Wireless tcp
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 29

Wireless TCP PowerPoint PPT Presentation


  • 36 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

Wireless TCP. Dr. Hannes Hartenstein NEC Europe Ltd., Heidelberg Sommersemester 2001, Universität Mannheim. Struktur der Vorlesung. Herausforderungen an die Transportschicht. Kurze Wiederholung von TCP. Probleme von TCP in drahtlosen/heterogenen Netzen. TCP-Modifikationen: Indirect TCP

Download Presentation

Wireless TCP

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


Wireless tcp

Wireless TCP

Dr. Hannes Hartenstein

NEC Europe Ltd., Heidelberg

Sommersemester 2001,

Universität Mannheim


Struktur der vorlesung

Struktur der Vorlesung

  • Herausforderungen an die Transportschicht.

  • Kurze Wiederholung von TCP.

  • Probleme von TCP in drahtlosen/heterogenen Netzen.

  • TCP-Modifikationen:

    • Indirect TCP

    • Snooping TCP

    • Mobile TCP

  • SACK TCP und schnelle Handoffs.

H. Hartenstein: Wireless TCP


Herausforderungen f r transportschicht

Herausforderungen für Transportschicht

  • Bitfehlerrate auf der Luftschnittstelle ‘viel höher’ als im Festnetz.

    • dadurch Paketverluste.

    • typischerweise werden genannt: 10^-6 oder schlechter (im Vergleich zu 10^-12 für Glasfaser).

    • Eckhardt/Steenkiste (SIGCOMM’96): gilt nicht für WLANs in Räumen.

  • Paketverluste durch Handoffs.

    • Physikalische bzw. logische Unterbrechung der Verbindung.

H. Hartenstein: Wireless TCP


Tcp grundlagen

TCP Grundlagen

  • TCP ist verbindungsorientiert.

  • TCP (Transmission Control Protocol) wurde spezifisch zur Bereitstellung eines zuverlässigen Bytestroms von Ende zu Ende in einem unzuverlässigen Netzverbund entwickelt. [Tanenbaum].

  • TCP ist immer Vollduplex und Punkt-zu-Punkt.

  • TCP hat grossen Anteil am gesamten Internet Verkehr (wg. HTTP/Web).

  • Zuverlässigkeit: durch Acknowledgements/Retransmissions.

  • Flusskontrolle/Staukontrolle: mittels ‘Sliding Window’.

H. Hartenstein: Wireless TCP


Tcp acks retransmission

sender

receiver

send 0 - 1024

receive 0 - 1024

acknowledge 1025

receive ACK 1025

send 1025 - 2048

packet lost

timer expires

resend 1025 - 2048

receive 1025 - 2048

acknowledge 2049

TCP: ACKs/Retransmission

H. Hartenstein: Wireless TCP


Tcp retransmission timeout

TCP: Retransmission Timeout

  • Timeout-Werte sind dynamisch!

  • Basieren auf gemessener RTT:RTT(i+1) = ( * RTT(i))+((1-) * sampleRTT)Timeout =  * RTT=2 (urspr. Empfehlung) oder basiert auf Varianz der Verzögerung.

  • Genaue RTT Schätzungen sind immer noch Forschungsgebiet ...

  • Karn’s Algorithm: RTT Messungen von ‘Retransmissions’ werden ignoriert.

  • Timer Backoff: Timeout-Wert wird vergrössert, wennTimeout auftritt: Timeout = *oldTO( = 2 ist typisch).

H. Hartenstein: Wireless TCP


Tcp flusskontrolle

TCP: Flusskontrolle

  • TCP Fenster zählt in Octets.

ACK received

transmitted

end of window

Data to transmit

Octet:

0

1024

2048

4096

5002

sliding window size= 3072

  • Empfänger kann Fenstergrösse modifizieren:

    • verhindert ‘buffer overflow’ beim Empfänger

    • auf 0 gesetzt wird der Fluss unterbrochen.

H. Hartenstein: Wireless TCP


Tcp staukontrolle

TCP: Staukontrolle

  • Kooperatives Verhalten zum Auflösen von Staus.

  • Sliding window wird zur Staukontrolle herangezogen:

    senderWin = min(receiverWin,congestionWin)

  • Geht ein Paket verloren, so geht der TCP Sender von einer Stau-Situation aus und beginnt den sogenannten slow start.

  • TCP Slow Start:

    • congestion threshold wird auf die Hälfte der derzeitigen Fenstergrösse des congestion window gesetzt.

    • congestion window wird auf Initial-Wert gesetzt (1 Paket).

    • Exponentielle Phase bis congestion threshold erreicht ist.

    • Dann lineares Wachstum (congestion avoidance).

H. Hartenstein: Wireless TCP


Tcp slow start

TCP: Slow Start

[Tanenbaum]

H. Hartenstein: Wireless TCP


Wesentliche tcp versionen

Wesentliche TCP Versionen

  • TCP Tahoe

    • ‘Fast retransmit’ Mechanismus: nach Empfang von ‘duplicate ACKs’ wird ‘slow start’ gestartet.

  • TCP Reno

    • Wie ‘Fast restransmit’ aber ‘Fast recovery’ verhindert starten von ‘slow start’.

  • Tahoe und Reno verbessern Verfahren bei Verlust eines einzelnen Pakets.

  • TCP NewReno und SACK TCP optimieren auch Mehrfach-Verluste.

  • SACK: selective ACKs. Empfänger gibt explizit an, welche ‘Lücke’ von Paketen aufgetreten ist.

H. Hartenstein: Wireless TCP


Tcp probleme in drahtlosen heterogenen netzen

TCP: Probleme in drahtlosen/heterogenen Netzen

  • Basisannahme ‘Paketverlust bedeutet Stau’ im Allgemeinen nicht korrekt.

  • Erhöhte Anzahl von Paketverlusten durch hohe BER und durch Handoffs.

  • Unnötiges Drosseln der Datenrate.

  • ‘Unfairness’ gegenüber TCP Sendern/Empfängern im Festnetz.

H. Hartenstein: Wireless TCP


Indirect tcp

Mobiles Endgerät

(mobile host)

„festes“ Internet

Zugangspunkt

(foreign agent)

normales TCP

„drahtloses“ TCP

Indirect TCP

  • Indirektes TCP segmentiert die Verbindung

    • keine Änderung am TCP-Protokoll für Rechner im Festnetz, hier ist die installierte Basis zu hoch

    • optimiertes TCP-Protokoll für Mobilrechner

    • Auftrennung der TCP-Verbindung z.B. am Foreign Agent in 2 TCP-Verbindungen, keine „echte“ Ende-zu-Ende-Semantik mehr

    • Rechner im Festnetz bemerken nichts vom mobilen Teil

H. Hartenstein: Wireless TCP


Indirect tcp1

Zugangspunkt1

Übertragung von socket

und Zustand (cache)

Internet

Zugangspunkt2

mobiler Knoten

Indirect TCP

Zustandsübertragung (context transfer)

H. Hartenstein: Wireless TCP


Indirect tcp2

Indirect TCP

  • Vorteile

    • keine Änderungen im Festnetzbereich, alle Optimierungs-maßnahmen helfen hier weiterhin

    • Fehler auf drahtloser Strecke pflanzen sich nicht ins Festnetz fort

    • relativ einfach beherrschbar, da mobile TCP-Varianten nur die kurze Strecke (ein „hop“) zwischen Foreign Agent und Mobilrechner betreffen

    • dadurch sehr schnelle Übertragungswiederholung, da Verzögerungszeit auf der Mobilstrecke bekannt ist

  • Nachteile

    • Verlust der TCP-Semantik, ACK an Sender heißt nun nicht mehr, daß der Empfänger wirklich die Daten erhalten hat - was passiert, wenn der Foreign Agent abstürzt? Konsistenz der Sichten?

    • vergrößerte Latenzzeiten durch Pufferung der Daten im Foreign Agent und evtl. Übertragung an den neuen Foreign Agent

H. Hartenstein: Wireless TCP


Snooping tcp

Lokale Übertragungswiederholung

„festes“ Internet

Puffern der Daten

Ende-zu-Ende-TCP-Verbindung

Snooping TCP

  • „Transparente“ Erweiterung von TCP im Access Router

    • Puffern der zum Mobilrechner gesendeten Daten

    • bei Datenverlust auf der Mobilstrecke (beide Richtungen) direkte Übertragungswiederholung zwischen AR und Mobilrechner („lokale“ Übertragungswiederholung)

    • dazu hört der AR den Datenverkehr ab und erkennt Bestätigungen in beide Richtungen (Filtern der ACKs)

    • TCP muß nur im AR erweitert werden

H. Hartenstein: Wireless TCP


Snooping tcp1

Snooping TCP

  • Datentransfer zum Mobilrechner

    • AR puffert die Daten bis zum ACK des MN, erkennt Paketverluste durch duplizierte ACKs oder time-out

    • schnelle Übertragungswiederholung, unbemerkt vom Festnetz

  • Datentransfer vom Mobilrechner

    • AR erkennt Paketverluste auf dem Weg vom MN anhand der Sequenznummern, sendet daraufhin NACK zum MN

    • MN kann nun sehr schnell erneut übertragen

  • Integration der MAC-Schicht

    • MAC-Schicht hat oft ähnliche Mechanismen wie TCP

    • schon in der MAC-Schicht können evtl. Paketduplikate durch Übertragungswiederholungen erkannt und verworfen werden

H. Hartenstein: Wireless TCP


Snooping tcp2

Snooping TCP

  • Probleme

    • Snooping TCP isoliert die drahtlose Verbindung nicht so gut

    • je nach Verschlüsselungsverfahren ist snooping nutzlos

    • RTT der Funkstrecke meist deutlich höher als RTT einer Transkontinentalverbindung ...

H. Hartenstein: Wireless TCP


Wireless tcp

Mobile TCP

  • Spezielle Handhabung längerer und/oder häufiger Unterbrechungen

  • M-TCP teilt die Verbindung ähnlich wie I-TCP auf

    • normales TCP im Festnetz bis zum supervisory host (SH)

    • optimiertes TCP zwischen SH und MH

  • Supervisory host

    • keine Pufferung der Daten, keine Übertragungswiederholung

    • Überwachung aller Pakete, sobald eine Unterbrechung festgestellt wird:

      • setze Sendefenster auf 0

      • der Sender wechselt dann automatisch in den persistent mode

    • der alte oder neue SH öffnet das Fenster wieder

H. Hartenstein: Wireless TCP


Mobile tcp

Mobile TCP

  • Vorteile

    • erhält Semantik, unterstützt Unterbrechungen, keine Zustandsübertragung notwendig bei Wechsel des Zugangspunktes

  • Nachteile

    • Verluste auf der drahtlosen Strecke wirken sich auf das Festnetz aus

    • verwendet spezielles TCP auf der drahtlosen Strecke

H. Hartenstein: Wireless TCP


Schnelles handoff sack tcp 1

CN

HA

home

network

Get new IP address

INET

Inform home agent

Physically disconnect from old base station

Transmission to new network

foreign

network

Physically connect with new base station

Physically disconnect from old base station

AR

AR

Get new IP address

Physically connect to new base station

Inform mobility agent

MN

Transmission to new network

Receive data

Receive data

Schnelles Handoff & SACK TCP (1)

  • This mechanism achieves interruption times of less than 10ms.

(a)

(b)

(a) traditional break-before-make approach,

(b) make-before-break. Arrows indicate interruption.

Simultaneous Bindings at the Home Agent.

H. Hartenstein: Wireless TCP


Schnelles handoff sack tcp 2

Schnelles Handoff & SACK TCP (2)

+---------------+---------------+

| kind=5 | Length |

+---------------+---------------+---------------+---------------+

| Left Edge of First Block |

+---------------+---------------+---------------+---------------+

| Right Edge of First Block |

+---------------+---------------+---------------+---------------+

| ................... |

+---------------+---------------+---------------+---------------+

| Left Edge of nth Block |

+---------------+---------------+---------------+---------------+

| Right Edge of First Block |

+---------------+---------------+---------------+---------------+

  • Sack Option Format:

This format is suitable for Mobile IP handoffs, because packet loss occurs in a ‘block’.

H. Hartenstein: Wireless TCP


Schnelles handoff sack tcp 3

Sender

Home Agent

Mobile Node

Schnelles Handoff & SACK TCP (3)

  • Test-network:

  • Specifications:

  • each base station builds its own IP subnet

  • wireless: Lucent WaveLan Bronze Turbo cards (data rate 6 MBit/s)

  • fixed links: 100 MBit/s – no load or process other than test traffic

  • Router: able to intercept/delay packets to simulate different round trip times

H. Hartenstein: Wireless TCP


Schnelles handoff sack tcp 4

RTT = 3,5ms

Data rate

KBit/s

Data rate

KBit/s

Data rate

KBit/s

Delay

msec

Delay

msec

Delay

msec

no handoff

no handoff

no handoff

4163

2092

4266

-

-

-

fast handoff

fast handoff

fast handoff

4206

2020

3827

7,8

7,5

7,3

trad. handoff

trad. handoff

trad. handoff

1877

3456

4000

117,8

130,7

119,5

RTT = 35ms

RTT = 115ms

Schnelles Handoff & SACK TCP (4)

  • We compare the Simultaneous Bindings approach (handoff interruption 10ms) with a traditional Mobile IP implementation (handoff interruption 120ms).

H. Hartenstein: Wireless TCP


Schnelles handoff sack tcp 5

Schnelles Handoff & SACK TCP (5)

  • Trad. handoff

  • RTT 35ms

  • Fast handoff

  • RTT 35ms

H. Hartenstein: Wireless TCP


Schnelles handoff sack tcp 6

Schnelles Handoff & SACK TCP (6)

  • zoom:

  • Trad. handoff

  • RTT 35ms

  • zoom:

  • Fast handoff

  • RTT 35ms

H. Hartenstein: Wireless TCP


Schnelles handoff sack tcp 7

sending window

not ACKed

because of RTT

lost due to

handoff

still some room left ...

Schnelles Handoff & SACK TCP (7)

  • In case, the handoff is fast for the given window / buffer size, the sending window looks like this:

  • The data rate D for which the sending window will not block during a

  • handoff is determined via:

with:

D sender’s data rate [bytes per second] S size of the sending window H handoff delay [seconds] R round trip time [seconds]

thus:

H. Hartenstein: Wireless TCP


Schnelles handoff sack tcp 8

Schnelles Handoff & SACK TCP (8)

  • To summarize:

  • SACK TCP can work well with Mobile IP if either

  • the window size (and corresponding buffers) is large with respect to the handoff delay

    or

  • the handoff procedure is fast enough for the given window / buffer size.

H. Hartenstein: Wireless TCP


Zusammenfassung

Zusammenfassung

  • Transport-Protokolle, die für drahtgebundene Netze entwickelt worden sind, haben meist Probleme mit drahtlosen Umgebungen.

  • Bei TCP: Annahme, dass Paketverlust einen Stau bedeutet. Nicht korrekt in drahtlosen Umgebungen.

  • Vorschläge: I-TCP, Snooping-TCP, Mobile TCP, SACK TCP mit verschiedenen Vor- und Nachteilen. Fokussieren auf ‘cellular networks’.

H. Hartenstein: Wireless TCP


Zukunft

Zukunft

“Initial research on extending Internet Services

in mobile wireless networks has primarily

focused on network-layer issues ...

Providing robust, functional transport-layer

services in mobile wireless networks remains a

largely unexplored research area.”

[J. Macker, V. Park, M. Corson, “Mobile and Wireless Internet Services: Putting the Pieces Together”, IEEE Communication Magazine, June 2001]

... think of a transport protocol for ad hoc networks!

H. Hartenstein: Wireless TCP


  • Login