Wireless TCP

1. Wireless TCP Dr. Hannes Hartenstein NEC Europe Ltd., Heidelberg Sommersemester 2001, Universität Mannheim

2. Struktur der Vorlesung • Herausforderungen an die Transportschicht. • Kurze Wiederholung von TCP. • Probleme von TCP in drahtlosen/heterogenen Netzen. • TCP-Modifikationen: • Indirect TCP • Snooping TCP • Mobile TCP • SACK TCP und schnelle Handoffs. H. Hartenstein: Wireless TCP

3. Herausforderungen für Transportschicht • Bitfehlerrate auf der Luftschnittstelle ‘viel höher’ als im Festnetz. • dadurch Paketverluste. • typischerweise werden genannt: 10^-6 oder schlechter (im Vergleich zu 10^-12 für Glasfaser). • Eckhardt/Steenkiste (SIGCOMM’96): gilt nicht für WLANs in Räumen. • Paketverluste durch Handoffs. • Physikalische bzw. logische Unterbrechung der Verbindung. H. Hartenstein: Wireless TCP

4. TCP Grundlagen • TCP ist verbindungsorientiert. • TCP (Transmission Control Protocol) wurde spezifisch zur Bereitstellung eines zuverlässigen Bytestroms von Ende zu Ende in einem unzuverlässigen Netzverbund entwickelt. [Tanenbaum]. • TCP ist immer Vollduplex und Punkt-zu-Punkt. • TCP hat grossen Anteil am gesamten Internet Verkehr (wg. HTTP/Web). • Zuverlässigkeit: durch Acknowledgements/Retransmissions. • Flusskontrolle/Staukontrolle: mittels ‘Sliding Window’. H. Hartenstein: Wireless TCP

5. sender receiver send 0 - 1024 receive 0 - 1024 acknowledge 1025 receive ACK 1025 send 1025 - 2048 packet lost timer expires resend 1025 - 2048 receive 1025 - 2048 acknowledge 2049 TCP: ACKs/Retransmission H. Hartenstein: Wireless TCP

6. TCP: Retransmission Timeout • Timeout-Werte sind dynamisch! • Basieren auf gemessener RTT:RTT(i+1) = ( * RTT(i))+((1-) * sampleRTT)Timeout =  * RTT=2 (urspr. Empfehlung) oder basiert auf Varianz der Verzögerung. • Genaue RTT Schätzungen sind immer noch Forschungsgebiet ... • Karn’s Algorithm: RTT Messungen von ‘Retransmissions’ werden ignoriert. • Timer Backoff: Timeout-Wert wird vergrössert, wennTimeout auftritt: Timeout = *oldTO( = 2 ist typisch). H. Hartenstein: Wireless TCP

7. TCP: Flusskontrolle • TCP Fenster zählt in Octets. ACK received transmitted end of window Data to transmit Octet: 0 1024 2048 4096 5002 sliding window size= 3072 • Empfänger kann Fenstergrösse modifizieren: • verhindert ‘buffer overflow’ beim Empfänger • auf 0 gesetzt wird der Fluss unterbrochen. H. Hartenstein: Wireless TCP

8. TCP: Staukontrolle • Kooperatives Verhalten zum Auflösen von Staus. • Sliding window wird zur Staukontrolle herangezogen: senderWin = min(receiverWin,congestionWin) • Geht ein Paket verloren, so geht der TCP Sender von einer Stau-Situation aus und beginnt den sogenannten slow start. • TCP Slow Start: • congestion threshold wird auf die Hälfte der derzeitigen Fenstergrösse des congestion window gesetzt. • congestion window wird auf Initial-Wert gesetzt (1 Paket). • Exponentielle Phase bis congestion threshold erreicht ist. • Dann lineares Wachstum (congestion avoidance). H. Hartenstein: Wireless TCP

9. TCP: Slow Start [Tanenbaum] H. Hartenstein: Wireless TCP

10. Wesentliche TCP Versionen • TCP Tahoe • ‘Fast retransmit’ Mechanismus: nach Empfang von ‘duplicate ACKs’ wird ‘slow start’ gestartet. • TCP Reno • Wie ‘Fast restransmit’ aber ‘Fast recovery’ verhindert starten von ‘slow start’. • Tahoe und Reno verbessern Verfahren bei Verlust eines einzelnen Pakets. • TCP NewReno und SACK TCP optimieren auch Mehrfach-Verluste. • SACK: selective ACKs. Empfänger gibt explizit an, welche ‘Lücke’ von Paketen aufgetreten ist. H. Hartenstein: Wireless TCP

11. TCP: Probleme in drahtlosen/heterogenen Netzen • Basisannahme ‘Paketverlust bedeutet Stau’ im Allgemeinen nicht korrekt. • Erhöhte Anzahl von Paketverlusten durch hohe BER und durch Handoffs. • Unnötiges Drosseln der Datenrate. • ‘Unfairness’ gegenüber TCP Sendern/Empfängern im Festnetz. H. Hartenstein: Wireless TCP

12. Mobiles Endgerät (mobile host) „festes“ Internet Zugangspunkt (foreign agent) normales TCP „drahtloses“ TCP Indirect TCP • Indirektes TCP segmentiert die Verbindung • keine Änderung am TCP-Protokoll für Rechner im Festnetz, hier ist die installierte Basis zu hoch • optimiertes TCP-Protokoll für Mobilrechner • Auftrennung der TCP-Verbindung z.B. am Foreign Agent in 2 TCP-Verbindungen, keine „echte“ Ende-zu-Ende-Semantik mehr • Rechner im Festnetz bemerken nichts vom mobilen Teil H. Hartenstein: Wireless TCP

13. Zugangspunkt1 Übertragung von socket und Zustand (cache) Internet Zugangspunkt2 mobiler Knoten Indirect TCP Zustandsübertragung (context transfer) H. Hartenstein: Wireless TCP

14. Indirect TCP • Vorteile • keine Änderungen im Festnetzbereich, alle Optimierungs-maßnahmen helfen hier weiterhin • Fehler auf drahtloser Strecke pflanzen sich nicht ins Festnetz fort • relativ einfach beherrschbar, da mobile TCP-Varianten nur die kurze Strecke (ein „hop“) zwischen Foreign Agent und Mobilrechner betreffen • dadurch sehr schnelle Übertragungswiederholung, da Verzögerungszeit auf der Mobilstrecke bekannt ist • Nachteile • Verlust der TCP-Semantik, ACK an Sender heißt nun nicht mehr, daß der Empfänger wirklich die Daten erhalten hat - was passiert, wenn der Foreign Agent abstürzt? Konsistenz der Sichten? • vergrößerte Latenzzeiten durch Pufferung der Daten im Foreign Agent und evtl. Übertragung an den neuen Foreign Agent H. Hartenstein: Wireless TCP

15. Lokale Übertragungswiederholung „festes“ Internet Puffern der Daten Ende-zu-Ende-TCP-Verbindung Snooping TCP • „Transparente“ Erweiterung von TCP im Access Router • Puffern der zum Mobilrechner gesendeten Daten • bei Datenverlust auf der Mobilstrecke (beide Richtungen) direkte Übertragungswiederholung zwischen AR und Mobilrechner („lokale“ Übertragungswiederholung) • dazu hört der AR den Datenverkehr ab und erkennt Bestätigungen in beide Richtungen (Filtern der ACKs) • TCP muß nur im AR erweitert werden H. Hartenstein: Wireless TCP

16. Snooping TCP • Datentransfer zum Mobilrechner • AR puffert die Daten bis zum ACK des MN, erkennt Paketverluste durch duplizierte ACKs oder time-out • schnelle Übertragungswiederholung, unbemerkt vom Festnetz • Datentransfer vom Mobilrechner • AR erkennt Paketverluste auf dem Weg vom MN anhand der Sequenznummern, sendet daraufhin NACK zum MN • MN kann nun sehr schnell erneut übertragen • Integration der MAC-Schicht • MAC-Schicht hat oft ähnliche Mechanismen wie TCP • schon in der MAC-Schicht können evtl. Paketduplikate durch Übertragungswiederholungen erkannt und verworfen werden H. Hartenstein: Wireless TCP

17. Snooping TCP • Probleme • Snooping TCP isoliert die drahtlose Verbindung nicht so gut • je nach Verschlüsselungsverfahren ist snooping nutzlos • RTT der Funkstrecke meist deutlich höher als RTT einer Transkontinentalverbindung ... H. Hartenstein: Wireless TCP

18. Mobile TCP • Spezielle Handhabung längerer und/oder häufiger Unterbrechungen • M-TCP teilt die Verbindung ähnlich wie I-TCP auf • normales TCP im Festnetz bis zum supervisory host (SH) • optimiertes TCP zwischen SH und MH • Supervisory host • keine Pufferung der Daten, keine Übertragungswiederholung • Überwachung aller Pakete, sobald eine Unterbrechung festgestellt wird: • setze Sendefenster auf 0 • der Sender wechselt dann automatisch in den persistent mode • der alte oder neue SH öffnet das Fenster wieder H. Hartenstein: Wireless TCP

19. Mobile TCP • Vorteile • erhält Semantik, unterstützt Unterbrechungen, keine Zustandsübertragung notwendig bei Wechsel des Zugangspunktes • Nachteile • Verluste auf der drahtlosen Strecke wirken sich auf das Festnetz aus • verwendet spezielles TCP auf der drahtlosen Strecke H. Hartenstein: Wireless TCP

20. CN HA home network Get new IP address INET Inform home agent Physically disconnect from old base station Transmission to new network foreign network Physically connect with new base station Physically disconnect from old base station AR AR Get new IP address Physically connect to new base station Inform mobility agent MN Transmission to new network Receive data Receive data Schnelles Handoff & SACK TCP (1) • This mechanism achieves interruption times of less than 10ms. (a) (b) (a) traditional break-before-make approach, (b) make-before-break. Arrows indicate interruption. Simultaneous Bindings at the Home Agent. H. Hartenstein: Wireless TCP

21. Schnelles Handoff & SACK TCP (2) +---------------+---------------+ | kind=5 | Length | +---------------+---------------+---------------+---------------+ | Left Edge of First Block | +---------------+---------------+---------------+---------------+ | Right Edge of First Block | +---------------+---------------+---------------+---------------+ | ................... | +---------------+---------------+---------------+---------------+ | Left Edge of nth Block | +---------------+---------------+---------------+---------------+ | Right Edge of First Block | +---------------+---------------+---------------+---------------+ • Sack Option Format: This format is suitable for Mobile IP handoffs, because packet loss occurs in a ‘block’. H. Hartenstein: Wireless TCP

22. Sender Home Agent Mobile Node Schnelles Handoff & SACK TCP (3) • Test-network: • Specifications: • each base station builds its own IP subnet • wireless: Lucent WaveLan Bronze Turbo cards (data rate 6 MBit/s) • fixed links: 100 MBit/s – no load or process other than test traffic • Router: able to intercept/delay packets to simulate different round trip times H. Hartenstein: Wireless TCP

23. RTT = 3,5ms Data rate KBit/s Data rate KBit/s Data rate KBit/s Delay msec Delay msec Delay msec no handoff no handoff no handoff 4163 2092 4266 - - - fast handoff fast handoff fast handoff 4206 2020 3827 7,8 7,5 7,3 trad. handoff trad. handoff trad. handoff 1877 3456 4000 117,8 130,7 119,5 RTT = 35ms RTT = 115ms Schnelles Handoff & SACK TCP (4) • We compare the Simultaneous Bindings approach (handoff interruption 10ms) with a traditional Mobile IP implementation (handoff interruption 120ms). H. Hartenstein: Wireless TCP

24. Schnelles Handoff & SACK TCP (5) • Trad. handoff • RTT 35ms • Fast handoff • RTT 35ms H. Hartenstein: Wireless TCP

25. Schnelles Handoff & SACK TCP (6) • zoom: • Trad. handoff • RTT 35ms • zoom: • Fast handoff • RTT 35ms H. Hartenstein: Wireless TCP

26. sending window not ACKed because of RTT lost due to handoff still some room left ... Schnelles Handoff & SACK TCP (7) • In case, the handoff is fast for the given window / buffer size, the sending window looks like this: • The data rate D for which the sending window will not block during a • handoff is determined via: with: D sender’s data rate [bytes per second] S size of the sending window H handoff delay [seconds] R round trip time [seconds] thus: H. Hartenstein: Wireless TCP

27. Schnelles Handoff & SACK TCP (8) • To summarize: • SACK TCP can work well with Mobile IP if either • the window size (and corresponding buffers) is large with respect to the handoff delay or • the handoff procedure is fast enough for the given window / buffer size. H. Hartenstein: Wireless TCP

28. Zusammenfassung • Transport-Protokolle, die für drahtgebundene Netze entwickelt worden sind, haben meist Probleme mit drahtlosen Umgebungen. • Bei TCP: Annahme, dass Paketverlust einen Stau bedeutet. Nicht korrekt in drahtlosen Umgebungen. • Vorschläge: I-TCP, Snooping-TCP, Mobile TCP, SACK TCP mit verschiedenen Vor- und Nachteilen. Fokussieren auf ‘cellular networks’. H. Hartenstein: Wireless TCP

29. Zukunft “Initial research on extending Internet Services in mobile wireless networks has primarily focused on network-layer issues ... Providing robust, functional transport-layer services in mobile wireless networks remains a largely unexplored research area.” [J. Macker, V. Park, M. Corson, “Mobile and Wireless Internet Services: Putting the Pieces Together”, IEEE Communication Magazine, June 2001] ... think of a transport protocol for ad hoc networks! H. Hartenstein: Wireless TCP