Departamento de Ciência da Computação Instituto de Computação Universidade Federal Fluminense Saching Katti, Hariharan Rahul, Wenjun Hu, Dina Katabi, Muriel Médard, Jon Crowcroft Em IEEE/ACM Transactions on Networking, VOL. 16, NO. 3, Junho 2008 Apresentador: Igor C. G. Ribeiro XORs in the Air: Practical Wireless Network Coding Computação Móvel 2012/1

O artigo introduz o COPE; Nova arquitetura de encaminhamento de pacotes; Utiliza codificação de redes; Aumenta o throughput em redes em malha sem fio estacionárias. Introdução

Motivação Como enviar mais informações utilizando menos transmissões?

Motivação Redução de 4 transmissões para 3. Pode-se aproveitar a transmissão extra para enviar mais dados. Seria interessante combinarmos mais pacotes para reduzir ainda mais o número de transmissões.

Ideia Nós em modo promíscuo podem capturar o tráfego dentro de sua área de cobertura. Pacotes capturados são armazenados por um determinado intervalo de tempo. Resultado: Cada nó conhece um número maior de pacotes, favorecendo assim a codificação.

COPE – Visão Geral Aplicação Transporte Rede Enlace Física Aplicação Transporte Rede Enlace Física Codificação

1.Audição Oportunista Escuta o tráfego nos nós sem fio; Guarda os pacotes monitorados por um intervalo de tempo T; Cada nó envia em broadcast mensagens de recepção. COPE – Visão Geral

2.Codificação Oportunista COPE – Visão Geral Como combinar os pacotes de modo a obter O maior ganho possível?

2.Codificação Oportunista COPE – Visão Geral

3.Aprendendo o estado dos vizinhos Através das mensagens de recepção; Através da tentativa de adivinhação COPE – Visão Geral

O quão benéfico é o COPE? Seu ganho de throughput depende das oportunidades de codificação, que por sua depende dos padrões de tráfego. Entemdendo os Ganhos do COPE

Ganho com a codificação Definição Razão entre o número de transmissões requeridas pela abordagem sem codificação e o número mínimo de transmissões requeridas pela abordagem com codificação

Qual é a capacidade teórica de uma rede wireless que implementa o COPE? A capacidade de network coding genérico para tráfego unicast é ainda um problema em aberto. Entretanto é possível analisar algumas topologias básicas que revelam alguns fatores que afetam o COPE. Ganho com a codificação

Premissas: Nós identicos; Rádios omni-direcionais; Sinal perfeitamente audível dentro de um raio; O sinal não é ouvido de forma alguma fora do raio; Se dois nós podem ouvir um ao outro, o algoritmo de roteamento escolherá o link direto. Ganho com a codificação

Na ausência de audição oportunista o ganho Máximo devido a codificação tende a 2 conforme o Número de nós intermediários aumenta.

Ganho com a codificação Na ausência de audição oportunista não é possível obter nenhum ganho pela codificação. Porém, com a audição oportunista o ganho é igual a 1,33.

Ganho com a codificação n1n2n3 n5 n4

Ganho com a codificação + MAC O MAC tenta ser justo e divide igualmente a largura de banda entre todos os nós. O nó intermediário tem que enviar o dobro de transmissões que os nós da ponta. O nó intermediário se torna o gargalo Metade dos pacotes na fila do nó Intermediário são descartados. Com o uso do COPE, o nó intermediária faz o XOR entre pares de pacotes, permitindo que tais pacotes sejam drenados duas vezes mais rápido. Dessa maneira, o ganho pela junção entre Codificação e MAC para o exemplo de Alice e Bob é 2. Assume-se que todos os nós tem continuamente tráfego para enviar, mas está limitado pela largura de banda alocada pela camada MAC. Para topologias com um único gargalo, o ganho de codificação + MAC é calculado como a razão entre a taxa de drenagem com COPE e a taxa de drenagem sem o COPE.

Ganho com a codificação + MAC

Não atrasar o envio de pacotes; Dar preferência a fazer XOR com pacotes de mesmo tamanho XOR com pacotes de tamanhos diferentes reduz a economia de largura de banda; Separa os pacotes nas categorias grande e pequeno; No XOR de pacotes de tamanhos diferentes, o menor sofre padding com 0s. Implementação – Algoritmo de Codificação

Não fazer XOR de pacotes destinados ao mesmo próximo salto; Não fazer XOR de pacotes gerados no próprio nó que está codificando; Nos dois casos anteriores o próximo salto não seria capaz de decodificar os pacotes; COPE mantêm duas filas virtuais por vizinho, uma para pacotes grandes e outra para pequenos; Implementação – Algoritmo de Codificação

Resumo: Cada nó tem uma fila FIFO – Fila de Saída; Cada nó tem duas filas virtuais por vizinho, uma para pacotes pequenos (< 100 bytes) e uma para pacotes grandes; As filas para um vizinho A contêm ponteiros para pacotes na file da saída cujo próximo salto é A Implementação – Algoritmo de Codificação

Resumo: Cada nó mantém um Hashtable, indexado pelo ID do pacote, que contém o packet info. Essa informação fornece a probabilidade de cada vizinho ter esse pacote. Implementação – Algoritmo de Codificação

Id PacoteProbabilidade Pacotes Grandes Pacotes Pequenos Fila de Saída HashTable Estrutura dos Nós

Cada nó mantém um hashtable, indexado pelo ID do pacote, onde os pacotes enviados, recebidos e monitorados pelo nó são guardados; De tempos em tempos esse hashtable é limpo; Quando um pacote tem que ser decodificado, o nó verifica os IDs dos pacotes que compõem o pacote codificado e recupera os mesmos do hashtable. Implementação – Algoritmo de Decodificação

Problema: usar em modo broadcast ou unicast? Broadcast não fornece confiabilidade; Broadcast não permite backoff, reduzindo o throughput em virtude do excesso de colisões. Implementação – Pseudo- Broadcast

Solução: Pseudo-broadcasts Pacotes codificados são enviados em modo unicast; O endereço MAC de destino é setado para um dos destinatários; Após o cabeçalho de camada 2, é inserido o cabeçalho XOR que contém todos os destinatários daquele pacote; Implementação – Pseudo- Broadcast

Solução: Pseudo-broadcasts Todos os Nós operam em modo promíscuo e podem receber o pacote enviado; Se o endereço MAC do pacote recebido não bate com o do nó que o recebeu, esse checa o cabeçalho XOR; Se o nó for um dos destinatários, o pacote é processado. Caso contrário o pacote é armazenado. Implementação – Pseudo- Broadcast

Solução: Pseudo-broadcasts Assim, o pacote é entregue a todos os destinatários utilizando o modo unicast. Implementação – Pseudo- Broadcast Problema de confiabilidade e backoff resolvidos? Não!

Somente a camada MAC do real destinatário do pacote enviará ACK; Os pacotes enviados para os outros destinatários também podem ser perdidos. Um determinado nó que recebe um pacote codificado pode não ter informações suficientes para decodificar o mesmo e assim esse pacote é perdido. Implementação – Pseudo- Broadcast O COPE precisa então prover por conta própria um sistema de ACKs e Retransmissões!

Pacotes nativos utilizam o esquema de ACKs e retransmissões do ; Utilizar o mesmo esquema para pacotes codificados acarreta em um overhead excessivo; A solução proposta pelo COPE é utilizar ACKs assíncronos. Implementação – ACKs Assíncronos e Retransmissões

A utilização de ACKs assíncronos pode acarretar em reordenação dos pacotes; A reordenação é para o TCP um sinal de congestionamento; Dessa maneira, se muitos pacotes forem reordenados o TCP irá reduzir a taxa, reduzindo assim o throughput. Implementação – ACKs Assíncronos e Retransmissões Solução Ordenar os pacotes antes de envia-los Para a camada de transporte!

Cada nó mantém um agente que intercepta os pacotes antes de serem enviados para a camada de transporte; Caso o pacote pertença a um fluxo TCP e o IP de destino seja o IP do nó em questão: O agente verifica se o pacote recebido não causará uma lacuna na sequência de pacotes. Caso contrário o pacote é encaminhado normalmente. Implementação – Prevenção de Reordenação de Pacotes TCP

Implementação – Funcionamento

Resultados Experimentais – Topologias Simples Objetivo Comparar os ganhos reais com os ganhos teóricos já analisados.

1)Fluxos TCP: executado em três topologias diferentes (Alice e Bob, X e a topologia em curz) O ganho de throughput foi medido através de 40 execuções diferentes do experimento; Resultados Experimentais – Topologias Simples

Alice e Bob

Resultados Experimentais – Topologias Simples X

Cruz

Resultados Experimentais – Topologias Simples Conclusão dos Experimentos com TCP Quando o tráfego realiza controle de Congestionamento, o ganho de throughput Obtido corresponde ao ganho por codificação e Não ao ganho por MAC + codificação

2)O mesmo experimento foi realizado nas mesmas topologias, mas agora utilizando fluxos UDP Resultados Experimentais – Topologias Simples

Alice e Bob

Resultados Experimentais – Topologias Simples X

Cruz

Resultados Experimentais – Rede AD HOC Real Objetivo Verificar como o COPE se comporta em uma rede ad hoc real.

1)Fluxos TCP Os fluxos chegam de acordo com a distribuição de Poisson; A origem e o destino dos pacotes são escolhidos aleatoriamente dentre os 20 nós possíveis; Resultados Experimentais – Rede AD HOC Real

1)Fluxos TCP Foi notado um ganho insignificante (2- 3%) Resultados Experimentais – Rede AD HOC Real Terminais Ocultos Grande n De Colisões TCP Reduz A Taxa Poucas Oportunidades de Codificação Mau Uso do Meio

Resultados Experimentais – Rede AD HOC Real

1)Fluxos TCP Se removermos as perdas devidas a colisões os fluxos TCP se beneficiariam do COPE? Todos os 20 nós da rede foram dispostos de tal forma que estivessem dentro do alcance da detecção de portadora uns dos outros; O grafo de roteamento e a taxa de erros dentro dos nós foram mantidas. Resultados Experimentais – Rede AD HOC Real

1)Fluxos UDP Chegadas Poisson; Origem e destino escolhidos aleatoriamente; Carga na rede inserida através do alteração na taxa de chegada; Para cada taxa de chegada (25 no total) foram realizados 10 experimentos com o COPE ligado e 10 com o mesmo desligado. Resultados Experimentais – Rede AD HOC Real

Quanto da codificação é devida às mensagens de recepção e quanto é devida à adivinhação? Se n pacotes são codificados e desses n pacotes, k pacotes são codificados devido à mensagens de recepção, n-k pacotes são codificados devido à adivinhação.

Resultados Experimentais – Rede AD HOC Real

Resultados Experimentais – Rede Mesh Real Objetivo Verificar como o COPE se comporta em uma rede mesh real.

Fluxos UDP; De e para o gatway mais próximo Nós do testbed divididos em quatro conjunto; Cada conjunto se comunica com a Internet através de um nó que faz o papel do gatway; Experimento controlado através da variação da razão entre o tráfego de upload e o tráfego de download. Resultados Experimentais – Rede Mesh Real

O artigo apresentou o COPE – Sistema que tenta tirar proveito da natureza de trasmissões broadcast presentes nas redes wireless para realizar o processo de codificação de pacotes, com o objetivo de aumentar o throughput. Em geral, o COPE apresentou um grande ganho no throughput. Conclusão

Alguns comportamentos nos gráficos não foram bem explicados; Alguns parâmetros mostrados nos gráficos não foram bem definidos. Críticas