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Performance Enhancing Proxy for Satellite Communications 2013. 10. 25. Jae-Hyun Kim [email protected] Wireless Internet aNd Network Engineering Research Lab. http://winner.ajou.ac.kr School of Electrical and Computer Engineering Ajou University, Korea

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Performance Enhancing Proxy for Satellite Communications

2013. 10. 25.

Jae-Hyun Kim

[email protected]

Wireless Internet aNd Network Engineering Research Lab.

http://winner.ajou.ac.kr

School of Electrical and Computer Engineering

Ajou University, Korea

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Contents

Introduction of PEP

Approach in Application Layer

Approach in Transport Layer

Approach in Network Layer

Summery

2

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Introduction of PEP

3

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Introduction of PEP

PEP (Performance Enhancing Proxy) [1] 네트워크 에이젼트로 종단 간 통신 성능을 향상시키기 위해 사용

일반적으로 PEP는 WAN 게이트웨이 기지국이나 위성 모뎀에 적용

적용 기술 Application layer: 데이터 압축, 캐싱

Transport layer: TCP 최적화, TCP/IP헤더 압축

Network layer: IP 라우팅 최적화

관련 표준 [1-4] RFC 3135, 3449

SCPS-TP

PEP Negotiation Protocol (DVB-RCS2)

4

[1] J. Border et al., "Performance Enhancing Proxies Intended to Mitigate Link-Related Degradations", RFC 3135, 2001.

[2] H. Balakrishnan et al., "TCP Performance Implications of Network Path Asymmetry", RFC 3449, 2002.

[3] SPACE COMMUNICATIONS PROTOCOL SPECIFICATION (SCPS)—TRANSPORT PROTOCOL(SCPS-TP), CCSDS 714.0-B-2, 2006.

[4] Digital Video Broadcasting (DVB); Second Generation DVB Interactive Satellite System (DVB-RCS2);Part 3: Higher Layers Satellite Specification,

ETSI TS 101 545-3 2012.

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Environments of Satellite Communication

Challenge 제한된 대역폭

위성에서 제공할 수 있는 대역폭이 제한됨

긴 전파 지연 시간

Round trip delay: 500ms (mesh 구조)

패킷 손실

강우감쇄, On-the-move (OTM), 재밍, etc.

5

패킷 손실 (전파 감쇄, 재밍)

긴 전파 지연 시간

패킷 손실 (OTM)

125ms

제한된 대역폭

t

f

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Reference model of PEP

Splitting connection [5-6] 위성링크를 따로 분리해서 PEP 기술 적용

위성 링크에 최적화 된 파라미터 적용

6

Source Destination (PEP) (PEP)

Classical TCP

Applications

Transport

Network

Data link

Physical

S-Network

Data link

Physical

Modified TCP Classical TCP Classical TCP

Applications

Transport

Network

Data link

Physical

Data link

Physical

Network Network

Data link

Physical

Classical TCP ModifiedTCP

Data link

Physical

S-Network

PEP PEP

Satellite link Wired link Wired link

•Data compression •Data Caching •TCP optimization •Header compression •Routing optimization

[5] C. Caini, et al.,"PEPsal: A Performance Enhancing Proxy for TCP Satellite Connections",IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, 2007.

[6] P. Davern et al.,"HTTPEP: a HTTP Performance Enhancing Proxy for Satellite Systems",International Journal of Next-Generation Computing, 2011.

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Commercial Products

7

상용 제품의 제공 기능

<Cisco 1841 >

< Comtech Turbo IP G2 >

< XipLink >

TCP optimization

Optimal initial window size

Large maximum window size

Selective acknowledgments

Advanced congestion control

Acknowledgment spoofing

Fast retransmit

Data bundling and header optimization

Caching

Header compression

Packet packing

Lossy transcoding of JPEG image

Compression of HTTP data

<Newtec EL 820 PEP-Box Terminal >

< ViaSat Compact XPEP > < Rockwell Collins IPTM-2050 >

< Advantech wireless PEP> < MediaSputnik 2402 series> < Riverbed skipware>

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Commercial Products

제품 기능 비교

8

Cisco Com tech

Xiplink Newtec River bed

Viasat Advan tech

Rock wall

Media sputnik

SCPS-TP X O O X O O X X O

Optimized TCP

O O O O O O O O O

Data Compression

X O O O O X X O X

Header Compression

O O O X O X O X X

Caching O O O O O X O X X

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Approach in Application Layer Data Caching Data Compression

9

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Overview

Data Caching Data caching : 데이터나 명령어를 캐시 기억 장치에 일시적으로 저장하는 것

네트워크 내에서 자주 쓰이는 데이터를 프록시 서버에 저장

Data caching을 통해 종단간 네트워크에 부하되는 데이터 양 감소

Data Caching 관련 기술 Web/FTP/DNS Caching

SDR (Scalable Data Referencing)

Data Compression 데이터를 더 작은 저장 공간에 효율적으로 저장하기 위한 기술

데이터 트래픽을 압축하여 전송

Data Compression 관련 기술 MSR(Molecular Sequence Reduction)

10

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Data Caching

DNS caching 자주 사용되는 domain과 IP 주소 정보를 캐싱

효과

DNS 정보와 IP 주소를 매핑하는 시간을 단축하여 응답 시간 단축

Web/FTP caching 네트워크에서 자주 사용되는 웹페이지 정보나 FTP 데이터를 프록시 서버에 캐싱

효과

네트워크에 부하되는 데이터를 감소하여 WAN performance 향상

11

WAN

Client 1 Client 2

DNS Server

Server

1) 웹사이트에

2) 해 하는 IP 주소 정보

3) Domain과 IP

주소 정보를 캐싱

4) 서버에

5) 서버에

WAN

Client 1Client 2

Server

1) Request

2) Caching

3) Response

4) Request

5) Response

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Data Caching

SDR (Scalable Data Referencing)[7] Riverbed 상용 제품의 핵심 기능

중복되는 데이터를 제거함으로 WAN Traffic을 획기적으로 감소

SDR 알고리즘

네트워크에서 자주 사용되는 데이터를 캐시에 저장

캐시에 저장된 데이터 중 변경된 부분이 있는 경우 변경된 데이터만 추가 전송

12 [7] Riverbed SDR, http://aramidesign.com/portfolio/flash/riverbed/flashDemo.swf

End User Server

End User Server

Caching

변화된 데이터 전송

Caching

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Data Caching

Performance of SDR [8] 평균 15~20배 네트워크 처리율 향상

13 [8] Riverbed WAN Optimizer Performance, http://www.riverbed.com/assets/media/documents/briefs/PerformanceBrief-Riverbed-

Solidworks.pdf

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Data Compression

MSR(Molecular Sequence Reduction)[9] Juniper Networks사 WX Framework의 주 기술

반복되는 데이터 패턴을 압축하여 낭비되는 네트워크 자원 감소

MSR algorithm Data stream 내의 반복되는 데이터 패턴에게 index를 부여

데이터 전송 시 해 데이터 패턴의 index를 전송하고 수신단에서 복조

14 [9] Juniper Network MSR, http://forums.juniper.net/jnet/attachments/jnet/wx/19/1/analyzing_msr_techbrief.pdf

1001111001100101011010001110011111

10011010111010101001010100100010100111110010101110100110101110101010010101001000101001111100101011101001101011101010100101010010001010011111001010111010011010111010101001010100100010100111110010101110

10011010

000101101011010

01110101101001110

10011010111010101001010100100010100111110010101110100110101110101010010101001000101001111100101011101001101011101010100101010010001010011111001010111010011010111010101001010100100010100111110010101110

10011010

000101101011010

01110101101001110

100 0001011001110

User Server

반복되는 데이터 압축Data stream

Data stream

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Data Compression

Performance of MSR MSR을 이용한 주 Application 별 데이터 감소율

15

Application MSR Data Reduction

E-mail 75%

MS SQL 80%

File Sharing 81%

HTTP servers 96%

Search servers 84%

Image servers 70%

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Approach in Transport Layer SCPS-TP Wireless TCP Header Compression Research Issue (On-The-Move Terminal)

16

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Overview of SCPS

17

CCSDS [10] Consultative Committee for Space Data Systems

1982년도에 세계 여러 나라들의 우주개발기구에서 공동으로 설립 미국 (NASA), 러시아 (RFSA), 일본 (JAXA)등 총 11개국 멤버로 참여

우리나라 (KARI) 외 28개국에서 참여(Observer)

규모: 145개 회사 참여, 552개 mission에 참여, 표준이 반영된 143개의 제품 출시

Scope 미래지향적 우주 정보 시스템 표준 개발

다양한 우주 기관 및 우주 체계 간의 협력 체계 증진 및 상호운용성 지원

SCPS Space Communications Protocol Specification

목적 위성에서 IP 통신 시 발생하는 문제점 극복

지상 Internet(FTP/TCP/IP) 지원을 위한 프로토콜 개발

[10] OVERVIEW OF SPACE COMMUNICATIONS PROTOCOLS, CCSDS 130.0-G-2, 2007.

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CCSDS SCPS-TP (1/5)

18

SCPS-FP

SCPS-TP

SCPS-SP

SCPS-NP

SCPS-FP

SCPS-TP

SCPS-SP

SCPS-NP

주요 기능 [11] Full/best-effort/minimal reliability 통신 지원

대역폭, 전송지연, 에러율의 다변화 에서 효율적인 동작

멀티케스팅의 UDP(Connectionless 통신) 지원

우주 기반 동작환경에서 효율적인 동작

서비스의 우선순위 지원 패킷 기반의 어플리케이션 지원

적용 기술 Selective NACK TCP Vegas ECN-Echo Window Scaling Header compression

[11] SPACE COMMUNICATIONS PROTOCOL SPECIFICATION (SCPS)-TRANSPORT PROTOCOL(SCPS-TP), CCSDS 714.0-B-2, 2006.

ECN: Explicit Congestion Notification

FP: File transfer Protocol

TP: Transport Protocol

SP: Security Protocol

NP: Network Protocol

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CCSDS SCPS-TP (2/5)

19

Selective NACK Error Hole 크기

Bit-Vector

SNACK Bit-Vector 1st Hole

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CCSDS SCPS-TP (3/5)

TCP Vegas [12] 네트워크 혼잡 회피를 RTT에 의해서 수행 (RTT 무선 단 채널 에러와 거의 무관)

Define & update every RTT Expected throughput(ET) =

W(i) / RTTmin

Actual throughput (AT) = W(i) / RTT(i)

Diff = ET – AT (note diff>0)

Congestion control of TCP-Vegas based on diff If diff < α increase CWND linearly

If diff > β(>α) decrease CWND linearly

If α < diff < β unchange CWND

20 [12] L. Brakmo, S. O’Malley, and L. Peterson, “TCP Vegas: New Techniques for Congestion Detection and Avoidance,” ACM SIGCOMM, 1994

cwnd cwnd/2 + 3

time

cwnd

SS CA SS CA CA

Duplicate ACK

CA

cwnd 1

Timeout

SS

SStime

cwnd

CA

Reno

Vegas

SS: Slow start CA: Collision avoidance CWND: Congestion window

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CCSDS SCPS-TP (4/5)

ECN-Echo [13] Congestion 발생 예상되면 라우터에서 ECN-Echo를 TCP 송신자에게 전달

네트워크 혼잡과 무선단에서 패킷 손실을 구별 가능

Window Scaling [14] CWND를 최대 1 gigabyte까지 증가하여 사용 가능 (default:

2~65,535 bytes)

최대 TCP 처리율을 높일 수가 있음

21

CWND: Congestion window

𝑀𝑎𝑥. 𝑇𝐶𝑃 𝑇ℎ𝑟𝑜𝑢𝑔ℎ𝑝𝑢𝑡 = 𝑀𝑎𝑥. 𝐶𝑊𝑁𝐷

𝑅𝑇𝑇

[13] V. Jacobson et al., "TCP Extensions for High Performance", RFC 1323, 1992.

[14] K. Ramakrishnan et al.,"The Addition of Explicit Congestion Notification (ECN) to IP" RFC 3168, 2001

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CCSDS SCPS-TP (5/5)

22

헤더 압축 연 되는 데이터그램은 50%이상의 중복된 헤더 정보를 가짐

특정 헤더를 사용할지 안 할지 결정

헤더압축

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Wireless TCP

Wireless TCP 개요 [15]

23

Wireless TCP (TCP 가속기술)

Connection management related

approaches

Wireless loss related

approaches

Split connection

End-to-end connection

Localization Explicit

notification

[15] B. Sardar and D. Saha, "A survey of tcp enhancements for last-hop wireless networks," Communications Surveys & Tutorials, IEEE, vol. 8, pp.

20-34, 2006.

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Wireless TCP

위성 환경에서 TCP 성능 (아주대) 긴 전송 지연과 패킷 손실에 의해 TCP 처리율 크게 감소됨

24

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 110

1

2

3

4

5

6x 10

6

RTT

TC

P T

hro

ug

hp

ut

(bit

s/se

c)

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

0

2

4

6

8

10

12x 10

5

PER (Satellite link)

TC

P T

hro

ug

hp

ut

(bit

s/se

c)

<RTT에 따른 TCP 처리율, PER = 0%> <PER에 따른 TCP 처리율, RTT = 500ms>

시뮬레이션 환경 • Metric: 위성 링크로 연결된 소스 노드와 목적 노드 사이의 TCP Throughput 측정 • Max. Contention window size: 65,535bytes • Segment size: 1500bytes

(sec.)

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Wireless TCP

Split connection [16-17] 유선망 부분과 무선 망 부분을 분할하여 서로 다른 TCP 세션을 사용

25

TCP

Network

Link

PHY

Application

TCP

Network

Link

PHY

Application

Modified TCP

Network

Link

PHY

Application

Modified TCP

Network

Link

PHY Data Data

ACK ACK

Wired Wireless

FH BS MH

※ FH: Fixed host BS: Base station MH: Mobile host

Split connection

장점

• FH와 BS 사이에는 기존 TCP 사용

FH 수정 불필요

• 무선단에 최적화된 TCP 방식 적용 가능

TCP Peach, TCP Veno, TCP Hybla (End-to-

end connection)

단점

• 기존 TCP의 End-to-End semantic 위배

• 기지국에서 세션마다 버퍼 필요

• Forward 링크와 Reverse 링크가 서로 다르면 적용

어려움

[16] K. Brown, S.Singh, “M-TCP: TCP for Mobile Cellular Networks,” ACM Comp. Commun. Rev., 1997.

[17] Wang and S. K. Tripathi, “Mobile-End Transport Protocol: An Alternative to TCP/IP Over Wireless Links,” IEEE INFOCOM, 1998.

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Wireless TCP

End-to-end connection [18-21] TCP congestion avoidance 알고리즘 수정

26

장점

• 무선단에서 발생한 패킷 손실이 전송률에 영향을 주지 않음

전송률 측정에 RTT (TCP Vegas), ACK 수신 inter-

arrival time (TCP Westwood), dummy 패 킷 (TCP

Peach) 활용

Congestion에 의한 패킷 손실과 무선 채널에러에 의한

패킷 손실을 차등하여 Congestion Control (TCP Veno)

• 무선 환경에 적합하게 TCP CWND tuning

TCP Hybla

단점

• 기존 소스 노드의 TCP 수정 필요

기존 시스템의 교체 필요

[18] M. Gerlaet al., “TCP Westwood: Congestion Window Control Using Bandwidth Estimation,” IEEE GLOBECOM 2001

[19] I. F. Akyildiz, et al., "TCP-Peach: a new congestion control scheme for satellite IP networks,” IEEE/ACM Transactions on Networking, vol. 9, pp.

307-321, 2001.

[20] C. P. Fu and S.C. Liew, “TCP Veno: TCP Enhancement for Transmission Over Wireless Access Networks,” IEEE JSAC 2003.

[21] C. Caini and R. Firrincieli, “TCP Hybla: a TCP enhancment for heterogeneous networks,” International journal of satellite communication and

networking, 2003.

TCP

Network

Link

PHY

Application

TCP

Network

Link

PHY

Application

TCP

Network

Link

PHY

Application

Data Data

ACKACK

Wired Wireless

FH BS MH

E2E connection

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Wireless TCP

Localization (TCP Snoop) [22-23] BS에서 TCP의 중복 ACK를 감지하면 빠른 재전송

27

장점

• 소스노드와 목적노드에서 기존 TCP 사용

• 무선단에서 발생한 패킷 손실 빠르게 복구 가능

중복 ACK에 의한 TCP 전송률 감소 없음

• 기존 TCP의 End-to-End semantic 유지

단점

• TCP-aware 링크 단 구현 필요

• 기지국에서 세션마다 버퍼 필요

• Forward 링크와 Reverse 링크가 서로 다르면 적용

어려움

TCP

Network

Link

PHY

Application

TCP

Network

Link

PHY

Application

TCP

Network

Link

PHY

Application

Data Data

ACK ACK

Wired Wireless

FH BS MH

Snooping

[22] S. Vangalaand M. Labrador, “The TCP SACK-Aware-Snoop Protocol for TCP over Wireless Networks,” IEEE VTC 2003.

[23] F. Sun and V. L. SoungC. Liew, “Design of SNACK Mechanism for Wireless TCP with New Snoop,” IEEE WCNC 2004.

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Wireless TCP

Explicit notification [24-25] BS에서 중복 ACK 수신 시 무선 단에서 손실된 패킷에 대한 중복

ACK에 무선 단 패킷 손실 비트를 마킹하여 전송

28

장점

• 무선 단에서 발생한 패킷 손실에 의한 TCP 전송률

감소가 없음

단점

• TCP-aware 링크 단 구현 필요

• 기지국에서 세션마다 버퍼 필요

• Forward 링크와 Reverse 링크가 서로 다르면 적용

어려움

TCP

Network

Link

PHY

Application

TCP

Network

Link

PHY

Application

TCP

Network

Link

PHY

Application

Data Data

ACK ACK

Wired Wireless

FH BS MH Explicit notification

[24] Hari Balakrishnan and Randy H. Katz, “Explicit Loss Notification and Wireless Web Performance”, IEEE Globecom1998.

[25] S. Biazand et.al, “TCP over wireless Networks using multiple acknowledgements”, Tech. report of Texas A&M Univ. 1997.

Page 29: Performance Enhancing Proxy for Satellite Communicationswinner.ajou.ac.kr › publication › data › invited › 20131023PEP.pdfTCP Peach, TCP Veno, TCP Hybla (End-to-end connection)

Wireless TCP

TCP 가속 기술 비교

29

Categories Split Connection End-to-End

Connection Localization

Explicit

Notification

Distinction Between

Congestion and Link

Error Supported Supported Supported Supported

Deployment Easy Difficult Easy Difficult

End-to-End

Semantic Not Maintained Maintained Maintained Maintained

Very long RTT

(Satellite

Communication) Supported Supported Not supported Not supported

PEP 적합 PEP 적합 Splitting Connection 사용 시 위성 단의 Optimized TCP 활용 가능

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Wireless TCP

성능 분석 모델 (아주대) Splitting connection

Localization (TCP Snoop)

30

TCP Sender TCP Receiver PEP PEP

Satellite Link Wired Link Wired Link

Conventional TCP Conventional TCP Modified TCP for satellite network

<Splitting connection>

TCP Sender TCP Receiver PEP

Satellite Link Wired Link Wired Link

Conventional TCP

<Localization>

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Wireless TCP

성능 분석 모델 (Splitting connection) MCWS(Maximum Congestion Window Size) 증가

위성 링크에서 발생하는 긴 전송지연을 MCWS를 증가 시켜서 TCP 최대 네트워크 처리율을 높임

ICWS(Initial Congestion Window Size) 증가 Timeout이나 Fast Retransmission 발생 시 Congestion Window가 MCWS에 도달 하는 시간이 단축됨

평균 CW 크기가 증가되어 TCP의 평균 네트워크 처리율을 높임

Selective ACK (SACK)

다수의 패킷 에러 정보를 SACK을 이용하여 전달 하여 재전송 가능

TCP Veno [20]

Congestion에 의한 패킷 손실과 무선 채널에러에 의한 패킷 손실을 차등하여 Congestion Control

• Minimum RTT보다 일정 수준 (N) 이상의 RTT이면서 패킷 손실Congestion, 이외의 경우무선 채널 에러

TCP Hybla [21]

RTT가 매우 긴 위성 통신에서 성능을 향상하기 위해 reference RTT (RTT0)의 기준에 맞춰 MCWS 증가 및 Congestion Control 파라미터 수정

31 [20] C. P. Fu and S.C. Liew, “TCP Veno: TCP Enhancement for Transmission Over Wireless Access Networks,” IEEE JSAC 2003.

[21] C. Caini and R. Firrincieli, “TCP Hybla: a TCP enhancment for heterogeneous networks,” International journal of satellite

communication and networking, 2003.

Page 32: Performance Enhancing Proxy for Satellite Communicationswinner.ajou.ac.kr › publication › data › invited › 20131023PEP.pdfTCP Peach, TCP Veno, TCP Hybla (End-to-end connection)

Wireless TCP

성능분석 (Splitting connection) 긴 전송 지연과 패킷 손실에 의한 성능저하를 극복 가능

32

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

0

5

10

15x 10

5

PER (Satellite link)

TC

P T

hro

ug

hp

ut

(bit

s/se

c)

TCP

LICW

LICW & SACK

LMCW

TCP Hybla

TCP Veno

LICW: Large Initial Congestion Window

LMCW: Large Maximum Congestion Window

시뮬레이션 환경 • Metric: 위성 링크로 연결된 소스 노드와 목적 노드 사이의 TCP Throughput 측정

• Segment size: 1500bytes • RTT: 500ms • LMCW: 90 kbytes • LICW:45 kbytes • RTT0(TCP Hybla): 350ms

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Wireless TCP

성능분석 (Splitting connection)

33

기술 특징 Trade-off Factor

Large MCWS -긴 RTT에 의해 TCP Throughput이 낮아지는 현상을 극복 가능 - PER이 일정 수준 높아지면 기존 TCP와 비슷한 성능을 나타냄

-MCWS값이 증가할수록 PEP에서 최대 지원할 수 있는 session 수 감소

Large ICWS -PER에 의해서 TCP Throughput이 낮아지는 현상 완화 가능

-ICWS값이 증가할수록 TCP의 congestion control성능 저하

SACK -기존 TCP에서는 PER이 높아지면 평균 CW크기도 줄어들기 때문에 큰 효과가 없음 -PER이 높은 환경에서도 ICWS 증가 등으로 평균 CW 크기가 증가하면 효과 상승

-

TCP-Veno - 무선 패킷 손실에 의한 TCP 성능 저하 완화

-

TCP-Hybla - 긴 RTT 및 무선 패킷 손실에 의한 TCP 성능 저하 극복 가능

-다수의 session이 존재할 때, RTT0값이 감소할수록 congestion 발생할 확률이 증가

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Wireless TCP

성능분석 (TCP Snoop) 성능향상이 미미함

위성링크의 긴 전송지연 때문에 PEP에서 빠른 재전송이 거의 무의미함

Snooping 기법은 유선링크에서 전송 지연 길고 무선 링크에서 전송 지연이 짧은 환경에 적합함

34 10

-510

-410

-310

-210

-10

2

4

6

8

10

12x 10

5

PER (Satellite link)

Th

rou

gh

pu

t (b

its/

sec)

TCP

TCP with Snoop

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Header Compression (1/5)

Van Jacobson의 알고리즘 [26] 이전에 전송한 TCP/IP 헤더에서 변화한 부분만 전송 무손실 링크 단(유선 망)에서만 적용 가능

Perkins 알고리즘 [27] Frame 의 첫번에 전송한 TCP/IP헤더에서 변화한 부분만 전송 손실 있는 링크단 (무선 망) 고려

CRTP [28] Van Jacobson 알고리즘 기반

Twice 알고리즘을 사용하여 헤더 에러 복구 가능 Sequence number 와 UDP

checksum 사용

35

[26] V. Jacobson, "Compressing TCP/IP Headers", RFC 1144, 1990.

[27] S. J. Perkins et al.,"Dependency Removal for Transport Protocol Header Compression over Noisy Channels," in Proc. IEEE ICC 1997, 1997

[28] S. Casner et al., "Compressing IP/UDP/RTP Headers for Low-Speed Serial Links", RFC2508, 1999.

<Van jacobson 알고리즘>

<Perkins 알고리즘>

Frame

CRTP: Compressed Real-time Transport Protocol

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Header Compression (2/5)

Robust Header Compression (ROHC) [29] Introduced RFC3095 and RFC 4815 Increase channel efficiency by reducing overhead Robust at unreliable link

Three different mode : Unidirectional mode(U-mode), Bidirectional Optimistic mode(O-mode), and Bidirectional Reliable mode(R-mode)

Compression example VoIP (in the active period)

• payload 5,11~32 bytes ([email protected]~12.2kbps)+ header 40/60 bytes (RTP 12+UDP 8+IPv4 20/IPv6 40)

payload 32 bytes + header 4~6 bytes

36

Wireless Link

Payload RTP UDP IP

Compressor

De-Compressor

Framing/Error Detection

RoHC Context

Payload H

Compressed

Header

RoHC Context

Payload IP RTP UDP

Compressor

De-Compressor

Framing/Error Detection

Sender Receiver

[29] G. Pelletier et al., "RObust Header Compression Version 2 (ROHCv2): Profiles for RTP, UDP, IP, ESP and UDP-Lite ",

RFC5225, 2008.

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Header Compression (3/5)

Header Fields Classification

37

Type Description

Inferred” They are never sent and they can

be known by other component in

the header

Static* Send only once, their values

never change during the stream

Static-

def**

Send only once, they give the

definition of the stream

Static-

known^

They are never sent and their

values are known

Changing< Header fields with a changing

value. The change can be

periodic or randomly. They are

always send

Ver* ToS< Flow ID**

Length” Next

Header* Hop Limit<

Source Address**

Destination Address**

Source Port** Destination Port**

Length” Checksum<

Ver^ P* E* CCnt< M< P.Type< Sequence Number<

Timestamp<

Source Synchronization Indentification(SSRC)**

Source Contribution Identification (1st)<

Contributing source (CSRC)<

Source Contribution Identification (last)<

Application Data

0 15 31

IPv6

UDP

RTP

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Header Compression (4/5)

Header Fields Classification

38

Type Description

Inferred” They are never sent and they can

be known by other component in

the header

Static* Send only once, their values

never change during the stream

Static-

def**

Send only once, they give the

definition of the stream

Static-

known^

They are never sent and their

values are known

Changing< Header fields with a changing

value. The change can be

periodic or randomly. They are

always send

Static Info

ROHC header

Application Data

1 byte

3~5 bytes

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Header Compression (5/5)

ROHC compression with U,O,R operation mode

39

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Research Issue - OTM 단말

OTM 단말의 이동에 따른 위성 링크 단절 [30-31] (1/3)

40

링크 단절

터널

터널 이동 재밍

작전구역

재밍

[30] T. F. sewell et al.,"Implementing SATCOM-on-the-move in the land environment - Relating technical solutions to operational reality", IEEE MilCIS

2011, 2011.

[31] V. Weerackody et al., "Technical Challenges and Performance of Satellite Communications on-the-Move Systems", JOHNS HOPKINS APL

TECHICAL DIGEST, 2011.

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Research Issue - OTM 단말

OTM 단말의 이동에 따른 위성 링크 단절 (2/3)

41

라우팅 경로 재설정

이동

S

D 경로 변경

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Research Issue - OTM 단말

OTM 단말의 이동에 따른 위성 링크 단절 (3/3)

42

안테나 위치 보정 에러

안테나 위치 보정 에러

LOS 간섭

현재 통신하는 위성 근접 위성

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Research Issue - OTM 단말

세션 단절 해결 방안 (파라미터 tuning) TCP [32]

TCP Connection failure 탐지

두가지 threshold 이용 (R1, R2)

• R1 > 3회 재전송, R2 > 100 sec.

R1 초과dead-gateway 진단 트리거R2 초과TCP connection close

RTCP (UDP) [33]

RTCP: RTP flow의 세션 시작, 유지, 종료를 담

RTCP 세션 유지

• 주기적으로 Keep-alive 전송 (Default value: 5 sec.)

• Keep-alive가 timeout되면 세션 종료 (Default value: 60 sec.)

43

세션 단절을 고려한 파라미터 설정으로 TCP/RTCP 세션 유지

[32] L. Eggert et al.,"TCP User Timeout Option", RFC 5482, 2009.

[33] H. Schulzrinne et al.,"RTP: A Transport Protocol for Real-Time Applications", RFC 3550, 2003.

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Research Issue - OTM 단말

세션 단절 해결 방안 (Bundle 프로토콜) 파라미터 Tuning의 한계

세션이 종료되게 되면 자동으로 복구 불가

Bundle 프로토콜 [34] 지 적인 세션 유지를 위한 Bundle

layer 추가 • 링크 단절을 감지하면 전송계층(TCP)의 세션 강제 종료

• 링크 이용 가능 감지하면 세션 초기화 하여 데이터 전송 재개

44 [34] C. Caini, et al., "BDTN bundle layer over TCP: Retransmission algorithms in the presence of channel disruptions",J. Commun., vol.

5, no. 2, pp. 106–116, Feb. 2010.

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Research Issue - OTM 단말

네트워크 처리율 향상 방안 (AL-FEC 기술 적용, 아주대)

45

106

107

108

109

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

File size

Go

od

pu

t (M

bit

/sec

.)

TCP Reno

AL-FEC (Analysis)

AL-FEC (Simulation)

Source Block Repair Block

Flexible time diversity

From sub-second to hours

Flexible amount

of protectionGround

Station

OTM

Node

Data

ACK

<AL-FEC 특성> <시스템 모델>

<시스템 Goodput : Channel Blockage fraction: 5% >

[35] 이규환, 김재현 “위성 OTM 네트워크에서 AL-FEC 적용 방안,” in Proc. 대한전자공학회 하계종합학술발표회, 제주도, 2013년 06월.

AL-FEC [35]

Application 계층에서 적용되는 FEC 기법으로 Erasure coding을 사용

코딩을 적용하는 데이터 블록 크기나 코딩율이나 시간 다양성을 자유롭게 조절 가능

재전송 지연이 발생하지 않음

(bit)

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Approach in Network Layer Routing

46

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군 위성 연동망 구조 및 특징

위성/타체계 연동망 참조망 구조(1/2)

47

타체계

연동

육군 작전 사령부 공군 작전 사령부 해군 작전 사령부

합참

TICN

Link-16

Link-11

위성망

군단

함대사

타체계: TICN, Link-16, Link-11, 각 군의 지휘통제체계 및 정보처리시스템 (ex.

KJCCS, MIMS, KNCCS, KNTDS, AFCCS, MCRC, etc.), C4I 체계

iBGP (AS 내부)

위성망 관리 구조

위성 링크

eBGP (AS↔AS)

OSPF

BGP

비행단

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군 위성 연동망 구조 및 특징

위성/타체계 연동망 참조망 구조(2/2) 운용국(합참) 중심의 Hub/Spoke 구조

48

운용국(합참)

분산망

통합망

Hub 분산망 Hub

Hub/Spoke

분산망

망관리/제어

트래픽

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군 위성 연동망 운용 방안

네트워크 계층 관련 연구 이슈 차기 위성망 및 연동망 구조 상위 설계

타체계 특성 및 상호운용성에 대한 고찰 필

위성망 IP 주소 체계 연구

타체계와 연동 및 경로선택 용이한 주소체계

망 내 가입자 수 증가에 따른 효율적 주소 할

Broadcast, Multicast 등에 따른 IP 주소 할

위성 연동망 라우팅 프로토콜 적용 방안

이동성 보장을 위한 Dynamic 라우팅 적용

라우팅 프로토콜 Cost Metric 설정

위성 운용 방안(Load balancing, Back-up link)에 따른 Cost metric 사용 방안

49

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연구 이슈

경로 정보 유지 및 업데이트 단말 간 연결 유지를 위한 라우팅 제어 메시지 전송

단말의 이동에 따른 동적 경로 정보 업데이트 메시지 전송

50

- Case 1: 주기적인 제어 메시지 전송 OSPF: Hello 메시지 (44bytes)

BGP: Keepalive 메시지 (19bytes)

- Case 2: 단말의 이동 및 채널 state 변경 OSPF: LSU 메시지

OSPF 메시지 역할

Hello - 인접 라우터와의 링크 연결 상태 확인

- 주기적으로 교환: Default 10초

Data Description - AS 또는 area에 대한 구조 정보 제공

- Master device에 의해 slave device에 전달

Link State Request (LSR) - Link state 정보를 업데이트 요청

Link State Update (LSU) - Link state에 대한 정보 제공

Link State

Acknowledgement (LSA) - LSU의 수신에 대한 ACK

BGP 메시지 종류

Open - BGP 라우터 간 TCP 연결을 설정하기 위한 파라미터 전송

Keepalive - BGP 연결 유지

- 주기적으로 교환: Default 60초

Update - BGP 라우터 간 오류 발생 시, 오류 원인

전달

Notification - 라우팅 정보 전송

<OSPF 제어 메시지 종류 [36]> <BGP 제어 메시지 종류 [37]>

[36] J. Moy, “OSPF Version 2,” RFC 2328, Apr. 1998.

[37] Y. Rekhter, T. Li, and S. Hares, “A Border Gateway Protocol 4 (BGP-4),” RFC 1771, Jan. 2006.

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연구 이슈

단말 이동성에 따른 경로 정보 업데이트 및 IP 주소 할당 경로 정보 관리를 위한 제어 메시지 교환 (아주대)

51

성능 분석 환경

채널 모델: AWGN

변조방식: 4-QAM, 16-QAM, 64QAM, 256QAM

Hello packet size: 44bytes (최소 크기)*

Hello packet 전송 주기: 10초

Hello packet 최대 전송 횟수: 4회

군단 내 라우터 수: 200 대

0 5 10 15 20 25 3010

15

20

25

30

35

40

Eb/No (dB)

Am

ou

nt

of

ex

ch

an

ge

d H

ell

o p

ac

ke

ts (

MB

)

M=4

M=16

M=64

M=256

• 나쁜 채널 환경: 35MB

• 좋은 채널 환경: 14MB

제어 메시지 교환 양 (10초)

• 제어 메시지 전송량 감소

• 위성 링크 자원 할당 방안

연구 이슈

[36] J. Moy, “OSPF Version 2,” RFC 2328, Apr. 1998.

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연구 이슈

라우팅 제어 메시지 평균 전송 지연 시간 OSPF의 Hello 메시지 평균 전송 지연시간

52

성능 분석 환경

채널 모델: AWGN

변조방식: 4-QAM

Hello packet size: 44bytes

Hello packet 전송 주기: 10초

Hello packet 최대 전송 횟수: 4회

자원할당 시간: 2초

Propagation delay: 125ms (지상 위성)

• 경로 삭제: 4dB 이하

• 경로 유지: 5dB 이상

경로 정보 유지 여부

0 5 10 15 20 25 3010

15

20

25

30

35

40

45

Eb/No (dB)

Ave

rag

e t

ran

sm

iss

ion

de

lay

(s

ec

)

4번째 전송된 Hello 메시지 수신

유효한 경로

• 유효 경로 유지 방안 연구

연구 이슈

[36] J. Moy, “OSPF Version 2,” RFC 2328, Apr. 1998.

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연구이슈

연구 이슈 별 성능 향상 예상 지표 라우팅 제어 메시지 감소 방안 연구

제어 메시지 발생량

경로 정보 신뢰성

라우팅 제어 메시지 전송을 위한 위성 채널 자원 할

Channel utilization

전송 신뢰성

유효 경로 유지 방안 연구

경로 정보 신뢰성

53

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Summary

54

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Summary

55

Application layer 필 기술 (Optional) : 데이터 압축, 데이터 캐싱

Transport layer 필 기술 (Mandatory) : TCP 최적화, 헤더 압축

필 기술 (Optional) : OTM 단말 지원 기술

Network layer 필 기술 (Mandatory) : 라우팅 제어 메시지 최적화

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Thank you !

Q & A

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References

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