TCP E APPLICAZIONI IN AMBIENTE WIRELESS

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1 Alma Mater Studiorum Università di Bologna Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali Corso di laurea in Scienze dell Informazione TCP E APPLICAZIONI IN AMBIENTE WIRELESS Sistemi e Applicazioni Multimediali Claudio Enrico Palazzi cpalazzi@cs.unibo.it 27 aprile 2004

2 Internet e wireless 1/2 Situazione attuale: Crescita del traffico di Internet e della sua importanza nel quotidiano Aumento esponenziale nell utilizzo di dispositivi mobili (computer portatili, telefoni cellulari, PDA, ) Incremento nell utilizzo delle connessioni wireless in generale (Hot Spots, Satelliti, ) Internet Last Hop GEO Satellite Sat UAV + proxy Ad Hoc Urban Environment Gateway

3 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

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

5 Architettura TCP/IP OSI - ISO Applicazione Presentazione Internet Applicazione Sessione Trasporto Rete Collegamento Fisico Trasporto - TCP Rete Collegamento

6 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

7 TCP: Controllo della Congestione

8 TCP New Reno

9 Contesto Wireless GE O Sat elli te Sat UA V + proxy Urban Environment Gateway Ad Hoc Internet Last Hop

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

11 Tassonomia delle soluzioni (livello di trasporto) Divisione della connessione: Ritrasmissioni locali Tempestività nell intervenire 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

12 Protocolli di trasporto TCP tradizionali: TCP Reno TCP New Reno TCP Vegas TCP Sack Divisione della connessione: I-TCP M-TCP Snoop Protocol End-to-End puri: Delayed Dupacks TCP-Aware Freeze-TCP TCP Probing WTCP Fast TCP TCP Westwood

13 Snoop Protocol 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. Internet Base Station (Snoop Agent) TCP modificato

14 Snoop Protocol Esempio (1/9) Legenda: dati in cache perso ack dupack

18 Snoop Protocol Esempio (5/9) Ritrasmissione Dupack scartati da BS Legenda: dati in cache perso ack dupack

19 Snoop Protocol Esempio (6/9) Dupack scartati da BS Legenda: dati in cache perso ack dupack

20 Snoop Protocol Esempio (7/9) Niente Fast Retransmit Dupack scartati da BS Legenda: dati in cache perso ack dupack

21 Snoop Protocol Esempio (8/9) Niente Fast Retransmit Dupack scartati da BS Legenda: dati in cache perso ack dupack

23 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)

24 TCP Westwood 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: Arrivo di tre dupack: ssthresh=bwe*rttmin anziché TCP Reno: Ssthresh = cwnd/2 se(cwnd > ssthresh) allora cwnd=ssthresh Scadenza di timeout: ssthresh=bwe*rttmin anziché TCP Reno: Ssthresh = cwnd/2 cwnd = 1

25 TCP Westwood (1/3) d k (bit ricevuti nell intervallo) t k-1 La prima (e piu semplice) versione di TCPW utilizzava uno stimatore di bandwidth (BWE) dato da: t k t k+1 b k = d k k k /( t t ) 1 campione BWE k b + b = αkbwek 1 + k 2 α k 2τ t = 2 τ + t ( ) k k 1 1 α k k guadagno del filtro filtro esponenziale

26 TCP Westwood (2/3) d k-1 d k (intervallo di campionamento) T Stima della bandwidth ottenuta per aggregazione dei dati ricevuti durante l intervallo T. RE k b k = t j > t k T campione b + b = α k REk 1 + k 2 T d j k k 1 ( 1 α ) t k filtro esponenziale α k 2τ t = 2 τ + t k k guadagno del filtro

27 TCP Westwood (3/3) La dimensione dell intervallo di campionamento viene continuamente adattato seguendo il livello di congestione misurato T k senza congestione: T k = inter ACK (risulta una stima piu aggressiva) T Throughput massimo, assumendo che non vi sia congestione nel collegamento k = RTT adattamento continuo T k con congestione: T k cresce (risulta una stima piu prudente) *( cwin RTT min Thˆ k ) / cwin RTT min Throughput corrente reale

28 TCP Westwood (ssthresh a confronto) capacità del canale cwnd TCP Westwood TCP Reno ssthresh = BWE * RTTmin guadagno ssthresh media TCP Reno Perdite casuali tempo

29 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?

30 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 Legenda: Snoop Westwood

31 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

32 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

33 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.

34 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

35 Stima della Bandwidth Il ricevente stima la Bandwidth disponibile Tecnica di stima della Bandwidth ispirata al meccanismo di TCP Westwood): B i =(α)b i-1 +(1-α)(b i +b i-1 )/2 B i : stima della bandwidth b i : bandwidth sample (bits_nel_pacchetto/ intervallo tra arrivo di pacchetti) α: coefficiente modificabile Il ricevente retro-invia al mittente la stima della bandwidth periodicamente (almeno ogni RTT)

36 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

37 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 l ultimo 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.

38 VTP vs TFRC con errori VTP vs TFRC con perdite casuali stessa traccia video per entrambi

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

40 Breve Bibliografia H. Balakrishnan, S. Seshan, E. Amir, R. H. Katz, "Improving TCP/IP Performance over Wireless Networks", Proc. ACM MobiCom '95, Berkeley, CA, USA, vol. 2, n. 11, pp. 2-11, November C. Casetti, M. Gerla, S. Mascolo, M. Y. Sanadidi, and R. Wang, "TCP Westwood: Bandwidth Estimation for Enhanced Transport over Wireless Links", In Proceedings of ACM Mobicom 2001, pp , Rome, Italy, July Alex Balk, Dario Maggiorini, Mario Gerla, M. Y. Sanadidi " Adaptive MPEG-4 Video Streaming with Bandwidth Estimation ", QOS-IP 2003, Milano, Italy, February 2003