Introduzione. Introduzione

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1 Introduzione Introduzione In questi ultimi anni siamo stati testimoni di un importante progresso tecnologico che ha portato alla nascita di Internet, la rete di trasmissione dati Globale. Internet ha segnato il passaggio dalla società industriale alla società dell informazione, ossia ad un tipo di società in cui l informazione rappresenta un nuovo bene economico. Attraverso Internet, ogni giorno, milioni di utenti comunicano, si scambiano informazioni di vario tipo, lavorano, imparano, si conoscono: collaborano nella costruzione di quel patrimonio di informazioni dalle dimensioni inimmaginabili. Il World Wide Web è, senza ombra di dubbio, la principale applicazione che ha permesso la rapida espansione della rete Internet, sia in ambito residenziale che aziendale. Oggigiorno Internet è in grado di offrire ai suoi numerosi utenti una vastità di servizi come l e-commerce, il trading on-line, l accesso alle banche dati, strumenti indispensabili su cui l intera economia mondiale si basa. Attualmente, uno dei principali interessi nel campo dell Information Technology è la convergenza tra Internet e le tecnologie di comunicazione wireless. Questa integrazione di reti wired e reti wireless nasce dall esigenza di 1

2 Introduzione poter fornire l accessibilità ad Internet a nuove classi di utenti, rimuovendo i vincoli delle infrastrutture fisse. In questo scenario un utente che si trova in un treno o in un pullman in movimento, deve essere in grado di poter consultare la propria posta elettronica, scaricare informazioni dal Web, comunicare e, in generale, di accedere ai servizi offerti da Internet. Il processo di integrazione ha iniziato a muovere i primi significativi passi con l introduzione del protocollo WAP, grazie al quale si è cercato di accedere, seppur in maniera limitata, ad Internet direttamente dal telefono cellulare. Una significativa evoluzione del WAP è rappresentata dalla nascita di UMTS, un architettura di rete mobile interamente basata su IP ideata per supportare anche le trasmissioni dei dati multimediali: audio e video. In ambito residenziale e aziendale, il binomio wired-wireless, ha portato alla nascita delle reti wireless a pacchetto per area locale (WLAN). Tale reti, commercialmente definite come reti Wi-Fi, si basano sul ben noto standard IEEE e sue estensioni. In una rete WLAN tutte le stazioni comunicano, attraverso il medesimo canale radio, raggiungendo velocità di trasmissione massima pari a 11 Mbps (IEEE b) e 54 Mbps (IEEE g/a), inoltre con l imminente standardizzazione del progetto IEEE n si potranno raggiungere velocità fino ad almeno 100 Mbps. La condivisione del canale radio introduce nuove problematiche principalmente dovute alla qualità del servizio. Le attività di ricerca in questo settore hanno portato alla definizione di particolari meccanismi che consentono di differenziare i metodi di accesso al mezzo, per differenti classi di traffico. Le reti WLAN non rappresentano l unica soluzione wireless per l interconnettività ad Internet: attualmente molti investimenti sono orientati anche verso le cosiddette WMAN (IEEE ), ossia reti wireless a pacchetto per area metropolitana, commercialmente note come Wi-MAX. Le reti wireless conformi allo standard IEEE , operano nello spettro 10-60GHz, raggiungono velocità massime di 70 Mbps e coprono distanze, tra stazione base e terminale, di massimo 50 Km. Inoltre in tali reti la comunicazione 2

3 Introduzione tra le stazioni è di tipo Line-of-Sight (LoS), in cui le antenne delle stazioni comunicanti devono essere visibili ovvero, non devono esserci ostacoli tra esse ma un ampio air tunnel in cui viaggiano le onde elettromagnetiche trasmesse. Nell estensione IEEE a e nel recente standard IEEE lo spettro di frequenze utilizzato è stato ridotto a 2-11 GHz, al fine di ridurre i costi degli apparati per promuovere la diffusione della nuova tecnologia. Con tale spettro di frequenze lo scenario considerato è Non Line-of-Sight (NLoS), in cui le antenne delle stazioni trasmittenti e riceventi possono non vedersi e comunicano attraverso onde elettromagnetiche che vengono riflesse tra gli ostacoli presenti lungo il percorso che dalla stazione trasmittente porta alla ricevente. Un altra tipologia di reti WMAN è quella supportante la mobilità delle stazioni, basata sullo standard IEEE e. Nello scenario di riferimento considerato dal quest ultima estensione si evidenzia la presenza di un nuovo tipo di stazione noto come Mobile Subscriber Station (MSS). L introduzione della mobilità in una rete wireless apre nuove attività di ricerca atte a migliorare la qualità di comunicazione, degradata dal fenomeno di handoff e dall effetto doppler. Un obiettivo ambizioso nel campo dell Information Technology è quello di passare dalle attuali reti wireless (che forniscono accesso a singoli terminali) a reti più complesse e scalabili: reti di reti wireless sul modello dell architettura di Internet, con architetture magliate e/o multi-hop composte da più link wireless con livelli fisici eterogenei. Dal momento che la maggior parte delle applicazioni di Internet (più del 90%) è TCP-based, è necessario proporre soluzioni specifiche ai problemi che il protocollo TCP introduce sull innovativa tecnologia wireless. Il TCP è stato ideato e progettato per reti wired caratterizzate da bit error rate (BER) molto bassi e con un processo di errori di tipo i.i.d. (indipendenti e identicamente distribuiti). A tal proposito, il TCP associa ogni perdita di pacchetto dati esclusivamente a fenomeni di congestione della rete e richiama i noti meccanismi di controllo di congestione che producono una riduzione del 3

4 Introduzione tasso di trasmissione. I link wireless, soprattutto quelli mobili, sono caratterizzati da BER elevati e dalla presenza di errori a burst, pertanto è molto più probabile che un pacchetto si perda a causa della forte variabilità del canale radio, piuttosto che per effetto della congestione. In queste situazioni, il TCP non essendo in grado di interpretare l esatta causa della perdita del pacchetto, invocherà i meccanismi di controllo di congestione e recupererà, in maniera inefficiente, le perdite. Il miglioramento delle prestazioni del protocollo TCP su reti wireless è un argomento molto stimolante che sta portando alla definizione di soluzioni sempre più interessanti. Attualmente le principali soluzioni presenti in letteratura possono essere classificate in tre tipologie distinte: soluzioni end-to-end, soluzioni split-connection e soluzioni Link-Layer. La prima tipologia consiste nell introduzione di modifiche da apportare direttamente al protocollo TCP degli end-system, in modo tale da ottimizzare il suo comportamento tenendo in conto la presenza di un link wireless. L approccio di tipo splitting-connection viola, in un certo senso, la semantica end-to-end del protocollo TCP. Questo tipo di soluzione suddivide una connessione TCP (end-to-end) in più connessioni, ognuna delle quali utilizzerà la versione del TCP che meglio si comporta su quella particolare tratta. L idea alla base del terzo approccio è quello di recuperare le perdite i sul solo link wireless a livello Data-Link, con l obiettivo di schermare le perdite introdotte dal canale wireless, in modo che esso appaia più affidabile ai livelli superiori. Questo approccio introduce meccanismi di error recovery (ARQ) a livello Data-Link che, attraverso l uso di riscontri e ritrasmissioni, tentano di recuperare le perdite. Dal momento che il protocollo TCP è implementato su tutti gli end-system, ogni sua modifica deve essere apportata su tutti gli host della rete Internet e ciò comporta un intervento su milioni di terminali. Le tecniche split-connection violano la semantica end-to-end e introducono un alto overhead dovuto 4

5 A B C D E F G H SE LE C TE D O N - L IN E Introduzione principalmente al buffering dei segmenti TCP nei nodi che separano le connessioni. Le soluzioni Data-Link, intervenendo ad un livello più basso dello stack protocollare della rete Internet risultano più efficienti rispetto alle soluzioni precedenti. OBIETTIVO E DESCRIZIONE GENERALE DEL LAVORO DI TESI L obiettivo del presente lavoro di tesi è quello di definire un meccanismo atto a migliorare le prestazioni del protocollo TCP su reti Wireless MAN supportanti la mobilità, conformi allo standard IEEE e. Per conseguire l obiettivo preposto si è scelto un approccio di tipo Data-Link al fine di poter lasciare inalterato il protocollo di trasporto end-to-end (TCP Reno). Lo scenario considerato è illustrato in figura I.1 WMAN IEEE e WLAN IEEE Internet Stazione fissa Stazione Mobile Access Point Fig. I.1Scenario di riferimento Lo scenario del presente lavoro di tesi prevede la presenza di autobus cittadini (Mobile Subscriber Station, MSS) che viaggiano all interno di un centro urbano e che possono scambiare informazioni con delle stazioni fisse (Base Station, BS) poste in vari punti del centro urbano stesso (architettura a celle). All interno di ciascun autobus è ospitata una rete wireless locale. Ogni WMAN è 5

6 Introduzione gestita a livello Data-Link in base alle specifiche dello standard IEEE e, mentre ogni WLAN è caratterizzata da un Data-Link basato su IEEE Per valutare le prestazioni del protocollo TCP si è considerato un traffico dati di tipo FTP. Inoltre al fine dell analisi delle prestazioni, si è supposto che il delay e il congestion rate del tratto Internet sia nullo. In queste ipotesi, si è focalizzata l attenzione al link wireless BS-MSS, in cui un server FTP, sulla BS, invia dati a un singolo client FTP rappresentato dalla stessa MSS. Lo studio condotto durante lo svolgimento della tesi è stato articolato nelle seguenti fasi: Studio delle problematiche legate all uso del protocollo TCP in uno scenario di rete che prevede l utilizzo di link wireless mobili e analisi delle principali soluzioni presenti in letteratura; Studio del livello Data-Link definito dallo standard IEEE e analisi accurata degli schemi ARQ previsti dallo standard IEEE ; Definizione di un nuovo protocollo ARQ adattativo per reti Wireless MAN mobili che ben si adatti alle caratteristiche correnti del canale fisico. Il protocollo definito non modifica in nessun modo le specifiche imposte dallo standard, ma combina, in maniera adattativa, gli schemi proposti dallo standard e introduce dei meccanismi che consentono di rilevare e recuperare, con tempestività, le perdite dei dati. Implementazione nell ambiente di simulazione Network Simulator versione 2 (NS2) dello schema definito. In questa fase sono state effettuate diverse campagne di simulazioni atte a misurare le prestazioni del TCP, sia sui singoli schemi ARQ forniti dallo standard, che sul protocollo definito. In particolare, le simulazioni sono state effettuate considerando il traffico FTP e valutando il goodput normalizzato come indice di performance; 6

7 Introduzione Analisi dei risultati ottenuti e confronto delle prestazioni del TCP, in termini di goodput normalizzato, rispetto agli schemi ARQ considerati. STRUTTURA DEI CAPITOLI La presente tesi è strutturata in cinque capitoli e un appendice. Il primo capitolo, dopo una breve descrizione delle caratteristiche dei link wireless e dei disturbi dovuti alla mobilità delle stazioni che lo utilizzano, analizza le problematiche del protocollo TCP su tali collegamenti. In fine sono descritti i principali schemi proposti in letteratura atti a migliorare le prestazioni del TCP. Il secondo capitolo analizza in maniera dettagliata e rigorosa, il meccanismo di error recovery definito dal nuovo standard IEEE In questo capitolo si descrivono i quattro schemi ARQ forniti dallo standard e i meccanismi di reset di connessione, richiamati nei casi di perdita di sincronismo tra sender e receiver. Il capitolo termina con una serie di open point a cui lo standard non fornisce dettagli. Nel terzo capitolo sono forniti tutti i dettagli del protocollo ARQ definito, analizzando e giustificando meticolosamente tutte le scelte effettuate sui singoli open point. Inoltre analizza il completo funzionamento del protocollo, studiando il comportamento dello stesso in alcuni scenari significativi. Il quarto capitolo è dedicato al modello di simulazione implementato in NS2 utilizzato per la fase di validazione della soluzione definita. Nel quinto capitolo sono presentati e commentati i risultati prodotti dalle simulazioni. Inoltre, il capitolo, descrive ciò che potrebbe rappresentare il naturale proseguo del presente lavoro di tesi. L appendice A, dopo una breve panoramica dell evoluzioni dello standard IEEE , descrive le caratteristiche dello standard soffermandosi principalmente sugli argomenti direttamente correlati con il lavoro di tesi. 7

8 Capitolo 1 TCP su Reti Wireless Supportanti la Mobilità 1.1 INTRODUZIONE Le reti di trasmissione dati wireless stanno assumendo una notevole importanza e il numero di utenze mobili che accede alla rete Internet usando le reti wireless è in continuo aumento. L ambiente wireless è differente rispetto a quello delle reti fisse wired, principalmente per le caratteristiche del canale fisico di comunicazione, che non consente di avere delle performance ottimali con gli usuali protocolli di utilizzati nella rete classica Internet (wired). In particolare vi sono numerosi fenomeni come lo shadowing, la path loss, il multipath che causano perdita di dati. Se si considera anche la mobilità dei terminali, vi si aggiungono altri fenomeni di disturbo, derivanti dall effetto doppler e dall handoff, che causano un ulteriore perdita di dati producendo un drastico abbassamento delle prestazioni dell intero 8

9 sistema di comunicazione. Migliorare il servizio delle reti wireless è un lavoro complesso limitato dalle risorse radio disponibili. Molte applicazioni Internet, come, per esempio, World Wide Web (WWW), File Transfer Protocol (FTP), , richiedono un trasporto affidabile dei dati, in termini di consegna in ordine e senza errori. In generale, il servizio di affidabilità è efficiente per le reti wired e inefficiente per quelle wireless. Il Transmission Control Protocol (TCP) è il protocollo di livello di trasporto più largamente usato per questo scopo, ma esso è stato progettato e ottimizzato per operare efficientemente su reti wired. Essenzialmente il TCP è stato realizzato per reti che utilizzano canali aventi un basso tasso d errore, pertanto assume che ogni perdita di pacchetto sia dovuta alla congestione della rete e non ai fenomeni di disturbo del canale fisico. In questi casi, per recuperare le perdite, utilizzerà i noti algoritmi di controllo di congestione che in uno scenario wireless riducono le prestazioni del protocollo stesso. Il presente capitolo è stato suddiviso in due parti. Nella prima parte verranno analizzate le principali caratteristiche del canale fisico delle reti WirelessMAN supportanti la mobilità, utilizzando il modello definito nel lavoro di tesi [MINO03]. Nella seconda parte verranno illustrate le principali tecniche adottate per migliorare le prestazioni del TCP su reti wireless. 1.2 CARATTERISTICHE GENERALI DEL CANALE WIRELESSMAN MOBILE L analisi delle prestazioni di un canale è fondamentale se si vogliono definire dei meccanismi atti a migliorare le prestazioni di Internet e quindi la QoS percepita dall end-user. I canali utilizzati dalle reti WirelessMAN possono essere classificati in due categorie: canali di tipo Line-of-Sight (LoS) e canali di tipo Non Line-of-Sight (NLoS). Il primo tipo di canale è adottato dalla prima versione dello standard IEEE in cui le antenne delle stazioni comunicanti devono essere visibili, ovvero non devono esserci ostacoli tra esse ma un ampio air tunnel in cui 9

10 viaggiano le onde elettromagnetiche trasmesse. Il canale di tipo NLoS è utilizzato da tutte le reti WirelessMAN conformi agli standard IEEE a, IEEE e e IEEE , in cui le antenne delle stazioni trasmittenti e riceventi possono non vedersi e comunicano attraverso onde elettromagnetiche che vengono riflesse sugli ostacoli, presenti lungo il percorso che dalla stazione trasmittente porta alla ricevente. Sebbene il fenomeno della riflessione di onde elettromagnetiche può essere visto come un aspetto positivo, in quanto permette la comunicazione tra due stazioni nonostante la presenza di ostacoli, esso introduce dei disturbi che degradano le prestazioni del canale. In particolare, le onde elettromagnetiche riflesse subiscono altri fenomeni fisici, quali l assorbimento di potenza da parte degli ostacoli incontrati lungo il percorso, che tendono a ridurre la potenza dell onda stessa. Un altro aspetto che non può essere trascurato è la distanza percorsa dalle onde elettromagnetiche che è la causa principale di abbassamento della potenza (fenomeno della path loss). La riflessione di un onda su un ostacolo genera, inoltre, un altro effetto collaterale che porta alla produzione di altre onde elettromagnetiche (diffrazione) a partire dall onda originaria che si manifesta con un ulteriore abbassamento della potenza trasmissiva. Inoltre, se gli ostacoli tra sender e receiver sono mobili (alberi in movimento ad esempio), il fenomeno della riduzione di potenza delle onde riflesse è variabile nel tempo ed è denominato shadowing. Lo shadowing si manifesta con oscillazioni lente e marcate della potenza ricevuta. In generale il fenomeno dell abbassamento di potenza dovuta alla presenza di agenti esterni alla comunicazione oppure alla mobilità di questi, è noto come fading. Se le varie onde riflesse da un unica onda originaria (repliche) hanno sufficiente potenza tale da consentire alle onde il raggiungimento della destinazione, si ha un altro fenomeno di disturbo noto come multipath. Il multipath può essere causato o dalla diffrazione oppure dalle particolari 10

11 caratteristiche delle antenne del trasmittente. A tal proposito, se il trasmittente utilizza antenne isotropiche o omnidirezionali, esso trasmetterà una stessa onda elettromagnetica in tutte le direzioni. A causa delle riflessioni delle onde è possibile che onde trasmesse, seppur in direzioni opposte, giungano alla stessa destinazione, ed in generale in istanti diversi. A causa dello sfasamento prodotto dal diverso ritardo acquisito, dalle onde riflesse, nel percorrere il canale trasmissivo, il multipath è responsabile di un particolare tipo di fading: multipath fading. L eventuale somma distruttiva delle onde ricevute provoca un abbassamento di potenza variabile nel tempo; la variabilità con cui si manifesta tale variazione è legata, principalmente alla velocità relativa tra gli agenti comunicanti e, in seconda analisi, a quella degli ostacoli incontrati dalle repliche. Anche il multipath si manifesta attraverso fluttuazioni della potenza ricevuta, ma contrariamente allo shadowing, le oscillazioni sono rapide e contenute. Nello scenario d interesse, descritto dallo standard IEEE a (in cui si suppone che gli enti comunicanti siano fissi), il multipath fading rappresenta il disturbo principale del canale. La trasmissione sul modello di canale previsto da IEEE e è resa ancora più difficile a causa della mobilità delle MSS. La mobilità di questi terminali genera l effetto Doppler, in base al quale le onde elettromagnetiche ricevute differiscono da quelle trasmesse perché il loro spettro risulta traslato di una quantità f D, chiamata frequenza Doppler, legata alla velocità relativa v tra gli enti comunicanti. Si dimostra che la massima frequenza Doppler associata ad una trasmissione BS-MSS, con MSS in movimento a velocità v è pari a : f D = ν f c dove f indica la frequenza del segnale trasmesso e c la velocità della luce. 11

12 L effetto Doppler si manifesta attraverso un accentuazione molto marcata del multipath fading. I fattori di disturbo descritti precedentemente possono subire fluttuazioni a causa dei fenomeni atmosferici. 1.3 MODELLO DI CANALE ADOTTATO PER IEEE E Il modello di canale di comunicazione adottato nel presente lavoro di tesi, per lo studio delle performance del protocollo TCP su reti WirelessMAN è quello descritto in [MINO03]. Tale modello è noto in letteratura scientifica come Gilbert model (o Gilbert-Elliot model), e si basa sulle catene di Markov. Con il Gilbert model il canale mobile descritto nello standard IEEE e è modellato da una catena di Markov tempo discreto a due stati: GOOD e BAD. Durante la permanenza nello stato GOOD si suppone che il canale consegni alla destinazione le MAC PDU trasmesse in quel momento senza alterarle, mentre nello stato BAD il canale altera le MAC PDU trasmesse in modo che alla destinazione risultino corrotte. Un comportamento di questo tipo è abbastanza frequente nei canali mobili. Il canale previsto per le reti WirelessMAN trattate, infatti, alterna periodi in cui è possibile eseguire una corretta trasmissione delle informazioni (perché caratterizzati da una ridotta influenza dello shadowing e un meno accentuato effetto del multipath fading), a periodi in cui le informazioni trasmesse vengono corrotte dal canale di comunicazione (a causa principalmente di una forte riduzione della potenza ricevuta, conseguenza di shadowing e/o di un accentuato effetto di multipath fading). 12

13 p 1-p GOOD BAD 1-q q Fig. 1.1 Modello di canale Gilbert-Elliot Per caratterizzare il modello di Gilbert è necessario definire le probabilità di transizione tra i due stati, ovvero stabilire con quale probabilità il canale esegue una transizione dallo stato di GOOD allo stato di BAD e viceversa. Sulla base del modello di canale considerato, possiamo focalizzare l attenzione su quattro parametri fondamentali: p: probabilità di transizione dallo stato di GOOD allo stato di BAD; q: probabilità di transizione dallo stato di BAD allo stato di GOOD; FER (FEC Error Rate): probabilità d errore sul blocco FEC 1 ; MEBL (Mean Error Burst Length): lunghezza media dei burst di blocchi FEC corrotti. Dalla teoria probabilistica delle catene di Markov si ha: FER = p p + q MEBL = 1 q 1 In questa analisi è analizzata la probabilità d errore non sull intera MAC PDU, ma su un singolo blocco FEC di livello fisico costruito a partire dalla MAC PDU. Per i dettagli si veda l appendice A. 13

14 FER è anche definito come il tempo di permanenza del sistema, a regime, nello stato di BAD. Le probabilità di transizione dipendono da diversi fattori: caratteristiche di livello fisico, natura dello scenario considerato, ipotesi di lavoro. Per quanto riguarda il livello fisico, l adozione di schemi di modulazione più robusti, come per esempio il QPSK, con profondità di codifica (Code Ratio) alte, rendono il canale più affidabile nei confronti dell errore, e ciò comporta una riduzione della probabilità di errore dallo stato di GOOD allo stato di BAD, quindi un aumento del tempo di permanenza nello stato di GOOD. Anche la larghezza di banda (BandWidth) influisce sulle probabilità di errore in maniera direttamente proporzionale. La probabilità d errore sui blocchi FEC è condizionata anche dalla frequenza di posizionamento nello spettro: passando da frequenze minori a frequenze maggiori tale probabilità subisce un aumento. Altri fattori che influenzano le probabilità di transizione di un modello di canale mobile, basato su catene di Markov, sono la distanza tra terminale fisso e terminale mobile e la velocità alla quale quest ultimo si muove. Distanze maggiori accentuano i disturbi di fading in generale e portano ad aumenti della probabilità d errore. Alla stessa stregua, velocità elevate delle MSS aumentano la frequenza Doppler delle onde elettromagnetiche trasmesse e contribuiscono ad un ulteriore aumento della probabilità d errore sui blocchi FEC. Nel paragrafo seguente sono forniti alcuni risultati, ottenuti da diverse campagne di simulazioni, che mostrano il comportamento del canale modellato, in termini di probabilità d errore e lunghezza media dei burst di blocchi FEC, per reti WirelessMAN mobili IEEE e. 1.4 PARAMETRI DEL CANALE DI COMUNICAZIONE Per studiare le prestazioni dei protocolli dei livelli alti dello stack protocollare di Internet, è necessario fissare i parametri del canale di comunicazione. Inoltre, affinché tale analisi sia più esaustiva si devono studiare 14

15 le performance dei protocolli in scenari diversi, ottenuti attraverso combinazioni diverse dei parametri del canale di comunicazione. Come è stato descritto nel paragrafo precedente, una volta fissate le probabilità di transizione del modello di Gilbert-Elliot si ottengono una coppia di valori, FER e MEBL, che descrivono il comportamento globale del canale di comunicazione. I valori delle probabilità di transizione sono stati ricavati da una serie di campagne di simulazioni, ognuna delle quali caratterizzata da combinazioni di parametri di livello fisico e di scenario. In particolare, i parametri di livello fisico considerati sono: code ratio, la BandWidth e la frequenza, mentre lo schema di modulazione utilizzato è il QPSK. Per quanto riguarda lo scenario considerato si è supposto che la distanza tra terminale fisso (BS) e terminale mobile (MSS) sia pari a 2 Km e la velocità della MSS sia di 50 Km/h. Poiché lo standard suddivide il canale di comunicazione in due sottocanali downlink e uplink, attraverso i quali viaggiano separatamente le informazioni da BS a MSS e da MSS a BS rispettivamente, sono state effettuate delle campagne di simulazioni differenziate al fine di studiare in maniera indipendente i due sottocanali. I valori ottenuti dalle campagne di simulazione, riportati nella tabella 1.1, sono caratterizzati da un intervallo di confidenza al 95% ed un errore massimo relativo pari al 6%. 15