Tcnicas para mejorar TCP sobre Enlaces Inalmbricos

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Técnicas para mejorar TCP sobre Enlaces
Inalámbricos
Aplicaciones Distribuidas Avanzadas

• Denys España

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Índice de contenido

• Introducción
• Soluciones End-to-End
• Conclusiones y recomendaciones
• Referencias

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Índice de contenido

• Introducción
• Soluciones End-to-End
• Conclusiones y recomendaciones
• Referencias

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Introducción (I)

• Transmision Control Protocol (TCP) es el
  protocolo de capa de transporte más conmumente
  usado para las aplicaciones de Internet actuales.

• TCP ha sido utilizado para ofrecer fiabilidad en
  redes fijas tradicionales y estacionarias donde
  las perdidas son mayormente causadas por
  congestión de la red.

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Introducción (II)

• Con la propagación del interes en las
  aplicaciones de datos inalámbricos ( tales como
  portatiles móviles, Pdas y telefonos móviles con
  capacidad de manejo de datos) llega una gran
  necesidad de adaptar TCP a las redes con enlaces
  inalámbricos.

• Describiremos los mecanismos y los diferentes
  esquemas que han sido propuestos para mejorar el
  funcionamiento de TCP en redes con enlaces
  inalámbricos.

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Introducción (III)

• Descripción de la respuesta TCP a los paquetes
  perdidos.

• TCP asume que la proporción de paquetes perdidos
  porque estan dañados es muy pequeña (mucho menos
  del 1).

• Para TCP un paquete perdido generalmente
  significa la presencia de congestión entre el
  emisor y el receptor.

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Introducción (IV)

• Para evitar futuros paquetes perdidos y mejorar
  la eficiencia de transmisión, TCP responde a la
  perdida de paquetes reduciendo la velocidad de
  transmisión.

• Esto es implementado a traves de la reducción de
  la ventana de congestión (cwnd).

• El número de paquetes sin Ack que un emisor
  puede enviar hacia la red es el mínimo de la
  actual cwnd y de la ventana ya conocida del
  receptor.

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Introducción (V)

• El valor más pequeño que puedo tener cwnd, es el
  menor número de paquetes que un emisor puede
  enviar durante un período de tiempo.

• Implementaciones TCP
• TCP-Reno

• Respuesta de TCP-Reno a la perdida de Paquetes.
• Detección de perdidas de paquetes dos formas
• Un Time-out ocurre cuando el emisor no recibe
  ningún ACK del receptor respecto de una cierto
  valor de tiempo preestablecido ( este valor se
  basa deacuerdo a un tiempo de ida-vuelta estimado)

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Introducción (VI)

• Cuando un Time-out ocurre, TCP interpreta esto
  como una congestión severa en la red ya que se
  asigna el Slow start threshold (ssthresh) a la
  mitad del mínimo de la actual cwnd y de la
  ventana ya conocida del receptor.

• Entonces esto decrece la cwnd en un segmento y se
  desarrolla un arranque lento (Slow Star)

• Durante el arranque lento, el emisor TCP
  incrementa cwnd en un segmento cada vez que un
  buen ACK es recibido. Se deriva un incremento
  exponencial de cwnd durante el arranque lento

• Cuando el cwnd alcanza el ssthresh sale del
  estado de arranque lento y se pasa al estado de
  evitar la congestion ( congestion avoidance),
  donde cada nuevo ACK incrementa cwnd en 1/cwnd.

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Introducción (VII)

• ACKs duplicados, ocurren cuando el receptor
  recibe paquetes fuera de orden pero han fallado
  para recibir el siguiente segmento esperado.

• TCP interpreta esto como una congestión severa de
  menor magnitud en compararión que cuando ocurre
  un time-out.

• Cuando el tercer duplicado ACK es recibido, TCP
  utiliza los algoritmos retransmisión rapida (
  fast restransmit ) y recuperación rapida ( fast
  recovery ).

• El ssthresh se le asigna la mitad del minimo de
  la cwnd y de la ventana ya conocida del receptor.

• El emisor TCP retransmite ( fast retransmit ) los
  paquetes perdidos inmediatamente sin esperar por
  el time-out de retransmisión.

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Introducción (VIII)

• Durante la fase de retransmisión rapida, este
  considera cada duplicado ACKs como un ACK de un
  segmento fuera de orden por lo que se incrementa
  el cwnd correspondientemente y se continua con el
  envio de paquetes.

• Cuando el ACK del paquete retransmitido es
  finalmente recibido, este va a la fase de fast
  recovery , el cwnd se le asigna el valor de
  ssthresh ( el cual es la mitad antes de la fase
  de retransmisión rapida ) y TCP procede a
  realizar el proceso de evitar la congestión (
  cogestion avoidance ).

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Introducción (IX)

• Funcionamiento de TCP en enlaces inalámbricos.

• Caracteristicas de los canales inalámbricos.
• Elevados bit-error rate (BER) con pérdidas
  aleatorias causadas por los efectos de shadowing
  and fading.
• Pueden causar rafagas de errores cuando el canal
  esta en una caída severa de una considerable
  cantidad de tiempo.

• Cuando el canal causa errores aleatorios en
  redes inalámbricas, TCP no interpreta los
  paquetes perdidos como relativos a la congestión.

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Introducción (X)

• Un simple error aleatorio causado por el canal
  originara ACKs duplicados y TCP invocará los
  usuales mecanismos de control de congestión.

• Los esquemas de retransmisión rapida (fast
  retransmission) y recuperación rapida (fast
  recovery) finalmente decreceran la velocidad de
  transmisión en un factor de 2 aunque la
  congestión no esta presente en la red.

• La baja velocidad de transmisión no es optima
  para las redes que no tienen congestión.

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Introducción (XI)

• En redes inalámbricas, los algoritmos de
  recuperación de errores de TCP, inherentemente
  degradan el funcionamiento del sistema.

• Estrategias que han sido propuestas para mejorar
  el funcionamiento de TCP en enlaces inalambricos.
• End-to-End
• Split-connection
• Link-Layer

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Introducción (XII)

• Los esquemas End-to-End hacen que el emisor TCP
  maneje todos los tipos de perdidas. Solo se
  requiere revisión de los algoritmos TCP para
  manejar perdidas inalámbricas aleatorias más
  efectivamente.

• Los esquemas Split-connection permiten que el
  enlace inalámbrico sea ocultado por completo
  desde el emisor, terminando la conexión TCP en la
  estación base. Un protocolo aparte (TCP o una
  variante de esta) es usado desde la estación base
  hasta el nodo final inalámbrico.

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Introducción (XIII)

• Los esquemas Link-Layer tienen mecanismos que
  apuestan a ocultar enlaces con perdidas desde el
  emisor TCP a traves de retransmisiones locales y
  posiblemente, corrección de errores en avance.

• Nos centraremos solo en los detalles de las
  soluciones End-to-End.

• Simulaciones han mostrado que a pesar del gran
  overhead requerido por los esquemas
  Split-connetion debido al procesamiento de
  protocolos duales en la estación base, el caudal
  (throughput) de los esquemas Split-connection es
  mucho menor que de una buena propuesta Link-Layer.

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Índice de contenido

• Introducción
• Soluciones End-to-End
• Conclusiones y recomendaciones
• Referencias

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Soluciones End-to-End (I)

• Estas propuestas hacen que el emisor TCP maneje
  las perdidas de paquetes causadas tanto por
  congestión como errores inalámbricos aleatorios.

• Mantiene la Semantica TCP End-to-End, requieren
  revisión en los algoritmos TCP en el emisor y un
  minimo o no procesamiento en las estaciones
  bases.

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Soluciones End-to-End (II)

• Categorizar los paquetes perdidos.

• Debido a que la degradación del funcionamiento de
  TCP en enlaces inalámbricos es causada
  principalmente por la no interpretación de TCP a
  los errores inalámbricos aleatorios como
  congestión, la más obvia estrategia para resolver
  esto es incorporar mecanismos tales que TCP
  responda de forma diferente a una fallo
  inalámbrico.

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Soluciones End-to-End (III)

• Si se determina que el paquete perdido es causado
  por un error inalámbrico aleatorio y no hay
  congestión presente, significa que la red puede
  manejar la actual velocidad de transmisión.

• En estos casos TCP no podria optar por un simple
  decrecimiento de cwnd porque podria ser mas
  beneficioso para el sistema el mantener la actual
  velocidad de transmisión.

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Soluciones End-to-End (IV)

• Se llama el proceso de determinar el tipo de
  perdida de paquetes como categorización de
  errores, dentro de lo cuales podemos tener tres
  metodos.

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Soluciones End-to-End (V)

• Implicit Calculation
• Un cálculo por el emisor que implicitamente
  determina el tipo de paquete perdido es el metodo
  el cual requiere la menos cantidad de cambios en
  la red.
• Si la categorización de errores es dejado solo al
  emisor TCP entonces no hay necesidad de
  actualizar el codigo de las estaciones bases y
  nodos intermedios.
• La desventaja de este metodo es que puede ser el
  menos preciso de categorización ya que los
  calculos son basados en suposiciones y medidas (
  medidas las cuales pueden estar basadas en otras
  suposiciones).

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Soluciones End-to-End (VI)

• Explicit Wireless Loss Notification
• Otro metodo es teniendo a la red ( la estación
  base o el receptor ) informando a el emisor TCP
  que el error fue causado por un caída
  inalámbrica.
• Al emisor se le envia un Explixt wireless loss
  notification (EWLN) para esto asi conoce que un
  error inalámbrico ocurrió.
• Un EWLN puede ser fácilmente incorporado en la
  seccion de opciones de la cabezera TCP. Tambien
  se propone que pueda ser enviado como un mensaje
  ICMP.
• Otro importante informe en los metodos EWLN es
  cual parte de la red enviará la notificación. La
  exacta implementación no se conoce pero se asume
  que el mensaje viene del receptor.

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Soluciones End-to-End (VII)

• Explicit Congestion Notification
• Un complemento de EWLN es el esquema Explicit
  congestión Notification (ECN).
• En lugar de recibir un mensaje denotando una
  perdida de paquetes a causa de un error
  inalámbrico, el emisor TCP esta a la espera de
  recibir una ECN el cual señaliza congestión en
  cualquier punto de la red.
• Se propone el manejo de colas activa en la
  infraestructura de internet. Basado en este
  esquema los routers detectan congestión antes de
  que la colas se revasen.
• Cuando la congestión esta por ocurrir, el router
  puede setear el bit Congestion Experienced (CE)
  en la cabezera IP de los paquetes.

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Soluciones End-to-End (VIII)
 
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Soluciones End-to-End (IX)

• Mantener la ventana de congestión (Maintain cwnd)

• Dado que el emisor TCP sabe ( hasta cierto grado
  de precisión) el tipo de paquete perdido, ahora
  veremos como TCP puede efectivamente responder a
  una perdida de paquetes inálambrica.

• Cuando la perdida es catalagoda como asociada a
  congestión, TCP invoca a los estandares
  algoritmos de recuperación de errores.

• Por otra parte, cuando una caida inalámbrica es
  detectada, el emisor TCP todavia va hacia la
  retransmisión rápida de los paquetes perdidos
  pero esto no decrece la cwnd.

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Soluciones End-to-End (X)

• Existe una implatación de una respuesta TCP
  manteniendo cwnd con un esquema de
  categorización de errores EWLN (llamada E2E-ELN).
  Sus resultados muestran que el esquema propuesta
  mejora el caudal por más de un factor de 2
  comparado con la implementación de TCP-Reno para
  un BER de 1.9 x 10 exp 6.

• El problema con esta simulaciones es que ellos
  asumen que el receptor tiene suficiente
  conocimiento para enviar perfectamente un preciso
  EWLN. Las simulaciones corren en un escenario de
  no congestión.

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Soluciones End-to-End (XI)

• Selective Acknowledgments.

• Estudios suguieren que usando Selective
  Acknowledgments (SACKs) con los esquemas de
  categorización de errores y el de mantener cwnd
  mejorará mucho más el caudal ofrecido de una red
  con enlaces inalámbricos.

• El original TCP no tiene ACKs selectivos o
  negativos.

• Hay un interes renovado en SACKs especialmente
  en la propuesta SACK RFC que propone que cada ACK
  contenga información de más de tres bloques no
  contiguos de datos que han sido recibidos
  exitosamente por el receptor.

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Soluciones End-to-End (XII)

• La implementación de Selective Acknowledgements
  se requiere de igual forma en el receptor TCP.

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Soluciones End-to-End (XIII)

• Respuesta a una degradacion severa de larga
  duración.

• Como el esquema de categorización de errores, una
  larga degradación puede ser determinada por
  calculos implicitos del emisor ( posiblemente a
  traves de multiple time-out los cuales puede
  significar una larga degradación o congestión
  severa) o por notificaciones de degradación
  severa por la estación base o el receptor.

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Soluciones End-to-End (XIV)

• Observando solo la cantidad de time-out en el
  emisor TCP seria fácil de implementar.

• Cuando la información de que el sistema esta en
  un degradación severa ha alcanzado el emisor TCP,
  este puede decrecer el cwnd en un segmento e ir a
  un arraque lento (Slow Start) o cerrar la
  conexión completamente.

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Índice de contenido

• Introducción
• Soluciones End-to-End
• Conclusiones y recomendaciones
• Referencias

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Conclusiones y Recomendaciones (I)

• Los algoritmos de recuperación de errores TCP
  estándar inherentemente decrecen el caudal
  ofrecido por la red en enlaces inalámbricos
  porque TCP asume que todas las perdidas son por
  congestión.

• En canales inalámbricos, los errores aleatorios
  causados por fading y Shadowing son predominantes.

• El óptimo metodo de categorización de errores
  depende del tipo de red a manejar. Para nodos
  inalámbricos conectados a una gran red fija, es
  más pratico usar un esquema EWLN con el EWLN
  enviado desde la estación base a los emisores
  TCP. En estos tipos de redes , aplicar ECN es
  impractico. El metodo ECN puede ser usado para
  pequeñas LANs donde los routers puede ser
  fácilmente configurados.

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Conclusiones y Recomendaciones (II)

• El emisor TCP, una vez informado del tipo de
  perdida podria responder a una perdida de paquete
  causada por errores inalámbricos usando
  retransmisión rápida y manteniendo el cwnd. El
  emisor TCP podria restransmitir los paquetes
  perdidos tan pronto como este recibe un EWLN ( o
  tan pronto como este calcula por si mismo que es
  una caida inalámbrica) y no esperar por mas ACKs
  duplicados. Finalmente , una caida inalámbrica
  aleatoria podria no automaticamente causar que el
  emisor TCP reduzca su velocidad de transmisión.

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Conclusiones y Recomendaciones (III)

• Es de importancia incorporar selective ACKs en
  los esquemas End-to-End. Selective ACKs permiten
  que el emisor TCP recupere más eficientemente de
  multiples caidas inalámbricas de un ventana dada.
  Multiples perdidas de paquetes en una ventana es
  causada por rafagas de errores los cuales son
  altamente probables en enlaces inalámbricos con
  mucho tráfico.

• El esquema End-to-End debe tambien incluir un
  mecanismo para que el emisor TCP determine si el
  nodo inalámbrico esta en una degradación severa
  por un largo periodo de tiempo. Cuando el nodo
  inalámbrico esta en esa situación, el emisor TCP
  podria responder tratandola como una congestión
  severa ( disminuyendo el cwnd a lo más bajo valor
  posible) o cerrar la conexión por completo.

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Índice de contenido

• Introducción
• Soluciones End-to-End
• Conclusiones y recomendaciones
• Referencias

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Referencias (I)

• W.R. Stevens, TCP/IP Illustrated, Vol. 1.
  Reading, MA Addison-Wesley, Nov. 1994.
• N.K.G. Samaraweera, Non-congestion packet loss
  detection for TCP error
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  Proceedings - Communications, Vol. 146, No. 4,
  Aug. 1999.
• H. Balakrishnan, V.N. Padmanabhan, S. Seshan, and
  R.H. Katz, A comparisonof mechanisms for
  improving TCP performance over wireless links,
  in IEEE/ACM Transactions on Networking, Vol. 5,
  No. 6 , Dec. 1997.
• D. Bansal, A. Chandra, and R. Shorey, An
  extension of the TCP flow control algorithm for
  wireless networks, in Proc. of 1999 IEEE
  International Conference on Personal Wireless
  Communication, 1999.
• S. Goel, and D. Sanghi, Improving TCP
  performance over wireless links, In Proc. Of
  TENCON '98, 1998 IEEE Region 10 International
  Conference on Global Connectivity in Energy,
  Computer, Communication and Control, Vol.2, Dec.
  1998.

38
Referencias (II)

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  way to improve TCP performance in wireless/mobile
  networks, in Proc. of IEEE/AFCEA EUROCOMM 2000,
  Information Systems for Enhanced Public Safety
  and Security, 2000.
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  Addition of Explicit Congestión Notification
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  00.txt, work in progress, November 2000.
• M. Mathis, J. Mahdavi, S. Floyd, and A. Romanow,
  Selective acknowledgementoptions, RFC-2018,
  1996.
• A. DeSimone, M.C. Chuah, and O.C. Yue,
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  protocols over wireless LANs, in Proc.IEEE
  Globecom 93, Nov. 1993.