Χρονοπρογραμματισμός Μετάδοσης καιΕπαναμετάδοσης Δεδομένων σε Επίγειακαι Διαστημικά Διαδίκτυα

Παρουσίαση Διδακτορικής ΔιατριβήςΤμήμα Η.Μ. & Μ.Υ.Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης

Ιωάννης Ψαρράς(ipsaras@ee.duth.gr)Οκτώβριος 2008

Επιβλέπων Καθηγητής: Βασίλης Τσαουσίδης

Βιογραφικά Στοιχεία Δίπλωμα/Πτυχίο:

Τμήμα Η.Μ. & Μ.Υ. Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης (1999 –2004)

Διδακτορικό Δίπλωμα: Τμήμα Η.Μ. & Μ.Υ. Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης (2004 –

2008) Τίτλος: Χρονοπρογραμματισμός Μετάδοσης και

Επαναμετάδοσης Δεδομένων σε Επίγεια και ΔιαστημικάΔιαδίκτυα

Επιβλέπων: Καθ. Βασίλης Τσαουσίδης Δημοσιεύσεις: 8 συνέδρια, 5 περιοδικά

Επαγγελματική Εμπειρία: DoCoMo Eurolabs (05/05 – 09/05): Ambient Networks Project Ericsson Eurolab (05/06 – 09/06): Ericsson internal project:

The appropriate transport protocol for SIP traffic DUTH (05/07 – 05/08): Extending Internet into Space University of Surrey (06/08 – ): EU FP7 4WARD Project

Σημείο Εκκίνησης και Συνεισφοράτης Διατριβής Το Σύγχρονο Διαδίκτυο:

χαρακτηρίζεται από: i) τεράστια ποικιλία εφαρμογών και ii)ανομοιογένεια υποδομής.

αποτελεί πολυ-χρηστικό και πολυ-λειτουργικό εργαλείο γιαεργασία, εκπαίδευση και ψυχαγωγία.

Παρατήρηση/Πρόβλημα: Οι ανάγκες των χρηστών έχουναυξηθεί, αλλά οι κανόνες που διέπουν τη μετάδοση καιεπαναμετάδοση δεδομένων παραμένουν αμετάβλητοι. Συνεπώς, το δίκτυο δεν μπορεί πλέον να παρέχει τηναπαιτούμενη ποιότητα υπηρεσιών.

Σημείο Εκκίνησης: Θέλουμε να περιορίσουμε τις ανάγκεςτων χρηστών σύμφωνα με τους κανόνες, ή να ρυθμίσουμετους κανόνες ανάλογα με τις ανάγκες των χρηστών;

Συνεισφορά: Ενσωμάτωση των χαρακτηριστικών τουΣύγχρονου Διαδικτύου στους κανόνεςχρονοπρογραμματισμού μετάδοσης και επαναμετάδοσηςδεδομένων.

Οι Σχεδιαστικές Προτάσεις Χρονοπρογραμματισμός Μετάδοσης για Επίγεια

Διαδίκτυα AIRA: Ρύθμιση παράγοντα Προσθετικής Αύξησης

ανάλογα με το επίπεδο ανταγωνισμού Χρονοπρογραμματισμός Επαναμετάδοσης για Επίγεια

Διαδίκτυα Adaptive Minimum RTO: Αλγόριθμος ρυθμιζόμενου

ελαχίστου περιθωρίου επαναμετάδοσης CA-RTO, WB-RTO: Προσαρμοστικοί αλγόριθμοι

υπολογισμού timeout ανάλογα με το επίπεδοανταγωνισμού

Χρονοπρογραμματισμός Μετάδοσης καιΕπαναμετάδοσης Δεδομένων σε Διαστημικά Διαδίκτυα DS-TP: Αξιόπιστο πρωτόκολλο μεταφοράς για

αποδοτική εκμετάλλευση δικτυακών πόρων

Εισαγωγή Τα πρωτόκολλα μετάδοσης και επαναμετάδοσης

δεδομένων σχεδιάζονται παραδοσιακά με βάση τηνπροσφορά και τη ζήτηση.

Προσφορά: δικτυακοί πόροι Ζήτηση: απαιτήσεις των χρηστών Στα αρχικά στάδια ανάπτυξης του Διαδικτύου, η

προσφορά δεν ξεπερνούσε τη ζήτηση και συνεπώς, οικανόνες μετάδοσης και επαναμετάδοσης δεδομένων, οιοποίοι περιέχονται στο TCP σχεδιάστηκαν αναλόγως, ως ένα σύστημα ανοιχτού βρόχου.

Εισαγωγή Η εξάπλωση του Διαδικτύου οδήγησε σε αύξηση του

όγκου δεδομένων που έπρεπε να μεταφερθούν απότο δίκτυο.

Το σύστημα ανοιχτού βρόχου δεν ήτανε ικανό ναρυθμίσει τη ροή δεδομένων και συνεπώς, το δίκτυοοδηγήθηκε σε κατάρρευση.

Η ερευνητική κοινότητα τροποποίησε το TCP σεσύστημα κλειστού βρόχου, έτσι ώστε να είναιικανό:1. να αποφύγει τις καταρρεύσεις2. να εγγυάται σταθερότητα, και3. να παρέχει δίκαιη κατανομή πόρων μεταξύ των

χρηστών.

Εισαγωγή

Η ποιότητα παροχής υπηρεσιών για έναπρωτόκολλο μεταφοράς εξαρτάταικυρίως από το Ρυθμό μετάδοσηςδεδομένων.

Π.χ.: Επιθετική μετάδοση αύξηση του φόρτουτου δικτύου αστάθεια του συστήματος.

Συντηρητική μετάδοση μη-αποδοτικήαξιοποίηση των δικτυακών πόρων χαμηλός ρυθμός μετάδοσης.

Γιατί είναι σημαντική η έρευναχρονοπρογραμματισμού μετάδοσης καιεπαναμετάδοσης δεδομένων; Η επιτυχία του Διαδικτύου βασίζεται στηνικανότητά του να παρέχει υψηλή αξιοποίησητων δικτυακών πόρων και δικαιοσύνη.

Ο κύριος «υπεύθυνος» για την εξασφάλισηυψηλής αξιοποίησης και την παροχή δικαιοσύνηςείναι ο αλγόριθμος χρονοπρογραμματισμούμετάδοσης δεδομένων.

Γιατί δεν μπορούμε να αγνοήσουμε τοναλγόριθμο χρονοπρογραμματισμούεπαναμετάδοσης; Οι αλγόριθμοι χρονοπρογραμματισμού μετάδοσηςκαι επαναμετάδοσης είναι αλληλένδετοι: Όταν ο αλγόριθμος μετάδοσης αποτυγχάνει ναπαραδόσει επιτυχώς δεδομένα στον παραλήπτη(π.χ. λόγω περιστατικού συμφόρησης), τότεαναλαμβάνει ο αλγόριθμος επαναμετάδοσης.

Παρομοίως, ο αλγοριθμος επαναμετάδοσηςεπηρεάζει τη μετάδοση δεδομένων. Π.χ. έναςεπιθετικός αλγόριθμος επαναμετάδοσης μειώνειτις διαθέσιμες χρονοθυρίδες μετάδοσης.

Ποιος είναι ο πιο καθοριστικός παράγονταςστην έρευνα χρονοπρογραμματισμούμετάδοσης και επαναμετάδοσης δεδομένων; Το επίπεδο ανταγωνισμού. Όταν το επίπεδο ανταγωνισμού είναι χαμηλό, τότε η πολύπλεξη δεδομένων και η εγγύησηδικαιοσύνης μπορεί να επιτευχθεί εύκολα.

Όταν το επίπεδο ανταγωνισμού αυξάνεται, τότεοι υπάρχοντες αλγόριθμοιχρονοπρογραμματισμού οδηγούν σεσυγχρονισμό των ροών, δηλαδή σε απότομεςαυξο-μειώσεις στο φόρτο του δικτύου και άδικηκατανομή των δικτυακών πόρων.

Γιατί επεκτείνουμε την έρευνά μας στοδιαστημικό περιβάλλον; Η διαδικτύωση στο διαστημικό περιβάλλον είναιμία καινούρια ερευνητική περιοχή, η οποίαβρίσκεται ακόμη σε πολύ αρχικά στάδια καισυνεπώς, αντιμετωπίζει σοβαρά λειτουργικάπροβλήματα.

Οι κανόνες μετάδοσης και επαναμετάδοσηςαποτελούν βασικά συστατικά στοιχεία ενόςσυστήματος διαδικτύωσης.

Συνεπώς, πρέπει να ερευνήσουμε εάν οι κανόνεςπου ισχύουν στο Επίγειο Διαδίκτυο μπορούν ναεφαρμοστούν και στο Διαστημικό περιβάλλον.

Περίληψη Παρουσίασης

1. Χρονοπρογραμματισμός Μετάδοσης σεΕπίγεια Διαδίκτυα Αλγόριθμος AIMD

2. Χρονοπρογραμματισμός Επαναμετάδοσηςσε Επίγεια Διαδίκτυα Αλγόριθμος TCP – RTO (TCP Retransmission Timeout)

3. Χρονοπρογραμματισμός Μετάδοσης καιΕπαναμετάδοσης σε Διαστημικά Διαδίκτυα Διαστημικό Πρωτόκολλο Μεταφοράς(Deep-Space Transport Protocol)

1. Χρονοπρογραμματισμός Μετάδοσηςσε Επίγεια Διαδίκτυα ΑλγόριθμοςAIMD

• AIRA: Επιταχυντής Ρυθμού ΠροσθετικήςΑύξησης (IFIP NETWORKING 2008, Elsevier Computer Networks)

Χρονοπρογραμματισμός Μετάδοσης σε Επίγεια ΔιαδίκτυαΠροσθετική Αύξηση – Πολλαπλασιαστική Μείωση(AIMD: Additive Increase – Multiplicative Decrease)

Ο αλγόριθμος AIMD: αυξάνει το ρυθμό μετάδοσης προσθετικά, ότανλαμβάνει θετική επιβεβαίωση κατά a πακέτα (a = 1), και

πολλαπλασιάζει τον ρυθμό επί b (όπου b=0.5),όταν λαμβάνει αρνητική επιβεβαίωση.

Η ερευνητική κοινότητα μελέτησε εκτενώςπροσεγγίσεις όπου οι τιμές των a και b είναιδιαφορετικές από τις παραπάνω, αλλά όλες οι σχετικέςεργασίες αναφέρονται πάντα σε σταθερές τιμές για τιςπαραμέτρους a και b.

Πιθανή αιτιολογία: Η παράμετρος ΠροσθετικήςΑύξησης δε συμβάλει μακροπρόθεσμα στην απόδοσητου συστήματος.

Χρονοπρογραμματισμός Μετάδοσης σε Επίγεια ΔιαδίκτυαΤο Κίνητρο

Παράμετρος Προσθετικής Αύξησης = 1 Παράμετρος Προσθετικής Αύξησης = 0.5

Διαφορετικοί Παράμετροι Προσθετικής Αύξησης

Χρονοπρογραμματισμός Μετάδοσης σε Επίγεια ΔιαδίκτυαΠαρατηρήσεις – Πρόβλημα – Στόχοι

Παρατηρήσεις: Ο ρυθμός Προσθετικής Αύξησης επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό το

φόρτο Επαναμετάδοσης των ροών, ο οποίος με τη σειρά τουεπηρεάζει τη συμπεριφορά του συστήματος.

Κατά τη δική μας προσέγγιση, η φυσική υπόσταση τηςπαραμέτρου Προσθετικής Αύξησης είναι η επιτάχυνση με τηνοποία ο ρυθμός μετάδοσης φτάνει στο επιθυμητόεπίπεδο.

Πρόβλημα: Ένας σταθερός παράγοντας προσθετικήςαύξησης οδηγεί σε μεγάλο φόρτο επαναμετάδοσης, άδικηκατανομή δικτυακών πόρων και αστάθεια για το σύστημα.

Στόχος: Ο παράγοντας Προσθετικής Αύξησης πρέπει ναρυθμίζεται με βάση το επίπεδο ανταγωνισμού του δικτύου.

Επιταχυντής Ρυθμού Προσθετικής ΑύξησηςΟρολογία Συστήματος

Το Σύστημα

Επιταχυντής Ρυθμού Προσθετικής ΑύξησηςΚανόνας Μείωσης

Ρυθμός στο γύρο i Ρυθμός στο γύρο i+1

1 (1 )i i ia a p Κανόνας Μείωσης:

Επιταχυντής Ρυθμού Προσθετικής ΑύξησηςΚανόνας Αύξησης

Ρυθμός στο γύρο i Ρυθμός στο γύρο ι+1

1 1(1 )i i i ia a p p

1 1(1 )i i i ia a p p Κανόνας Αύξησης:

Επιταχυντής Ρυθμού Προσθετικής ΑύξησηςΚατώτατα Όρια

Θέτουμε δύο κατώτατα όρια για τον ΠαράγονταΠροσθετικής Αύξησης:

1. Σταθερό κατώτατο όριο = 0.1 (αποφυγήσταθεροποίησης ρυθμού μετάδοσης)

2. Κατώτατο Περιθώριο Προσθετικής Αύξησης:

1 (1 0,1) _MAIL Round Number

Επιταχυντής Ρυθμού Προσθετικής ΑύξησηςΑποτελέσματα

Τοπολογία Προσομοίωσης

Πρόοδος Παράγοντα Προσθετικής Αύξσησης

Επιταχυντής Ρυθμού Προσθετικής ΑύξησηςΑποτελέσματα

Goodput Συστήματος Φόρτος Επαναμετάδοσης

Δικαιοσύνη

Επιταχυντής Ρυθμού Προσθετικής ΑύξησηςΣυμπεράσματα

Ο κανόνας «τυφλής» Προσθετικής Αύξησηςέχει σοβαρές επιπτώσεις στην απόδοση τουσυστήματος, ιδιαίτερα όταν αυξάνεται οδικτυακός ανταγωνισμός.

Είναι δυνατή η σύγκλιση σε δικαιοσύνη σε ένασύστημα όπου συνυπάρχουν ροές μεδιαφορετικούς ρυθμούς Προσθετικής Αύξησης.

Η αποδοτικότητα και η σταθερότητα τουσυστήματος μπορεί να αυξηθεί, όταν κάθε ροήρυθμίζει το ρυθμό μετάδοσης σύμφωνα με τιςσυνθήκες του δικτύου.

2. Χρονοπρογραμματισμός Επαναμετάδοσης σε ΕπίγειαΔιαδίκτυα Αλγόριθμος TCP – RTO (TCP Retransmission Timeout) Adaptive MINRTO: Ρυθμιζόμενο Κατώτατο Χρονικό

Περιθώριο Επαναμετάδοσης (IFIP NETWORKING 2007, Submitted Elsevier Computer Communications)

CA-RTO: Χρονικό Περιθώριο Επαναμετάδοσης μεβάση το επίπεδο ανταγωνισμού (IEEE ICCCN 2005)

WB-RTO: Χρονικό Περιθώριο Επαναμετάδοσης μεβάση το παράθυρο συμφόρησης (IEEE GLOBECOM 2006, Elsevier Computer Networks)

Χρονοπρογραμματισμός Επαναμετάδοσης σε ΕπίγειαΔιαδίκτυαΑλγόριθμος Χρονικού Περιθωρίου Επαναμετάδοσης

Ο αλγόριθμος Επαναμετάδοσης του TCP αποτελείται από δύοκύρια μέρη: Τον αλγόριθμο υπολογισμού του χρονικού περιθωρίουεπαναμετάδοσης (TCP-RTO).

Το κατώτατο περιθώριο για το χρονικό περιθώριο επαναμετάδοσης(MIN-RTO).

Το TCP-RTO υπολογίζεται με βάση την τιμή του RTT μόνο, σύμφωνα με τον τύπο:

όπου Α: ο μέσος όρος των δειγμάτων των προηγούμενων RTT, και D: η κυλιόμενη απόκλιση από τις προηγούμενες τιμές τουRTT.

Σύμφωνα με το RFC 2988, το TCP-RTO δεν πρέπει να παίρνειτιμές μικρότερες του ενός δευτερολέπτου, λόγω:1. της Συχνότητας του Ρολογιού του Λειτουργικού συστήματος, ηοποία ήτανε 500ms εκείνη την εποχή, και

2. της Ρύθμισης των Καθυστερημένων Επιβεβαιώσεων, το διάστημαμεταξύ των οποίων είναι (συνήθως) ίσο με 200ms.

4TCP RTO A D

Χρονοπρογραμματισμός Επαναμετάδοσης σε ΕπίγειαΔιαδίκτυαΤο Κίνητρο: TCP MIN-RTO

Μεταβλητό< 25msLinux

50-100ms10msSolaris

200ms15-16msWindows

Delayed ACK

ΣυχνότηταΡολ.

Λειτ. Συστ.

- Συχνότητα Ρολογιού = 10ms- RTT = 6ms

( ) 62,5C f

min( )current

RTOC f

RTO

Χρονοπρογραμματισμός Επαναμετάδοσης σε ΕπίγειαΔιαδίκτυαΤο Κίνητρο: TCP-RTO

Χρονοπρογραμματισμός Επαναμετάδοσης σε ΕπίγειαΔιαδίκτυαΤο Κίνητρο: TCP-RTO

Χρονικό ΠεριθώριοΕπαναμετάδοσης(σε δευτερόλεπτα)

RTT (σε δευτερόλεπτα)

Χρονοπρογραμματισμός Επαναμετάδοσης σε ΕπίγειαΔιαδίκτυαΠαρατηρήσεις – Προβλήματα – Στόχοι

Παρατηρήση: Ο αλγόριθμος Χρονικού Περιθωρίου Επαναμετάδοσης (timeout)

γίνεται ο χρονοπρογραμματιστής του καναλιού. Προβλήματα:

1. Η συντηρητική τιμή του ενός δευτερολέπτου ως κατώτατο όριογια το timeout μειώνει την απόδοση του συστήματος σε δίκτυαυψηλών ταχυτήτων/χαμηλών καθυστερήσεων.

2. Η αποκλειστική εξάρτηση του υπολογισμού του χρονικούπεριθωρίου επαναμετάδοσης από την τιμή του RTT οδηγεί:

1. σε μειώση της τιμής του timeout, όταν αυξάνεται απότομα οαριθμός των ανταγωνιζομένων ροών, και

2. σε συγχρωνισμό των ροών, όταν υπάρχει υψηλός δικτυακόςανταγωνισμός.

– Στόχοι: Σχεδιασμός του αλγορίθμου, έτσι ώστε:– το κατώτατο όριο για το χρονικό περιθώριο επαναμετάδοσης να

μην επηρεάζεται από τη συχνότητα του ρολογιού τουλειτουργικού συστήματος.

– το χρονικό περιθώριο επαναμετάδοσης να λαμβάνει υπόψη τουτο επίπεδο του δικτυακού ανταγωνισμού.

Ρυθμιζόμενο Κατώτατο Χρονικό ΠεριθώριοΕπαναμετάδοσηςΠαρατηρήσεις

Καθυστερημένες Επιβεβαιώσεις: Μία επιβεβαίωση για κάθε δεύτερο πακέτο, σεπερίπτωση παραλαβής ακολουθίας πακέτων.

Μία επιβεβαίωση μετά από 200ms, εάν παραληφθείπακέτο που δεν ακολουθείται από κανένα επόμενο.

Παράδειγμα:1. 4 συνεχόμενα πακέτα 2 κανονικές επιβεβαιώσεις.2. 3 συνεχόμενα πακέτα 1 κανονική και μίακαθυστερημένη επιβεβαίωση. Αν το TCP-RTO είναιμικρότερο από 200ms, τότε ο χρονομετρητής τουαποστολέα θα λήξει πρόωρα, ενώ το πακέτο έχειπαραληφθεί σωστά.

Στην πρώτη περίπτωση δεν υπάρχει λόγος ύπαρξηςκατώτατου ορίου, ενώ στη δεύτερη πρέπει ναεφαρμόσουμε κατώτατο όριο για να αποφύγουμεπρόωρη λήξη.

Ρυθμιζόμενο Κατώτατο Χρονικό ΠεριθώριοΕπαναμετάδοσηςΟ Αλγόριθμος

Κατάσταση 1: “noMINRTO”. Δε χρειάζεται εφαρμογήκατώτατου ορίου, παρομοίως με την πρώτη περίπτωσηπροηγουμένως.

Κατάσταση 2: “extended MINRTO”. Χρειάζεται εφαρμογήκατώτατου ορίου για το τελευταίο πακέτο της ακολουθίας.

Διάγραμμα Ροής Προτεινόμενου Αλγορίθμου

Ρυθμιζόμενο Κατώτατο Χρονικό ΠεριθώριοΕπαναμετάδοσηςΠαράδειγμα

Μοντελοποίηση Άφιξης Επιβεβαιώσεων

Ρυθμιζόμενο Κατώτατο Χρονικό ΠεριθώριοΕπαναμετάδοσηςΑποτελέσματα: Ροές FTP

Αυξανόμενο Μέγεθος Αρχείου Αυξανόμενο Ποσοστό Ασύρματων Λαθών

Τοπολογία Προσομοίωσης

Χρονικό Περιθώριο ΕπαναμετάδοσηςΑλγόριθμος CA-RTO (Contention-Adaptive RTO)

Σχεδιαστικοί κανόνες:1. Ενσωμάτωση του δικτυακού ανταγωνισμού:

2. Εισαγωγή τυχαιότητας στο χρονοπρογραμματισμόεπαναμετάδοσης:

Αλγόριθμος: Ιδιότητες:

Ο παράγοντας c=1/cwnd επηρεάζει το αποτέλεσμα όταν οανταγωνισμός είναι μεγάλος.

Ο παράγοντας p εισάγει τυχαιότητα στον υπολογισμό τουχρονικού περιθωρίου επαναποστολής και επεκτείνει τοπεριθώριο ευθέως αναλόγως με το επίπεδο του ανταγωνισμού.

Άρα, το περιθώριο επαναμετάδοσης αυξάνεται όταναυξάνεται ο δικτυακός ανταγωνισμός.

_ _ max_ _ _cont diff cwnd cwnd

(0, _ _ 100%)p random cont diff

4CA RTO A D c p

Χρονικό Περιθώριο ΕπαναμετάδοσηςΑλγόριθμος CA-RTOΣτοιχεία Συμπεριφοράς

TCP-RTO CA-RTO

• Ο αλγόριθμος CA-RTO δεν λύνει εξ ολοκλήρου το πρόβλημα του αλγορίθμουTCP-RTO, αλλά κάνει φανερά τα στοιχεία που πρέπει να συμπεριληφθούν κατάτον σχεδιασμό ενός νέου αλγορίθμου.

Αλγόριθμος CA-RTOΑποτελέσματα

Goodput (άξονας y σε Bps) Επαναμεταδόσεις (άξονας y σε πακέτα)

Δικαιοσύνη

Τοπολογία DumbbellBackbone = 10MbpsDelay = 100ms

Χρονικό Περιθώριο ΕπαναμετάδοσηςΑλγόριθμος WB-RTO (Window-Based RTO)

Σχεδιαστικοί κανόνες: Εκτίμηση της συνεισφοράς κάθε ροής στη συμφόρηση,

μέσω του παράγοντα c: c = 1, εάν c = 1,5, εάν cwnd ανήκει στο c = 2, εάν cwnd ανήκει στο

Εκτίμηση του Δικτυακού Ανταγωνισμού μέσω του βάρουςai: Κάθε βάρος a1 μέχρι a4 αντιστοιχεί σε ένα διάστημα που

καθορίζεται από την πρόσφατη τιμή του μέσου παραθύρουσυμφόρησης και το αντίστοιχο κατώφλι.

π.χ. εάν T1=10, T2=20 και awnd = 15, τότε ai = a1

Εισαγωγή τυχαιότητας στον υπολογισμό του περιθωρίουεπαναμετάδοσης για την αποφυγή συγχρονισμού.

Ο αλγόριθμος:

1/ 2 max_ _cwnd cwnd

(1/ 2 max_ _,3 / 4 max_ _)cwnd cwnd [3 / 4 max_ ,max_ ]cwnd cwnd

( ,max_ )c f cwnd cwnd

( _, )i ia g awnd Threshold

( , )iWB RTO random rtt c a

Χρονικό Περιθώριο ΕπαναμετάδοσηςΑλγόριθμος WB-RTOΣτοιχεία Συμπεριφοράς

Παράμετρος c: όσο πιο κοντά είναι η τιμή τουcwnd στη μέγιστη τιμή του παραθύρουmax_cwnd_, τόσο περισσότερο έχεισυνεισφέρει η συγκεκριμένη ροή στο παρόνπεριστατικό συμφόρησης.

Παράμετρος ai: όσο μεγαλύτερο είναι το μέσοπαράθυρο συμφόρησης, τόσο μεγαλύτερη είναιη συνεισφορά της ροής στο επίπεδο τουανταγωνισμού κατά τη διάρκεια τουπροηγούμενου κύκλου.

Αλγόριθμος WB-RTOΑποτελέσματα

Τοπολογία DumbbellBackbone = 10MbpsDelay = 10ms

Αλγόριθμος WB-RTOΑποτελέσματα

TCP-RTO WB-RTO

Χρονικό Περιθώριο ΕπαναμετάδοσηςΣυμπεράσματα

Ένα Ρυθμιζόμενο Κατώτατο Χρονικό ΠεριθώριοΕπαναμετάδοσης επιταχύνει την επαναμετάδοσηαλλοιωμένων πακέτων σε δίκτυα υψηλών ταχυτήτων καιχαμηλών καθυστερήσεων.

Συμπεριλαμβάνοντας το επίπεδο του δικτυακούανταγωνισμού και εισάγωντας τυχαιότητα στον υπολογισμότου χρονικού περιθωρίου επαναμετάδοσης δεδομένωνμπορούμε να αποφύγουμε:1. λανθασμένες εκτιμήσεις για την καθυστέρηση του δικτύου, και2. συγχρονισμό των ροών.

– Οι παραπάνω βελτιστοποιήσεις:1. αυξάνουν τη δικαιοσύνη του συστήματος,2. μειώνουν τον φόρτο επαναμετάδοσης,3. αυξάνουν την απόδοση Goodput του συστήματος,4. αυξάνουν τη σταθερότητα του συστήματος.

3. Χρονοπρογραμματισμός Μετάδοσηςκαι Επαναμετάδοσης σε ΔιαστημικάΔιαδίκτυα Διαστημικό Πρωτόκολλο Μεταφοράς

- Deep-Space Transport Protocol (IEEE Aerospace Conference 2008, Submitted Elsevier Computer Communications)

Τα Χαρακτηριστικά του ΔιαστημικούΔιαδικτύου Εκατοντάδες συσκευές (ρομπότ, διαστημόπλοια,

δορυφόροι) ερευνούν τις κλιματικές συνθήκεςπλανητών του ηλιακού μας συστήματος.

Η επιτυχία μίας διαστημικής αποστολής εξαρτάταισημαντικά από την επικοινωνιακή της υποδομή.

Τα δίκτυα μεταγωγής κυκλώματος δεν είναι αποδοτικάστο διαστημικό περιβάλλον.

Αντιθέτως, τα δίκτυα μεταγωγής πακέτου μπορούν ναβελτιώσουν σημαντικά την απόδοση του συστήματος.

Το περιβάλλον δικτύωσης ονομάζεται Διαπλανητικό ήΔιαστημικό Διαδίκτυο (Interplanetary Internet) και ηερευνητική περιοχή Δικτύωση Ανεκτική στηνΚαθυστέρηση και τη Διακοπή (Delay/Disruption-Tolerant Networking, DTN).

Τα Χαρακτηριστικά του ΔιαστημικούΔιαδικτύου Το Διαστημικό Διαδίκτυο χαρακτηρίζεται από:

Πολύ Υψηλές Καθυστερήσεις Διάδοσης. Υψηλά ποσοστά Αλλοίωσης Δεδομένων. Διακοπτόμενη Συνδεσιμότητα. Ασυμμετρία Ταχύτητας Καναλιών Μετάδοσης.

Συστήματα κλειστού βρόχου, όπως το TCP, δενμπορούν να λειτουργήσουν στο Διαστημικόπεριβάλλον δικτύωσης.

Οι κανόνες μετάδοσης και επαναμετάδοσηςπρέπει να σχεδιαστούν στη βάση ενός μη-αναδραστικού συστήματος ανοιχτούβρόχου και να βασίζονται σε κανόνεςπρόληψης.

Μετάδοση και Επαναμετάδοση Δεδομένων σε ΔιαστημικάΔιαδίκτυαΔιαστημικό Πρωτόκολλο Μεταφοράς (DS-TP)

Βασικά Χαρακτηριστικά του DS-TP: Μετάδοση Σταθερού Ρυθμού: Ο χρόνος συνδεσιμότητας

και οι διαθέσιμοι πόροι είναι στοιχεία γνωστά καιπροκαθορισμένα.

Συνδυαστική Στρατηγική Επιβεβαιώσεων (ACKs) –Επιλεκτικών Αρνητικών Επιβεβαιώσεων (SNACKs): ΤοDS-TP χρησιμοποιεί ACKs για απελευθέρωση χώρου στονκαταχωρητή του αποστολέα και SNACKs για επαναμετάδοσηδεδομένων και μέτρηση του ποσοστού λάθους στο κανάλιμετάδοσης.

Διπλή Αυτόματη Επαναμετάδοση: Το DS-TP στέλνεικάθε πακέτο 2 φορές, εισάγωντας καθυστέρηση Rd αναμέσαστην 1η και τη 2η μετάδοση. Το διάστημα Rd ρυθμίζεταιανάλογα με το ποσοστό λάθους του καναλιού μετάδοσης. Π.χ. εάν PER = 33%, η ακολουθία μετάδοσης είναι η εξής: 1-2-1-3-4-2-5-6-3...

Διαστημικό Πρωτόκολλο Μεταφοράς(DS-TP)Διπλή Αυτόματη Επαναμετάδοση

Παράδειγμα ακολουθίας μετάδοσης πακέτων, PER = 20%

Διαστημικό Πρωτόκολλο Μεταφοράς(DS-TP)Χρονοπρογραμματισμός Επαναμετάδοσης

Πλήρης εκμετάλλευση (των δικτυακών πόρων) δεσημαίνει απαραίτητα αποδοτική εκμετάλλευση.

Το DS-TP επαναμεταδίδει πακέτα είτε με την τεχνικήτης Διπλής Αυτόματης Επαναμετάδοσης, είτεχρησιμοποιώντας χρονικό περιθώριο επαναμετάδοσης(timeout): Εάν Rd < RTT τότε χρησιμοποιούμε την τεχνική DAR Εάν Rd > RTT τότε χρησιμοποιούμε timeout για

επαναμετάδοση χαμένων/αλλοιωμένων πακέτων. Συνεπώς, το DS-TP με βάση μετρήσεις από το δίκτυο

για το ποσοστό λάθους και την καθυστέρηση διάδοσηςτου καναλιού, χρονοπρογραμματίζει τη μετάδοσηαυθεντικών και πλεοναζόντων πακέτων έτσι ώστε ναεκμεταλλευτεί τους πόρους (δηλαδή το bandwidth-delay product) με τον πιο αποδοτικό τρόπο.

Διαστημικό Πρωτόκολλο Μεταφοράς(DS-TP)Μεθοδολογία

Συγκρίνουμε το DS-TP με το πρωτόκολλο FR-TP (Fixed-Rate Transport Protocol)

Το FR-TP: Μεταδίδει δεδομενα με σταθερο ρυθμό. Χρησιμοποιεί την ίδια στρατηγική επιβεβαιώσεων με

το DS-TP. Ο αποστολέας μεταδίδει όλο το αρχείο και στο τέλος

της μετάδοσης ο παραλήπτης στέλνει πίσω τις θετικέςή αρνητικές επιβεβαιώσεις. Όταν οι επιβεβαιώσειςφτάσουν στον αποστολέα, ολοκληρώνεται ένας Γύρος.

Συγκρίνουμε την απόδοση των δύο πρωτοκόλλων μεβάση τους απαιτούμενους Γύρους μέχρι τηνολοκλήρωση μετάδοσης του αρχείου.

Διαστημικό Πρωτόκολλο Μεταφοράς(DS-TP)Απόδοση – Θεωρητική Ανάλυση

Λόγος Διαφοράς:

Λόγος Διαφοράς n_ratio

log(1 )1

logfrtp

ratiodstp

n yn

n y

Διαστημικό Πρωτόκολλο Μεταφοράς(DS-TP)Απόδοση – Θεωρητική Ανάλυση

Διαφορά σε γύρους:

Μεταβλητό Ποσοστό ΛάθουςΜέγεθος Αρχείου = 100ΜΒ

Μεταβλητό Μέγεθος ΑρχείουΠοσοστό Λάθους = 30%

1log(1 ) log( )

log log( (1 ))diff

yfs

ny y y

Διαστημικό Πρωτόκολλο Μεταφοράς(DS-TP)Απόδοση – Πειραματικά Αποτελέσματα

Λόγος Διαφοράς Διαφορά σε γύρους

Διαστημικό Πρωτόκολλο Μεταφοράς(DS-TP)Απόδοση – Πειραματικά Αποτελέσματα

Μέγεθος Αρχείου 0.25BDP Μέγεθος Αρχείου 1BDP

Μέγεθος Αρχείου 4BDP

Διαστημικό Πρωτόκολλο Μεταφοράς(DS-TP)Συμπεράσματα

Το κέρδος του DS-TP αυξάνεται όσοαυξάνεται το ποσοστό λάθους του καναλιούμετάδοσης

Η απόδοση του DS-TP μειώνεται όταν τομέγεθος του αρχείου είναι μεγαλύτερο απότο τετραπλάσιο της χωρητικότητας τουκαναλιού μετάδοσης και το ποσοστό λάθουςείναι μικρό.

Υπάρχει αντιδιαστολή (tradeoff) μεταξύ τουβέλτιστου ρυθμού επαναμετάδοσης τουμηχανισμού DAR και του επιπλέον φόρτουεπαναμετάδοσης που προκαλεί.

Συμπεράσματα1. Ο παράγοντας Προσθετικής Αύξησης δεν είναι απαραίτητο να είναι

σταθερός καθόλη τη διάρκεια ζωής μίας ροής. • Προσεχτικά σχεδιασμένοι κανόνες Προσθετικής Αύξησης μπορούν να

αυξήσουν την απόδοση του συστήματος.2. Το Κατώτατο Χρονικό Περιθώριο Επαναμετάδοσης δεν πρέπει να

έχει σταθερή και συντηρητική τιμή. • Ένα Ρυθμιζόμενο Κατώτατο Όριο μπορεί να ανταποκριθεί καλύτερα σε

συνθήκες ασύρματης διαδικτύωσης.3. Ο υπολογισμός του Χρονικού Περιθωρίου Επαναμετάδοσης δεν

πρέπει να εξαρτάται αποκλειστικά από το RTT. • Η ενσωμάτωση του επιπέδου δικτυακού ανταγωνισμού και ενός

παράγοντα τυχαιότητας, αυξάνουν την απόδοση του αλγορίθμου ωςχρονοπρογραμματιστή του καναλιού μετάδοσης.

4. Τα πρωτόκολλα για μετάδοση δεδομένων στο ΔιαστημικόΔιαδίκτυο δεν πρέπει να υιοθετήσουν τους κανόνες που διέπουντο Επίγειο Διαδίκτυο.

• Οι κανόνες μετάδοσης για το Διαστημικό Διαδίκτυο πρέπει ναβασιστούν σε σύστηματα ανοιχτού βρόχου και οι κανόνεςεπαναμετάδοσης δεδομένων σε κανόνες πρόληψης.

Publications Journal Papers:1. Ioannis Psaras, Vassilis Tsaoussidis

“On the Properties of an Additive Increase Rate Accelerator”Computer Networks (COMNET), Elsevier, to appear

2. Ioannis Psaras, Vassilis Tsaoussidis“Why TCP Timers (still) Don’t Work Well”, Computer Networks (COMNET), Elsevier Science, Volume 51, Issue 8, pages 2033 - 2048, June 2007

3. Ioannis Psaras, Lefteris Mamatas and Vassilis Tsaoussidis“On Protocol Engineering: Detect Confirm and Adjust”International Journal of Internet Protocol Technology

(IJIPT), Indersciense Publishers, 2006 - Vol. 1, No.4 pp. 236 – 251.

Publications Conference Papers:1. Ioannis Psaras, Vassilis Tsaoussidis

AIRA: Additive Increase Rate AcceleratorIFIP Networking 2008, Singapore

2. Ioannis Psaras, Giorgos Papastergiou, Vassilis Tsaoussidis and Nestor PecciaDS-TP: Deep-Space Transport ProtocolIEEE Aerospace Conference 2008, Big Sky, Montana, USA

3. Ioannis Psaras, Vassilis Tsaoussidis“The TCP Minimum RTO Revisited”IFIP Networking 2007, Atlanta, USA

Publications4. Ioannis Psaras, Vassilis Tsaoussidis

“WB-RTO: A Window-Based Retransmission Timeout for TCP”IEEE Globecom 2006, San Francisco, USA

5. Ioannis Psaras, Lefteris Mamatas, Paulo Mendes“QoS Control in Next Generation Networks: An Experimental Analysis of Flow-Based and SLS-Based Mechanisms”WNEPT 2006, Workshop in conjunction with QShine, Ontario, Canada

6. Ioannis Psaras, Vassilis Tsaoussidis, Lefteris Mamatas“CA-RTO: Contention-Adaptive Retransmission Timeout”IEEE ICCCN 2005, San Diego, California, USA

Publications7. Sotiris Kontogiannis, Lefteris Mamatas, Ioannis Psaras,

Vassilis Tsaoussidis“Measuring Transport Protocol Energy Potential for Energy Efficiency”WWIC 2005, Xanthi, Greece

8. Ioannis Psaras, Lefteris Mamatas, Vassilis Tsaoussidis“Shaping TCP Traffic in Heterogeneous Networks”HetNets 2004, Ilkley, UK

Publications Submitted Papers:1. Ioannis Psaras, Vassilis Tsaoussidis

“On the Properties of an Adaptive TCP Minimum RTO”Submitted Elsevier Computer Communications (COMCOM)

2. Giorgos Papastergiou, Ioannis Psaras, Vassilis Tsaoussidis“DS-TP: A Novel Transport Scheme for Space DTNs”Submitted Special Issue on DTNs, Elsevier Computer Communications (COMCOM)