TCP E APPLICAZIONI IN AMBIENTE WIRELESS

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TCP E APPLICAZIONI IN AMBIENTE WIRELESS
Alma Mater Studiorum Università di Bologna
Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali
Corso di laurea in Scienze dellInformazione
Sistemi e Applicazioni Multimediali
Claudio Enrico Palazzi cpalazzi_at_cs.unibo.it
27 aprile 2004
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Internet e wireless 1/2

• Situazione attuale

• Crescita del traffico di Internet e della sua
  importanza nel quotidiano
• Aumento esponenziale nellutilizzo di
  dispositivi mobili (computer portatili, telefoni
  cellulari, PDA, )
• Incremento nellutilizzo delle connessioni
  wireless in generale (Hot Spots, Satelliti, )

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Internet e wireless 2/2

• Prospettiva futura

• Interazione tra mobile e Internet sempre più
  frequente

• comunicazioni a voce e a video su IP
• biblioteche virtuali
• conference calling indipendenti da luogo e da
  operatori
• telelavoro
• giochi on line
• video e musica on-demand
• supporto al traffico (navigazione e info su
  congestione vie)
• reperimento di informazioni location-based

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SOMMARIO

1. Principali funzioni del TCP
2. Problematiche proprie di un ambiente wireless con
   particolare attenzione a quelle correlate con il
   TCP
3. Tipologia di soluzioni proposte ed esempi (Snoop
   Protocol, TCP Westwood)
4. Un applicazione pratica per lo streaming video.

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Collocazione di TCP
OSI - ISO
Internet
Applicazione Presentazione Sessione Trasporto Rete
Collegamento Fisico
Applicazione
Trasporto -
TCP
Rete
Collegamento
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Caratteristiche e funzionalità di TCP

• Affidabilità della trasmissione
• Rilascio ordinato dei pacchetti (segmenti) al
  livello superiore
• Semantica End-to-End della connessione
• Controllo del flusso
• Ack cumulativi
• Sliding window
• Controllo della congestione
• Scadenza di timeout o ricezione di 3 DUPACK
  perdita di pacchetto
• Perdite dovute a congestione
• Riduzione della finestra di invio

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TCP Controllo della Congestione
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Contesto Wireless
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Diagramma interazione TCP-Wireless
BER elevato
Incapac. distinz. errore congest.
Latenza variab.
Disconn. handoff e fading
Errori in burst
Latenza elevata
Pacch. piccoli framm.
Bandwidth bassa
Bandwidth variabile
Diffic. stima RTT-RTO
Perdita di tanti pacchetti
Timeout a sproposito
Restringimento finestra di invio
Ritrasmiss. ridondanti
Spreco di Bandwidth
Spreco di Energia
Spreco di tempo
Legenda
Caratteristica wireless
Caratteristica TCP
Problema conseguente
Data Rate basso
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Tassonomia delle soluzioni (livello di trasporto)

• Divisione della connessione
• Ritrasmissioni locali
• Tempestività nellintervenire sul tratto wireless
• TCP specifico sul wireless
• End-to-End puro
• Nuovo protocollo di trasporto
• Mittente consapevole del tratto wireless
• Rispetto del paradigma End-to-End

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Protocolli di trasporto
Divisione della connessione
TCP tradizionali
End-to-End puri

• I-TCP
• M-TCP
• Snoop Protocol

• Delayed Dupacks
• TCP-Aware
• Freeze-TCP
• TCP Probing
• WTCP
• Fast TCP
• TCP Westwood

• TCP Reno
• TCP New Reno
• TCP Vegas
• TCP Sack

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Snoop Protocol (Balakrishnan et al., 1995)

• Ideato per combattere le conseguenze dei BER
  elevati
• Implementa nella base station uno Snoop Agent
• Monitoraggio di tutti i pacchetti in transito in
  entrambe le direzioni
• Memorizzazione dei pacchetti non ancora
  confermati da ack in una cache presente nella
  base station
• Ritrasmissioni locali dei dati persi e filtraggio
  dei dupack allo scopo di evitare che il mittente
  invochi meccanismi per il controllo della
  congestione.

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Snoop Protocol Esempio (1/9)
16
17
18
15
20
19
17
18
16
16
14
ack
dati
in cache
perso
Legenda
dupack
14
Snoop Protocol Esempio (2/9)
16
17
18
15
19
21
20
18
19
16
16
14
ack
dati
in cache
perso
Legenda
dupack
15
Snoop Protocol Esempio (3/9)
17
18
19
20
22
21
19
20
18
16
16
16
14
ack
dati
in cache
perso
Legenda
dupack
16
Snoop Protocol Esempio (4/9)
17
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21
18
16
16
16
16
ack
dati
in cache
perso
Legenda
dupack
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Snoop Protocol Esempio (5/9)
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20
Ritrasmissione
19
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16
16
16
16
Dupack scartati da BS
ack
dati
in cache
perso
Legenda
dupack
18
Snoop Protocol Esempio (6/9)
17
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16
16
16
16
Dupack scartati da BS
16
ack
dati
in cache
perso
Legenda
dupack
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Snoop Protocol Esempio (8/9)
17
18
19
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21
21
Niente Fast Retransmit
16
Dupack scartati da BS
16
16
16
ack
dati
in cache
perso
Legenda
dupack
20
Snoop Protocol Esempio (7/9)
17
17
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18
16
16
21
Niente Fast Retransmit
16
Dupack scartati da BS
16
16
ack
dati
in cache
perso
Legenda
dupack
21
Snoop Protocol Esempio (9/9)
25
26
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28
27
24
25
21
23
21
ack
dati
in cache
perso
Legenda
dupack
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Snoop Protocol Pro Cons

• Vantaggi
• Preserva la semantica End-to-End
• Effettua recupero locale (e tempestivo) delle
  perdite
• Affronta BER elevati

• Svantaggi
• Richiede RTT brevi sul tratto wireless
• Non gestisce adeguatamente le lunghe
  disconnessioni
• Non utilizzabile subito dopo un handoff (assenza
  di pacchetti nella nuova cache)

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TCP Westwood (Mascolo et al., 2001)

• Utilizzo di meccanismi puramente End-to-End
• Controllo del flusso basato sulla stima della
  bandwidth disponibile (BWE)
• Monitoraggio della frequenza di arrivo degli ack
  al mittente
• Utilizzo di BWE per impostare cwnd e ssthresh

• ssthreshBWERTTmin
• anziché TCP Reno
• Ssthresh cwnd/2
• se(cwnd gt ssthresh) allora cwndssthresh

• ssthreshBWERTTmin
• anziché TCP Reno
• Ssthresh cwnd/2
• cwnd 1

Arrivo di tre dupack
Scadenza di timeout
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TCP Westwood (1/3)
dk (bit ricevuti nellintervallo)
tk-1
tk
tk1

• La prima (e piu semplice) versione di TCPW
  utilizzava uno stimatore di bandwidth (BWE) dato
  da

campione
filtro esponenziale
guadagno del filtro
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TCP Westwood (2/3)
dk
dk-1
tk
(intervallo di campionamento)
T

• Stima della bandwidth ottenuta per aggregazione
  dei dati ricevuti durante lintervallo T.

campione
filtro esponenziale
guadagno del filtro
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TCP Westwood (3/3)

• La dimensione dellintervallo di campionamento
  viene continuamente adattato seguendo il livello
  di congestione misurato

adattamento continuo
con congestione Tk cresce (risulta una stima
piu prudente)
senza congestione Tk inter ACK (risulta una
stima piu aggressiva)
Throughput massimo, assumendo che non vi sia
congestione nel collegamento
Throughput corrente reale
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TCP Westwood (ssthresh a confronto)
cwnd
TCP Westwood
TCP Reno
capacità del canale
ssthresh BWE RTTmin
guadagno
ssthresh media TCP Reno
tempo
Perdite casuali
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TCP Westwood Pro Cons

• Vantaggi
• Stima della bandwidth al mittente per impostare
  la ssthresh e la cwnd che gli permette throughput
  elevati
• Modifiche del codice richieste solo al mittente
• Fair Friendly

• Svantaggi
• Stima della bandwidth falsata in collegamenti
  asimmetrici
• Assenza di meccanismi specifici per gestire
  disconnessioni
• Scarse prestazioni su pipe piccole
• Prestazioni al variare delle dimensioni dei
  buffer?

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Analisi attraverso un modello di confronto

• Problematiche NON prestazionali
• Ricevente inalterato
• Mittente inalterato
• Nodi inalterati
• Traffico criptato
• Semantica E2E
• Risparmio energia
• Collegam. asimmet.
• Fair Friendly

• Problematiche prestazionali
• Gest. disconness.
• Limitaz. spreco
• tempo
• Gest. BER elevato
• Discriminaz perdite
• Finestra invio non eccesivam. ridotta
• Limitaz. difficoltà
• calcolo RTT e RTO
• Limitaz. ridondanze

Snoop
Westwood
Legenda
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Videostreaming - Background

• Applicazioni Internet multimedia streaming in
  aumento
• La maggior parte di real-time video utilizza UDP
• nessun controllo della congestione
• no ACK, no ritrasmissioni
• pacchetti di dati inviati con rate prestabilito
  dal mittente.
• potenziale collasso della congestione
• Ricerca di soluzioni alternative volte a creare
  dei protocolli per lo streamin video (ma anche
  audio) che incorporino meccanismi di controllo
  della congestione

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Approcci per il controllo del flusso

• RAP (Rate Adaptation Protocol)
• somiglianza con TCP (meccanismo AIMD)
  adattamento del video trasmesso
• SR-RTP (Selective Retransmission-RTP)
• Ritrasmette solo alcuni tipi di pacchetti che
  trasportano informazioni chiave
• SCTP (Stream Control Transmission Protocol)
• somiglianza con TCP multistream
• TFRC (TCP-Friendly Rate Control)
• somiglianza con TCP tramite equazioni
• Limitazioni
• Il meccanismo AIMD (Additional Increase
  Multiplicative Decrease) provoca oscillazioni
  nella frequenza di trasmissione
• Scarsa utilizzazione della bandwidth disponibile
  in presenza di errori random

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Caratteristiche MPEG-4

• Compressione realizzata grazie alla
  compresenza di frame di diverso tipo (per
  importanza e dimensioni)
• Intra-coded frames (I-frames) sono codificati
  indipendentemente dagli altri frame fungono da
  frame di riferimento.
• Predicted frames (P-frames) dipendono dal frame
  che li precede (I o P) contengono dati di
  movimento immagine e informazioni su errori.
• Bi-directionally predicted frames (B-frames)
  dipendono sia dal frame precedente e sia da
  quello succesivo.

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VTP Video Transport Protocol

• Caratteristiche principali
• Stima della bandwidth utilizzata per adattare il
  flusso video
• Utilizzo dei livelli di compressione disponibili
  in MPEG-4 allo scopo di selezionare la qualita
  video piu appropriata per la trasmissione
• Mantenimento di un frame rate costante in modo da
  preservare la qualita percepita del video
• Equo utilizzo del canale con TCP preservato

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Stima della Bandwidth

• Il ricevente stima la Bandwidth disponibile
• Tecnica di stima della Bandwidth ispirata al
  meccanismo di TCP Westwood)
• Bi(a)Bi-1(1-a)(bibi-1)/2
• Bi stima della bandwidth
• bi bandwidth sample (bits_nel_pacchetto/
  intervallo tra arrivo di pacchetti)
• a coefficiente modificabile
• Il ricevente retro-invia al mittente la stima
  della bandwidth periodicamente (almeno ogni RTT)

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Algoritmo VTP

• Copie multiple dello stream video con diversi
  livelli di quantizzazione (compressione) sono
  disponibili sul server
• Lato mittente se la stima della bandwidth
  comunicata dal ricevente e maggiore o uguale
  alla frequenza di invio, allora incrementa
  gradualmente (un pacchetto per RTT) la frequenza
  di invio (probing phase)
• Quando la stima della bandwidth e sufficiente da
  supportare il livello di quantizzazione
  successivo, utilizza lo stream video con un
  livello di qualita superiore e maggiore bitrate.
• Se la stima della bandwidth ricade sotto la
  frequenza di invio corrente, utilizza un livello
  di quantizzazione inferiore

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Cambiameto di rate e codifica
DR Stato di Decremento IR Stato di
Incremento Q1, Q2, Q3 Stati di codifica MPEG
Esempio supponiamo di trovarci in Q1 Se la stima
della bandwidth eccede lultimo valore, andiamo
da Q1 a IR1. Controlliamo se la bandwidth e
sufficiente per supportare Q2. Se non lo e,
incrementiamo il rate e ritorniamo in Q1.
Altrimenti, andiamo in Q2.
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VTP vs TFRC con errori
VTP vs TFRC con perdite casuali stessa traccia
video per entrambi
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CONCLUSIONI

• Integrazione di Internet con ambiente wireless
  caratteristiche e problematiche
• Analisi critica di soluzioni differenti
• Esempio di applicazione derivata da una delle
  soluzioni proposte