Χρονοπρογραμματισμός Μετάδοσης και Επαναμετάδοσης Δεδομένων σε Επίγεια και Διαστημικά Διαδίκτυα

Transcript

1 Χρονοπρογραμματισμός Μετάδοσης και Επαναμετάδοσης Δεδομένων σε Επίγεια και Διαστημικά Διαδίκτυα Παρουσίαση Διδακτορικής Διατριβής Τμήμα Η.Μ. & Μ.Υ. Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης Ιωάννης Ψαρράς Οκτώβριος 2008 Επιβλέπων Καθηγητής: Βασίλης Τσαουσίδης

2 Βιογραφικά Στοιχεία Δίπλωμα/Πτυχίο: Τμήμα Η.Μ. & Μ.Υ. Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης ( ) Διδακτορικό Δίπλωμα: Τμήμα Η.Μ. & Μ.Υ. Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης ( ) Τίτλος: Χρονοπρογραμματισμός Μετάδοσης και Επαναμετάδοσης Δεδομένων σε Επίγεια και Διαστημικά Διαδίκτυα Επιβλέπων: Καθ. Βασίλης Τσαουσίδης Δημοσιεύσεις: 8 συνέδρια, 5 περιοδικά Επαγγελματική Εμπειρία: DoCoMo Eurolabs (05/05 09/05): Ambient Networks Project Ericsson Eurolab (05/06 09/06): Ericsson internal project: The appropriate transport protocol for SIP traffic DUTH (05/07 05/08): Extending Internet into Space University of Surrey (06/08 ): EU FP7 4WARD Project

3 Σημείο Εκκίνησης και Συνεισφορά της Διατριβής Το Σύγχρονο Διαδίκτυο: χαρακτηρίζεται από: i) τεράστια ποικιλία εφαρμογών και ii) ανομοιογένεια υποδομής. αποτελεί πολυ-χρηστικό και πολυ-λειτουργικό εργαλείο για εργασία, εκπαίδευση και ψυχαγωγία. Παρατήρηση/Πρόβλημα: Οι ανάγκες των χρηστών έχουν αυξηθεί, αλλά οι κανόνες που διέπουν τη μετάδοση και επαναμετάδοση δεδομένων παραμένουν αμετάβλητοι. Συνεπώς, το δίκτυο δεν μπορεί πλέον να παρέχει την απαιτούμενη ποιότητα υπηρεσιών. Σημείο Εκκίνησης: Θέλουμε να περιορίσουμε τις ανάγκες των χρηστών σύμφωνα με τους κανόνες, ή να ρυθμίσουμε τους κανόνες ανάλογα με τις ανάγκες των χρηστών; Συνεισφορά: Ενσωμάτωση των χαρακτηριστικών του Σύγχρονου Διαδικτύου στους κανόνες χρονοπρογραμματισμού μετάδοσης και επαναμετάδοσης δεδομένων.

4 Οι Σχεδιαστικές Προτάσεις Χρονοπρογραμματισμός Μετάδοσης για Επίγεια Διαδίκτυα AIRA: Ρύθμιση παράγοντα Προσθετικής Αύξησης ανάλογα με το επίπεδο ανταγωνισμού Χρονοπρογραμματισμός Επαναμετάδοσης για Επίγεια Διαδίκτυα Adaptive Minimum RTO: Αλγόριθμος ρυθμιζόμενου ελαχίστου περιθωρίου επαναμετάδοσης CA-RTO, WB-RTO: Προσαρμοστικοί αλγόριθμοι υπολογισμού timeout ανάλογα με το επίπεδο ανταγωνισμού Χρονοπρογραμματισμός Μετάδοσης και Επαναμετάδοσης Δεδομένων σε Διαστημικά Διαδίκτυα DS-TP: Αξιόπιστο πρωτόκολλο μεταφοράς για αποδοτική εκμετάλλευση δικτυακών πόρων

5 Εισαγωγή Τα πρωτόκολλα μετάδοσης και επαναμετάδοσης δεδομένων σχεδιάζονται παραδοσιακά με βάση την προσφορά και τη ζήτηση. Προσφορά: δικτυακοί πόροι Ζήτηση: απαιτήσεις των χρηστών Στα αρχικά στάδια ανάπτυξης του Διαδικτύου, η προσφορά δεν ξεπερνούσε τη ζήτηση και συνεπώς, οι κανόνες μετάδοσης και επαναμετάδοσης δεδομένων, οι οποίοι περιέχονται στο TCP σχεδιάστηκαν αναλόγως, ως ένα σύστημα ανοιχτού βρόχου.

6 Εισαγωγή Η εξάπλωση του Διαδικτύου οδήγησε σε αύξηση του όγκου δεδομένων που έπρεπε να μεταφερθούν από το δίκτυο. Το σύστημα ανοιχτού βρόχου δεν ήτανε ικανό να ρυθμίσει τη ροή δεδομένων και συνεπώς, το δίκτυο οδηγήθηκε σε κατάρρευση. Η ερευνητική κοινότητα τροποποίησε το TCP σε σύστημα κλειστού βρόχου, έτσι ώστε να είναι ικανό: 1. να αποφύγει τις καταρρεύσεις 2. να εγγυάται σταθερότητα, και 3. να παρέχει δίκαιη κατανομή πόρων μεταξύ των χρηστών.

7 Εισαγωγή Η ποιότητα παροχής υπηρεσιών για ένα πρωτόκολλο μεταφοράς εξαρτάται κυρίως από το Ρυθμό μετάδοσης δεδομένων. Π.χ.: Επιθετική μετάδοση αύξηση του φόρτου του δικτύου αστάθεια του συστήματος. Συντηρητική μετάδοση μη-αποδοτική αξιοποίηση των δικτυακών πόρων χαμηλός ρυθμός μετάδοσης.

8 Γιατί είναι σημαντική η έρευνα χρονοπρογραμματισμού μετάδοσης και επαναμετάδοσης δεδομένων; Η επιτυχία του Διαδικτύου βασίζεται στην ικανότητά του να παρέχει υψηλή αξιοποίηση των δικτυακών πόρων και δικαιοσύνη. Ο κύριος «υπεύθυνος» για την εξασφάλιση υψηλής αξιοποίησης και την παροχή δικαιοσύνης είναι ο αλγόριθμος χρονοπρογραμματισμού μετάδοσης δεδομένων.

9 Γιατί δεν μπορούμε να αγνοήσουμε τον αλγόριθμο χρονοπρογραμματισμού επαναμετάδοσης; Οι αλγόριθμοι χρονοπρογραμματισμού μετάδοσης και επαναμετάδοσης είναι αλληλένδετοι: Όταν ο αλγόριθμος μετάδοσης αποτυγχάνει να παραδόσει επιτυχώς δεδομένα στον παραλήπτη (π.χ. λόγω περιστατικού συμφόρησης), τότε αναλαμβάνει ο αλγόριθμος επαναμετάδοσης. Παρομοίως, ο αλγοριθμος επαναμετάδοσης επηρεάζει τη μετάδοση δεδομένων. Π.χ. ένας επιθετικός αλγόριθμος επαναμετάδοσης μειώνει τις διαθέσιμες χρονοθυρίδες μετάδοσης.

10 Ποιος είναι ο πιο καθοριστικός παράγοντας στην έρευνα χρονοπρογραμματισμού μετάδοσης και επαναμετάδοσης δεδομένων; Το επίπεδο ανταγωνισμού. Όταν το επίπεδο ανταγωνισμού είναι χαμηλό, τότε η πολύπλεξη δεδομένων και η εγγύηση δικαιοσύνης μπορεί να επιτευχθεί εύκολα. Όταν το επίπεδο ανταγωνισμού αυξάνεται, τότε οι υπάρχοντες αλγόριθμοι χρονοπρογραμματισμού οδηγούν σε συγχρονισμό των ροών, δηλαδή σε απότομες αυξο-μειώσεις στο φόρτο του δικτύου και άδικη κατανομή των δικτυακών πόρων.

11 Γιατί επεκτείνουμε την έρευνά μας στο διαστημικό περιβάλλον; Η διαδικτύωση στο διαστημικό περιβάλλον είναι μία καινούρια ερευνητική περιοχή, η οποία βρίσκεται ακόμη σε πολύ αρχικά στάδια και συνεπώς, αντιμετωπίζει σοβαρά λειτουργικά προβλήματα. Οι κανόνες μετάδοσης και επαναμετάδοσης αποτελούν βασικά συστατικά στοιχεία ενός συστήματος διαδικτύωσης. Συνεπώς, πρέπει να ερευνήσουμε εάν οι κανόνες που ισχύουν στο Επίγειο Διαδίκτυο μπορούν να εφαρμοστούν και στο Διαστημικό περιβάλλον.

12 Περίληψη Παρουσίασης 1. Χρονοπρογραμματισμός Μετάδοσης σε Επίγεια Διαδίκτυα Αλγόριθμος AIMD 2. Χρονοπρογραμματισμός Επαναμετάδοσης σε Επίγεια Διαδίκτυα Αλγόριθμος TCP RTO (TCP Retransmission Timeout) 3. Χρονοπρογραμματισμός Μετάδοσης και Επαναμετάδοσης σε Διαστημικά Διαδίκτυα Διαστημικό Πρωτόκολλο Μεταφοράς (Deep-Space Transport Protocol)

13 1. Χρονοπρογραμματισμός Μετάδοσης σε Επίγεια Διαδίκτυα Αλγόριθμος AIMD AIRA: Επιταχυντής Ρυθμού Προσθετικής Αύξησης (IFIP NETWORKING 2008, Elsevier Computer Networks)

14 Χρονοπρογραμματισμός Μετάδοσης σε Επίγεια Διαδίκτυα Προσθετική Αύξηση Πολλαπλασιαστική Μείωση (AIMD: Additive Increase Multiplicative Decrease) Ο αλγόριθμος AIMD: αυξάνει το ρυθμό μετάδοσης προσθετικά, όταν λαμβάνει θετική επιβεβαίωση κατά a πακέτα (a = 1), και πολλαπλασιάζει τον ρυθμό επί b (όπου b=0.5), όταν λαμβάνει αρνητική επιβεβαίωση. Η ερευνητική κοινότητα μελέτησε εκτενώς προσεγγίσεις όπου οι τιμές των a και b είναι διαφορετικές από τις παραπάνω, αλλά όλες οι σχετικές εργασίες αναφέρονται πάντα σε σταθερές τιμές για τις παραμέτρους a και b. Πιθανή αιτιολογία: Η παράμετρος Προσθετικής Αύξησης δε συμβάλει μακροπρόθεσμα στην απόδοση του συστήματος.

15 Χρονοπρογραμματισμός Μετάδοσης σε Επίγεια Διαδίκτυα Το Κίνητρο Παράμετρος Προσθετικής Αύξησης = 1 Παράμετρος Προσθετικής Αύξησης = 0.5 Διαφορετικοί Παράμετροι Προσθετικής Αύξησης

16 Χρονοπρογραμματισμός Μετάδοσης σε Επίγεια Διαδίκτυα Παρατηρήσεις Πρόβλημα Στόχοι Παρατηρήσεις: Ο ρυθμός Προσθετικής Αύξησης επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό το φόρτο Επαναμετάδοσης των ροών, ο οποίος με τη σειρά του επηρεάζει τη συμπεριφορά του συστήματος. Κατά τη δική μας προσέγγιση, η φυσική υπόσταση της παραμέτρου Προσθετικής Αύξησης είναι η επιτάχυνση με την οποία ο ρυθμός μετάδοσης φτάνει στο επιθυμητό επίπεδο. Πρόβλημα: Ένας σταθερός παράγοντας προσθετικής αύξησης οδηγεί σε μεγάλο φόρτο επαναμετάδοσης, άδικη κατανομή δικτυακών πόρων και αστάθεια για το σύστημα. Στόχος: Ο παράγοντας Προσθετικής Αύξησης πρέπει να ρυθμίζεται με βάση το επίπεδο ανταγωνισμού του δικτύου.

17 Επιταχυντής Ρυθμού Προσθετικής Αύξησης Ορολογία Συστήματος Το Σύστημα

18 Επιταχυντής Ρυθμού Προσθετικής Αύξησης Κανόνας Μείωσης Ρυθμός στο γύρο i Ρυθμός στο γύρο i+1 Κανόνας Μείωσης: a i 1 a i (1 pi )

19 Επιταχυντής Ρυθμού Προσθετικής Αύξησης Κανόνας Αύξησης a a (1 p p ) i1 i i1 i Ρυθμός στο γύρο i Ρυθμός στο γύρο ι+1 Κανόνας Αύξησης: a a (1 p p ) i1 i i1 i

20 Επιταχυντής Ρυθμού Προσθετικής Αύξησης Κατώτατα Όρια Θέτουμε δύο κατώτατα όρια για τον Παράγοντα Προσθετικής Αύξησης: 1. Σταθερό κατώτατο όριο = 0.1 (αποφυγή σταθεροποίησης ρυθμού μετάδοσης) 2. Κατώτατο Περιθώριο Προσθετικής Αύξησης: MAIL 1 (1 0,1) Round _ Number

21 Επιταχυντής Ρυθμού Προσθετικής Αύξησης Αποτελέσματα Τοπολογία Προσομοίωσης Πρόοδος Παράγοντα Προσθετικής Αύξσησης

22 Επιταχυντής Ρυθμού Προσθετικής Αύξησης Αποτελέσματα Goodput Συστήματος Φόρτος Επαναμετάδοσης Δικαιοσύνη

23 Επιταχυντής Ρυθμού Προσθετικής Αύξησης Συμπεράσματα Ο κανόνας «τυφλής» Προσθετικής Αύξησης έχει σοβαρές επιπτώσεις στην απόδοση του συστήματος, ιδιαίτερα όταν αυξάνεται ο δικτυακός ανταγωνισμός. Είναι δυνατή η σύγκλιση σε δικαιοσύνη σε ένα σύστημα όπου συνυπάρχουν ροές με διαφορετικούς ρυθμούς Προσθετικής Αύξησης. Η αποδοτικότητα και η σταθερότητα του συστήματος μπορεί να αυξηθεί, όταν κάθε ροή ρυθμίζει το ρυθμό μετάδοσης σύμφωνα με τις συνθήκες του δικτύου.

24 2. Χρονοπρογραμματισμός Επαναμετάδοσης σε Επίγεια Διαδίκτυα Αλγόριθμος TCP RTO (TCP Retransmission Timeout) Adaptive MINRTO: Ρυθμιζόμενο Κατώτατο Χρονικό Περιθώριο Επαναμετάδοσης (IFIP NETWORKING 2007, Submitted Elsevier Computer Communications) CA-RTO: Χρονικό Περιθώριο Επαναμετάδοσης με βάση το επίπεδο ανταγωνισμού (IEEE ICCCN 2005) WB-RTO: Χρονικό Περιθώριο Επαναμετάδοσης με βάση το παράθυρο συμφόρησης (IEEE GLOBECOM 2006, Elsevier Computer Networks)

25 Χρονοπρογραμματισμός Επαναμετάδοσης σε Επίγεια Διαδίκτυα Αλγόριθμος Χρονικού Περιθωρίου Επαναμετάδοσης Ο αλγόριθμος Επαναμετάδοσης του TCP αποτελείται από δύο κύρια μέρη: Τον αλγόριθμο υπολογισμού του χρονικού περιθωρίου επαναμετάδοσης (TCP-RTO). Το κατώτατο περιθώριο για το χρονικό περιθώριο επαναμετάδοσης (MIN-RTO). Το TCP-RTO υπολογίζεται με βάση την τιμή του RTT μόνο, σύμφωνα με τον τύπο: TCP RTO A 4 D όπου Α: ο μέσος όρος των δειγμάτων των προηγούμενων RTT, και D: η κυλιόμενη απόκλιση από τις προηγούμενες τιμές του RTT. Σύμφωνα με το RFC 2988, το TCP-RTO δεν πρέπει να παίρνει τιμές μικρότερες του ενός δευτερολέπτου, λόγω: 1. της Συχνότητας του Ρολογιού του Λειτουργικού συστήματος, η οποία ήτανε 500ms εκείνη την εποχή, και 2. της Ρύθμισης των Καθυστερημένων Επιβεβαιώσεων, το διάστημα μεταξύ των οποίων είναι (συνήθως) ίσο με 200ms.

26 Χρονοπρογραμματισμός Επαναμετάδοσης σε Επίγεια Διαδίκτυα Το Κίνητρο: TCP MIN-RTO Λειτ. Συστ. Windows Solaris Συχνότητα Ρολ ms 10ms Delayed ACK 200ms ms C( f ) RTO RTO min current Linux < 25ms Μεταβλητό - Συχνότητα Ρολογιού = 10ms - RTT = 6ms C( f ) 62,5

27 Χρονοπρογραμματισμός Επαναμετάδοσης σε Επίγεια Διαδίκτυα Το Κίνητρο: TCP-RTO

28 Χρονοπρογραμματισμός Επαναμετάδοσης σε Επίγεια Διαδίκτυα Το Κίνητρο: TCP-RTO Χρονικό Περιθώριο Επαναμετάδοσης (σε δευτερόλεπτα) RTT (σε δευτερόλεπτα)

29 Χρονοπρογραμματισμός Επαναμετάδοσης σε Επίγεια Διαδίκτυα Παρατηρήσεις Προβλήματα Στόχοι Παρατηρήση: Ο αλγόριθμος Χρονικού Περιθωρίου Επαναμετάδοσης (timeout) γίνεται ο χρονοπρογραμματιστής του καναλιού. Προβλήματα: 1. Η συντηρητική τιμή του ενός δευτερολέπτου ως κατώτατο όριο για το timeout μειώνει την απόδοση του συστήματος σε δίκτυα υψηλών ταχυτήτων/χαμηλών καθυστερήσεων. 2. Η αποκλειστική εξάρτηση του υπολογισμού του χρονικού περιθωρίου επαναμετάδοσης από την τιμή του RTT οδηγεί: 1. σε μειώση της τιμής του timeout, όταν αυξάνεται απότομα ο αριθμός των ανταγωνιζομένων ροών, και 2. σε συγχρωνισμό των ροών, όταν υπάρχει υψηλός δικτυακός ανταγωνισμός. Στόχοι: Σχεδιασμός του αλγορίθμου, έτσι ώστε: το κατώτατο όριο για το χρονικό περιθώριο επαναμετάδοσης να μην επηρεάζεται από τη συχνότητα του ρολογιού του λειτουργικού συστήματος. το χρονικό περιθώριο επαναμετάδοσης να λαμβάνει υπόψη του το επίπεδο του δικτυακού ανταγωνισμού.

30 Ρυθμιζόμενο Κατώτατο Χρονικό Περιθώριο Επαναμετάδοσης Παρατηρήσεις Καθυστερημένες Επιβεβαιώσεις: Μία επιβεβαίωση για κάθε δεύτερο πακέτο, σε περίπτωση παραλαβής ακολουθίας πακέτων. Μία επιβεβαίωση μετά από 200ms, εάν παραληφθεί πακέτο που δεν ακολουθείται από κανένα επόμενο. Παράδειγμα: 1. 4 συνεχόμενα πακέτα 2 κανονικές επιβεβαιώσεις συνεχόμενα πακέτα 1 κανονική και μία καθυστερημένη επιβεβαίωση. Αν το TCP-RTO είναι μικρότερο από 200ms, τότε ο χρονομετρητής του αποστολέα θα λήξει πρόωρα, ενώ το πακέτο έχει παραληφθεί σωστά. Στην πρώτη περίπτωση δεν υπάρχει λόγος ύπαρξης κατώτατου ορίου, ενώ στη δεύτερη πρέπει να εφαρμόσουμε κατώτατο όριο για να αποφύγουμε πρόωρη λήξη.

31 Ρυθμιζόμενο Κατώτατο Χρονικό Περιθώριο Επαναμετάδοσης Ο Αλγόριθμος Κατάσταση 1: nominrto. Δε χρειάζεται εφαρμογή κατώτατου ορίου, παρομοίως με την πρώτη περίπτωση προηγουμένως. Κατάσταση 2: extended MINRTO. Χρειάζεται εφαρμογή κατώτατου ορίου για το τελευταίο πακέτο της ακολουθίας. Διάγραμμα Ροής Προτεινόμενου Αλγορίθμου

32 Ρυθμιζόμενο Κατώτατο Χρονικό Περιθώριο Επαναμετάδοσης Παράδειγμα Μοντελοποίηση Άφιξης Επιβεβαιώσεων

33 Ρυθμιζόμενο Κατώτατο Χρονικό Περιθώριο Επαναμετάδοσης Αποτελέσματα: Ροές FTP Αυξανόμενο Μέγεθος Αρχείου Αυξανόμενο Ποσοστό Ασύρματων Λαθών Τοπολογία Προσομοίωσης

34 Χρονικό Περιθώριο Επαναμετάδοσης Αλγόριθμος CA-RTO (Contention-Adaptive RTO) Σχεδιαστικοί κανόνες: 1. Ενσωμάτωση του δικτυακού ανταγωνισμού: cont _ diff _ max_ cwnd _ cwnd _ 2. Εισαγωγή τυχαιότητας στο χρονοπρογραμματισμό επαναμετάδοσης: p random(0, cont _ diff _ 100%) Αλγόριθμος: CA RTO A 4 D c p Ιδιότητες: Ο παράγοντας c=1/cwnd επηρεάζει το αποτέλεσμα όταν ο ανταγωνισμός είναι μεγάλος. Ο παράγοντας p εισάγει τυχαιότητα στον υπολογισμό του χρονικού περιθωρίου επαναποστολής και επεκτείνει το περιθώριο ευθέως αναλόγως με το επίπεδο του ανταγωνισμού. Άρα, το περιθώριο επαναμετάδοσης αυξάνεται όταν αυξάνεται ο δικτυακός ανταγωνισμός.

35 Χρονικό Περιθώριο Επαναμετάδοσης Αλγόριθμος CA-RTO Στοιχεία Συμπεριφοράς TCP-RTO CA-RTO Ο αλγόριθμος CA-RTO δεν λύνει εξ ολοκλήρου το πρόβλημα του αλγορίθμου TCP-RTO, αλλά κάνει φανερά τα στοιχεία που πρέπει να συμπεριληφθούν κατά τον σχεδιασμό ενός νέου αλγορίθμου.

36 Αλγόριθμος CA-RTO Αποτελέσματα Goodput (άξονας y σε Bps) Επαναμεταδόσεις (άξονας y σε πακέτα) Τοπολογία Dumbbell Backbone = 10Mbps Delay = 100ms Δικαιοσύνη

37 Χρονικό Περιθώριο Επαναμετάδοσης Αλγόριθμος WB-RTO (Window-Based RTO) Σχεδιαστικοί κανόνες: Εκτίμηση της συνεισφοράς κάθε ροής στη συμφόρηση, μέσω του παράγοντα c: c f ( cwnd,max_ cwnd) c = 1, εάν cwnd 1/ 2max_ cwnd _ c = 1,5, εάν cwnd ανήκει στο (1/ 2max_ cwnd _,3 / 4 max_ cwnd _) c = 2, εάν cwnd ανήκει στο [3 / 4max_ cwnd,max_ cwnd] Εκτίμηση του Δικτυακού Ανταγωνισμού μέσω του βάρους a i : ai g( awnd _, Thresholdi ) Κάθε βάρος a 1 μέχρι a 4 αντιστοιχεί σε ένα διάστημα που καθορίζεται από την πρόσφατη τιμή του μέσου παραθύρου συμφόρησης και το αντίστοιχο κατώφλι. π.χ. εάν T 1 =10, T 2 =20 και awnd = 15, τότε a i = a 1 Εισαγωγή τυχαιότητας στον υπολογισμό του περιθωρίου επαναμετάδοσης για την αποφυγή συγχρονισμού. Ο αλγόριθμος: WB RTO random( rtt, c a i )

38 Χρονικό Περιθώριο Επαναμετάδοσης Αλγόριθμος WB-RTO Στοιχεία Συμπεριφοράς Παράμετρος c: όσο πιο κοντά είναι η τιμή του cwnd στη μέγιστη τιμή του παραθύρου max_cwnd_, τόσο περισσότερο έχει συνεισφέρει η συγκεκριμένη ροή στο παρόν περιστατικό συμφόρησης. Παράμετρος a i : όσο μεγαλύτερο είναι το μέσο παράθυρο συμφόρησης, τόσο μεγαλύτερη είναι η συνεισφορά της ροής στο επίπεδο του ανταγωνισμού κατά τη διάρκεια του προηγούμενου κύκλου.

39 Αλγόριθμος WB-RTO Αποτελέσματα Τοπολογία Dumbbell Backbone = 10Mbps Delay = 10ms

40 Αλγόριθμος WB-RTO Αποτελέσματα TCP-RTO WB-RTO

41 Χρονικό Περιθώριο Επαναμετάδοσης Συμπεράσματα Ένα Ρυθμιζόμενο Κατώτατο Χρονικό Περιθώριο Επαναμετάδοσης επιταχύνει την επαναμετάδοση αλλοιωμένων πακέτων σε δίκτυα υψηλών ταχυτήτων και χαμηλών καθυστερήσεων. Συμπεριλαμβάνοντας το επίπεδο του δικτυακού ανταγωνισμού και εισάγωντας τυχαιότητα στον υπολογισμό του χρονικού περιθωρίου επαναμετάδοσης δεδομένων μπορούμε να αποφύγουμε: 1. λανθασμένες εκτιμήσεις για την καθυστέρηση του δικτύου, και 2. συγχρονισμό των ροών. Οι παραπάνω βελτιστοποιήσεις: 1. αυξάνουν τη δικαιοσύνη του συστήματος, 2. μειώνουν τον φόρτο επαναμετάδοσης, 3. αυξάνουν την απόδοση Goodput του συστήματος, 4. αυξάνουν τη σταθερότητα του συστήματος.

42 3. Χρονοπρογραμματισμός Μετάδοσης και Επαναμετάδοσης σε Διαστημικά Διαδίκτυα Διαστημικό Πρωτόκολλο Μεταφοράς - Deep-Space Transport Protocol (IEEE Aerospace Conference 2008, Submitted Elsevier Computer Communications)

43 Τα Χαρακτηριστικά του Διαστημικού Διαδικτύου Εκατοντάδες συσκευές (ρομπότ, διαστημόπλοια, δορυφόροι) ερευνούν τις κλιματικές συνθήκες πλανητών του ηλιακού μας συστήματος. Η επιτυχία μίας διαστημικής αποστολής εξαρτάται σημαντικά από την επικοινωνιακή της υποδομή. Τα δίκτυα μεταγωγής κυκλώματος δεν είναι αποδοτικά στο διαστημικό περιβάλλον. Αντιθέτως, τα δίκτυα μεταγωγής πακέτου μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά την απόδοση του συστήματος. Το περιβάλλον δικτύωσης ονομάζεται Διαπλανητικό ή Διαστημικό Διαδίκτυο (Interplanetary Internet) και η ερευνητική περιοχή Δικτύωση Ανεκτική στην Καθυστέρηση και τη Διακοπή (Delay/Disruption- Tolerant Networking, DTN).

44 Τα Χαρακτηριστικά του Διαστημικού Διαδικτύου Το Διαστημικό Διαδίκτυο χαρακτηρίζεται από: Πολύ Υψηλές Καθυστερήσεις Διάδοσης. Υψηλά ποσοστά Αλλοίωσης Δεδομένων. Διακοπτόμενη Συνδεσιμότητα. Ασυμμετρία Ταχύτητας Καναλιών Μετάδοσης. Συστήματα κλειστού βρόχου, όπως το TCP, δεν μπορούν να λειτουργήσουν στο Διαστημικό περιβάλλον δικτύωσης. Οι κανόνες μετάδοσης και επαναμετάδοσης πρέπει να σχεδιαστούν στη βάση ενός μηαναδραστικού συστήματος ανοιχτού βρόχου και να βασίζονται σε κανόνες πρόληψης.

45 Μετάδοση και Επαναμετάδοση Δεδομένων σε Διαστημικά Διαδίκτυα Διαστημικό Πρωτόκολλο Μεταφοράς (DS-TP) Βασικά Χαρακτηριστικά του DS-TP: Μετάδοση Σταθερού Ρυθμού: Ο χρόνος συνδεσιμότητας και οι διαθέσιμοι πόροι είναι στοιχεία γνωστά και προκαθορισμένα. Συνδυαστική Στρατηγική Επιβεβαιώσεων (ACKs) Επιλεκτικών Αρνητικών Επιβεβαιώσεων (SNACKs): Το DS-TP χρησιμοποιεί ACKs για απελευθέρωση χώρου στον καταχωρητή του αποστολέα και SNACKs για επαναμετάδοση δεδομένων και μέτρηση του ποσοστού λάθους στο κανάλι μετάδοσης. Διπλή Αυτόματη Επαναμετάδοση: Το DS-TP στέλνει κάθε πακέτο 2 φορές, εισάγωντας καθυστέρηση R d αναμέσα στην 1 η και τη 2 η μετάδοση. Το διάστημα R d ρυθμίζεται ανάλογα με το ποσοστό λάθους του καναλιού μετάδοσης. Π.χ. εάν PER = 33%, η ακολουθία μετάδοσης είναι η εξής:

46 Διαστημικό Πρωτόκολλο Μεταφοράς (DS-TP) Διπλή Αυτόματη Επαναμετάδοση Παράδειγμα ακολουθίας μετάδοσης πακέτων, PER = 20%

47 Διαστημικό Πρωτόκολλο Μεταφοράς (DS-TP) Χρονοπρογραμματισμός Επαναμετάδοσης Πλήρης εκμετάλλευση (των δικτυακών πόρων) δε σημαίνει απαραίτητα αποδοτική εκμετάλλευση. Το DS-TP επαναμεταδίδει πακέτα είτε με την τεχνική της Διπλής Αυτόματης Επαναμετάδοσης, είτε χρησιμοποιώντας χρονικό περιθώριο επαναμετάδοσης (timeout): Εάν R d < RTT τότε χρησιμοποιούμε την τεχνική DAR Εάν R d > RTT τότε χρησιμοποιούμε timeout για επαναμετάδοση χαμένων/αλλοιωμένων πακέτων. Συνεπώς, το DS-TP με βάση μετρήσεις από το δίκτυο για το ποσοστό λάθους και την καθυστέρηση διάδοσης του καναλιού, χρονοπρογραμματίζει τη μετάδοση αυθεντικών και πλεοναζόντων πακέτων έτσι ώστε να εκμεταλλευτεί τους πόρους (δηλαδή το bandwidthdelay product) με τον πιο αποδοτικό τρόπο.

48 Διαστημικό Πρωτόκολλο Μεταφοράς (DS-TP) Μεθοδολογία Συγκρίνουμε το DS-TP με το πρωτόκολλο FR-TP (Fixed-Rate Transport Protocol) Το FR-TP: Μεταδίδει δεδομενα με σταθερο ρυθμό. Χρησιμοποιεί την ίδια στρατηγική επιβεβαιώσεων με το DS-TP. Ο αποστολέας μεταδίδει όλο το αρχείο και στο τέλος της μετάδοσης ο παραλήπτης στέλνει πίσω τις θετικές ή αρνητικές επιβεβαιώσεις. Όταν οι επιβεβαιώσεις φτάσουν στον αποστολέα, ολοκληρώνεται ένας Γύρος. Συγκρίνουμε την απόδοση των δύο πρωτοκόλλων με βάση τους απαιτούμενους Γύρους μέχρι την ολοκλήρωση μετάδοσης του αρχείου.

49 Διαστημικό Πρωτόκολλο Μεταφοράς (DS-TP) Απόδοση Θεωρητική Ανάλυση Λόγος Διαφοράς: n ratio n n frtp dstp 1 log(1 y) log y Λόγος Διαφοράς n_ratio

50 Διαστημικό Πρωτόκολλο Μεταφοράς (DS-TP) Απόδοση Θεωρητική Ανάλυση Διαφορά σε γύρους: n diff 1 log(1 y) log( ) fs log y log( y (1 y)) Μεταβλητό Ποσοστό Λάθους Μέγεθος Αρχείου = 100ΜΒ Μεταβλητό Μέγεθος Αρχείου Ποσοστό Λάθους = 30%

51 Διαστημικό Πρωτόκολλο Μεταφοράς (DS-TP) Απόδοση Πειραματικά Αποτελέσματα Λόγος Διαφοράς Διαφορά σε γύρους

52 Διαστημικό Πρωτόκολλο Μεταφοράς (DS-TP) Απόδοση Πειραματικά Αποτελέσματα Μέγεθος Αρχείου 0.25BDP Μέγεθος Αρχείου 1BDP Μέγεθος Αρχείου 4BDP

53 Διαστημικό Πρωτόκολλο Μεταφοράς (DS-TP) Συμπεράσματα Το κέρδος του DS-TP αυξάνεται όσο αυξάνεται το ποσοστό λάθους του καναλιού μετάδοσης Η απόδοση του DS-TP μειώνεται όταν το μέγεθος του αρχείου είναι μεγαλύτερο από το τετραπλάσιο της χωρητικότητας του καναλιού μετάδοσης και το ποσοστό λάθους είναι μικρό. Υπάρχει αντιδιαστολή (tradeoff) μεταξύ του βέλτιστου ρυθμού επαναμετάδοσης του μηχανισμού DAR και του επιπλέον φόρτου επαναμετάδοσης που προκαλεί.

54 Συμπεράσματα 1. Ο παράγοντας Προσθετικής Αύξησης δεν είναι απαραίτητο να είναι σταθερός καθόλη τη διάρκεια ζωής μίας ροής. Προσεχτικά σχεδιασμένοι κανόνες Προσθετικής Αύξησης μπορούν να αυξήσουν την απόδοση του συστήματος. 2. Το Κατώτατο Χρονικό Περιθώριο Επαναμετάδοσης δεν πρέπει να έχει σταθερή και συντηρητική τιμή. Ένα Ρυθμιζόμενο Κατώτατο Όριο μπορεί να ανταποκριθεί καλύτερα σε συνθήκες ασύρματης διαδικτύωσης. 3. Ο υπολογισμός του Χρονικού Περιθωρίου Επαναμετάδοσης δεν πρέπει να εξαρτάται αποκλειστικά από το RTT. Η ενσωμάτωση του επιπέδου δικτυακού ανταγωνισμού και ενός παράγοντα τυχαιότητας, αυξάνουν την απόδοση του αλγορίθμου ως χρονοπρογραμματιστή του καναλιού μετάδοσης. 4. Τα πρωτόκολλα για μετάδοση δεδομένων στο Διαστημικό Διαδίκτυο δεν πρέπει να υιοθετήσουν τους κανόνες που διέπουν το Επίγειο Διαδίκτυο. Οι κανόνες μετάδοσης για το Διαστημικό Διαδίκτυο πρέπει να βασιστούν σε σύστηματα ανοιχτού βρόχου και οι κανόνες επαναμετάδοσης δεδομένων σε κανόνες πρόληψης.

55 Publications Journal Papers: 1. Ioannis Psaras, Vassilis Tsaoussidis On the Properties of an Additive Increase Rate Accelerator Computer Networks (COMNET), Elsevier, to appear 2. Ioannis Psaras, Vassilis Tsaoussidis Why TCP Timers (still) Don t Work Well, Computer Networks (COMNET), Elsevier Science, Volume 51, Issue 8, pages , June Ioannis Psaras, Lefteris Mamatas and Vassilis Tsaoussidis On Protocol Engineering: Detect Confirm and Adjust International Journal of Internet Protocol Technology (IJIPT), Indersciense Publishers, Vol. 1, No.4 pp

56 Publications Conference Papers: 1. Ioannis Psaras, Vassilis Tsaoussidis AIRA: Additive Increase Rate Accelerator IFIP Networking 2008, Singapore 2. Ioannis Psaras, Giorgos Papastergiou, Vassilis Tsaoussidis and Nestor Peccia DS-TP: Deep-Space Transport Protocol IEEE Aerospace Conference 2008, Big Sky, Montana, USA 3. Ioannis Psaras, Vassilis Tsaoussidis The TCP Minimum RTO Revisited IFIP Networking 2007, Atlanta, USA

57 Publications 4. Ioannis Psaras, Vassilis Tsaoussidis WB-RTO: A Window-Based Retransmission Timeout for TCP IEEE Globecom 2006, San Francisco, USA 5. Ioannis Psaras, Lefteris Mamatas, Paulo Mendes QoS Control in Next Generation Networks: An Experimental Analysis of Flow-Based and SLS-Based Mechanisms WNEPT 2006, Workshop in conjunction with QShine, Ontario, Canada 6. Ioannis Psaras, Vassilis Tsaoussidis, Lefteris Mamatas CA-RTO: Contention-Adaptive Retransmission Timeout IEEE ICCCN 2005, San Diego, California, USA

58 Publications 7. Sotiris Kontogiannis, Lefteris Mamatas, Ioannis Psaras, Vassilis Tsaoussidis Measuring Transport Protocol Energy Potential for Energy Efficiency WWIC 2005, Xanthi, Greece 8. Ioannis Psaras, Lefteris Mamatas, Vassilis Tsaoussidis Shaping TCP Traffic in Heterogeneous Networks HetNets 2004, Ilkley, UK

59 Publications Submitted Papers: 1. Ioannis Psaras, Vassilis Tsaoussidis On the Properties of an Adaptive TCP Minimum RTO Submitted Elsevier Computer Communications (COMCOM) 2. Giorgos Papastergiou, Ioannis Psaras, Vassilis Tsaoussidis DS-TP: A Novel Transport Scheme for Space DTNs Submitted Special Issue on DTNs, Elsevier Computer Communications (COMCOM)