από την δυαδική αύξηση του bic, το cubic μας δίνει πολύ καλύτερη απόδοση από το bic. Το TCP Vegas έχει την χειρότερη απόδοση γιατί παρουσιάζει μια συντηρητική συμπεριφορά στην αύξηση του παραθύρου του. Επίσης το vegas όταν συνυπάρχει με το reno ρίχνει την απόδοση του διότι το reno έχει την ικανότητα να παίρνει όλο το διαθέσιμο bandwidth αυξάνοντας διαρκώς το παράθυρό του. Έτσι το vegas για να αποφύγει την συμφόρηση μειώνει συνεχώς το παράθυρό του. Το westwood έχει καλύτερη απόδοση από το TCP Reno διότι εισάγει γρηγορότερη ανάκαμψη, έτσι ώστε να αποφευχθεί η μείωση του παραθύρου του ενώ το reno μειώνει στο μισό το παράθυρο συμφόρησης μετά από τρείς διπλές επαληθεύσεις. Το veno έχει και αυτό όπως και το vegas πολύ χαμηλότερη απόδοση σε σχέση με τα άλλα πρωτόκολλα διότι αυξάνει το παράθυρο του αργά και όταν υπάρχει καθυστέρηση δεν αυξάνεται πια η απόδοση του. Στο TCP Bic όταν έχουμε απώλεια μειώνεται το παράθυρό του κατά ένα πολλαπλασιαστικό παράγοντα και έπειτα ο αλγόριθμος bic εκτελεί δυαδική αναζήτηση. Σε υψηλούς ρυθμούς λαθών η απόδοση του bic πέφτει πάρα πολύ. 54

55 Σχήμα 5.5.4: Γραφική Παράσταση του παραθύρου συμφόρησης σε συνάρτηση με τον χρόνο Σχήμα 5.5.5: Γραφική Παράσταση του κατωφλίου έναρξης σε συνάρτηση με τον χρόνο Παραπάνω φαίνονται οι γραφικές παραστάσεις που απεικονίζουν το παράθυρο συμφόρησης σε σχέση με το χρόνο και το κατώφλι έναρξης σε σχέση με το χρόνο του αποδοτικότερου πρωτοκόλλου westwood σε σχέση με 55