Universidade Federal Fluminense

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Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade: um estudo comparativo Aluno: Fabio Teixeira Guerra Orientador: Luiz Claudio Schara Magalhães, Phd. Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade - 2006
Agenda Cenário Motivação Objetivo Protocolos Baseados em Acks Protocolos Baseados em Taxa Testes Comparativos Conclusão Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

Cenário Crescente disponibilidade de enlaces de alta velocidade (gigabit) em estações de trabalho Aplicações que precisam usar taxas de gigabit (física de alta energia) Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

Motivação Dificuldade de um único fluxo TCP atingir alta taxa em enlaces com taxa de gigabits por segundo. Diminuição do tamanho da janela de transmissão devido a perdas, que são originadas principalmente pelas rajadas do TCP Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

Objetivo Testar a viabilidade do protocolo RMTP (baseado em taxa) funcionar a taxas de gigabit, através da análise comparativa com protocolos para redes de alta velocidade baseados em acks. Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

Duas Famílias Protocolos similiares ao TCP, porém com outro controle de congestionamento Protocolos que funcionam como um agregado de fluxos TCP Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

Protocolos Baseados em Acks
Alterações no controle de congestionamento do TCP. HSTCP BIC TCP CUBIC TCP Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

Protocolos Baseados em Acks
Criação de N fluxos TCP para atender a uma única aplicação. MulTCP Testes realizados N = 4 Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

HSTCP Sally Floyd propõe uma mudança na curva de crescimento do tamanho da janela de transmissão a partir de um certo limiar. Bem amigável ao TCP pois segue o controle de congestionamento do TCP até verificar que existe banda disponível Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

HSTCP w = 10S (logp – log Low_P) + log Low_Window S = (log High_Window – log Low_Window) / (log High_P – log Low_P) Low_Window = limite inferior (tamanho de janela) da atuação da função resposta do HSTCP High_Window = limite superior (tamanho de janela) da atuação da função resposta do HSTCP Low_P = taxa de perda de segmentos para Low_window High_P = taxa de perda de segmentos para High_window Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

HSTCP w = (p / Low_P)S Low_window Para valores padrões de Low-Window = 38, High_Window = 83000, Low_P = 10-3 e High_P = 10-7 temos como função resposta para o HSTCP o seguinte valor final: w = 0,12/p0,83 Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

HSTCP w = w + a(w) / w w = w – b(w) * w a(w) = (w2 * 2 * b(w)) / ((2 – b(w)) * w1,2 * 12,8 High Decrease = 0.1 (valor padrão) Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

BIC TCP Algoritmo também baseado no algoritmo do TCP porém com algumas diferenças. Binary Search Increase Additive Increase Fast Convergence Slow Start Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

BIC TCP Binary Search Increase Realiza uma busca binária até a diferença entre WMax e WMin ser menor que SMin target window = (WMax – WMin) / 2. No caso de perdas durante o Binary Search Increase a janela corrente passa a ser WMax e a nova janela após o decremento passa a ser o novo WMin Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

BIC TCP Additive Increase Quando a distância entre WMin e WMax é muito grande e o aumento para o ponto médio é maior que o máximo incremento (Smax), aumenta-se a janela sempre de Smax até a distância entre Min e Max ser menor que Smax Ocorrendo perdas nos momentos de Additive Increase, o BIC TCP utiliza a estratégia de decrementos múltiplos (Multiplicative Decrease) igual a do TCP Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

BIC TCP Fast Convergence No Binary Search Increase, após uma redução da janela de transmissão, novos WMax e WMin são definidos. Se o novo WMax é menor que o anterior, esta janela teve uma tendência descendente, com isso para garantir uma maior fairness, quando existe mais de um fluxo deve-se reajustar o novo WMax como sendo o primeiro valor de Target Window, ou seja: WMax = (WMax – WMin) / 2. Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

BIC TCP Slow Start Quando a janela corrente chega até WMax, o Binary Search Increase escolhe um novo valor de WMax aleatoriamente e a janela corrente passa a ser WMin. Se (WMin + WMax)/2 > Smax, em vez de utilizar o Additive Increase, o BIC TCP roda um algoritmo chamado de partida lenta Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

CUBIC TCP Versão com maior fairness que o BIC TCP. WCUBIC = C(t-K)3 + WMax Onde: C – Fator de escala t – Tempo decorrido desde a última redução da janela K = ((ßWMAX/C))1/3 ß – Constante que decrementa o tamanho da janela no momento de uma perda. Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

CUBIC TCP Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

MulTCP Fluxos TCP agregados podem alcançar vazão gibabit por segundo MulTCP 1 Wmul1 = (2N * (N – ¼))1/2 / P1/2 MulTCP 2 Wmul2 = N * w = N * (1,2 / p1/2) Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

MulTCP 2 Na expressão: Wmul2 = N * w = N * (1,2 / p1/2) Para N = 1 pode-se escrever a expressão acima da seguinte forma Wmul2 = (a * (2 – b))1/2 / (2bp)1/2 Para isso temos: b = 2 a / (a + 3N2) Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

Protocolos Baseados em Taxa
Intervalo entre pacotes constante evitando rajadas Difícil implementação devido a baixa granularidade dos timers dos sistemas operacionais Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

Protocolos Baseados em Taxa
RMTP desenvolvido por Magalhães para mobilidade em redes sem fio. Controle de congestionamento homeostático HCC Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

Controle de Congestionamento Homeostático (HCC)
Tenta alcançar o equilíbrio (homeostase) através de duas “forças”: Par de Pacote – que tende a superestimar a banda disponível na rede Monitoramento de Jitter – que corrige os erros do par de pacotes Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

Par de Pacotes Funciona enviando trens de cinco pacotes onde a medição do tempo de chegada entre os dois últimos indica o tempo mínimo de separação entre pacotes que a rede pode reagir Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

Monitoramento de Jitter
Jitter é a diferença entre o intervalo de envio de pacotes e o intervalo no qual os mesmos pacotes são recebidos No HCC a indicação de dois jitters positivos é sinal de violação da taxa Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

Agenda Cenário Motivação Objetivos Protocolos Baseados em Acks Protocolos Baseados em Taxa Testes Comparativos Conclusão Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

Ambiente de Teste Network Simulator (NS) versão 2.26. Instalação dos controles de congestionamento dos protocolos. Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

Testes de vazão Testes de TCP Friendliness Testes de Desempenho
Testes Realizados Testes de vazão Testes de TCP Friendliness Testes de Desempenho Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

Teste de Vazão Protocolos testados isoladamente para verificar a capacidade de vazão de cada um. Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

Topologia para o Teste de Vazão
TCP HSTCP BIC TCP CUBIC TCP MulTCP RMTP BACKBONE ACESSOS Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

Parâmetros do Teste de Vazão
ACESSO BACKBONE BANDA ATRASO BUFFER 1Gbps 0.01 ms produto atraso x banda 0.1 ms 0.2 ms 0.3 ms 0.4 ms produto 5 x atraso x banda 5 x produto atraso x banda Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

Teste de Vazão Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

TCP Friendliness Mede a capacidade de um protocolo dividir de forma justa a banda disponível com outros fluxos que seguem o controle de congestionamento do TCP. Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

Topologia para testes de TCP Friendliness
BACKBONE ACESSOS HSTCP BIC TCP CUBIC TCP MulTCP RMTP HSTCP BIC TCP CUBIC TCP MulTCP RMTP Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

Parâmetros para testes deTCP Friendliness
Condições de Rede Banda Backbone Atraso Link Backbone Banda Protocolo TCP Banda Protocolo A.V. Atraso Links de acesso 1 1Gbps 0.01 ms 750Mbps 0.015 ms 2 Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

TCP x HSTCP Parametros: Banda Backbone: 1Gbps Atraso Backbone: 0.01 ms Banda Acessos: 750 Mbps Atraso Acessos: ms Buffer: atraso x banda TCP BACKBONE ACESSOS Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

TCP Friendly Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

TCP x HSTCP Parametros: Banda Backbone: 1Gbps Atraso Backbone: 0.01 ms Banda Acessos: 1 Gbps Atraso Acessos: 0.01 ms Buffer: atraso x banda TCP BACKBONE ACESSOS Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

TCP x BIC TCP Parametros: Banda Backbone: 1Gbps Atraso Backbone: 0.01 ms Banda Acessos: 750 Mbps Atraso Acessos: ms Buffer: atraso x banda TCP BACKBONE ACESSOS Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

TCP x BIC TCP Parametros: Banda Backbone: 1Gbps Atraso Backbone: 0.01 ms Banda Acessos: 1 Gbps Atraso Acessos: 0.01 ms Buffer: atraso x banda TCP BACKBONE ACESSOS Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

TCP x CUBIC TCP Parametros: Banda Backbone: 1Gbps Atraso Backbone: 0.01 ms Banda Acessos: 750 Mbps Atraso Acessos: ms Buffer: atraso x banda TCP BACKBONE ACESSOS Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

TCP x CUBIC TCP Parametros: Banda Backbone: 1Gbps Atraso Backbone: 0.01 ms Banda Acessos: 1 Gbps Atraso Acessos: 0.01 ms Buffer: atraso x banda TCP BACKBONE ACESSOS Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

TCP x MulTCP Parametros: Banda Backbone: 1Gbps Atraso Backbone: 0.01 ms Banda Acessos: 750 Mbps Atraso Acessos: ms Buffer: atraso x banda TCP BACKBONE ACESSOS Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

TCP x MulTCP Parametros: Banda Backbone: 1Gbps Atraso Backbone: 0.01 ms Banda Acessos: 1 Gbps Atraso Acessos: 0.01 ms Buffer: atraso x banda TCP BACKBONE ACESSOS Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

TCP x RMTP Parametros: Banda Backbone: 1Gbps Atraso Backbone: 0.01 ms Banda Acessos: 750 Mbps Atraso Acessos: ms Buffer: atraso x banda TCP BACKBONE ACESSOS Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

TCP x RMTP Parametros: Banda Backbone: 1Gbps Atraso Backbone: 0.01 ms Banda Acessos: 1 Gbps Atraso Acessos: 0.01 ms Buffer: atraso x banda TCP BACKBONE ACESSOS Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

TCP Friendliness HSTCP - bom desempenho BIC, CUBIC e MulTCP - razoável desempenho RMTP – amigável demais Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

Teste de Desempenho Seis fluxos, sendo um de cada protocolo estudado, com 50% de sobrecarga na rede. Parâmetros: Acessos: 250 Mbps, 0.2 ms Backbone: 1 Gbps, 0.1 ms Buffers: Produto atraso x banda Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

Teste de Desempenho BACKBONE ACESSOS TCP HSTCP BIC TCP CUBIC TCP MulTCP RMTP Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

Teste de Desempenho Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

Agenda Cenário Motivação Objetivos Protocolos Baseados em Acks Protocolos Baseados em Taxa Testes Comparativos Conclusão Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

Conclusão Apesar do RMTP ter sido desenvolvido para redes sem fio este apresentou bons resultados em ambiente de alta velocidade Estabilidade do RMTP em relação aos outros protocolos devido a sua forma de envio dos pacotes Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

Trabalhos Futuros Aquisição de uma placa de rede com RT Linux Implementação de um módulo kernel na placa adquirida para envio de pacotes baseados em taxa Testes na Rede GIGA da RNP Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

Agradecimentos Obrigado! Tese: Protocolos de Transporte para Redes de Alta Velocidade

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