به نام خدا

1. به نام خدا بهبود عملکرد TCP بر روی شبکه های سیار موردی با استفاده از روش بین لایه ای ارائه دهنده : امیر فرمانبر استاد راهنما: دکتر مهدی دهقان بهمن 85

2. رئوس مطالب • مقدمه • چالشهای TCP در شبکه های موردی • روشهای بهبود عملکرد TCP در شبکه های موردی • روش پيشنهادی • ارزيابی روش پيشنهادی • نتيجه گيری و کارهای آتی

3. مجموعه ای از گره های بی سیم پویا بدون نیاز به زیر ساخت از پیش آماده شبکه موردی مقدمه • یک سیستم خود مختار با گره های آزاد(مسیریاب) و لینکهای بی سیم • سیستم توزیع شده با گره های پویا، آزاد و خود سازمانده با فرم موقت • کاربرد آن • انواع آن • میادین جنگ • شبکه ایستا موردی • امداد و نجات • شبکه سیار موردی

4. پروتکل کنترل انتقال • ویژگی های TCP • دو پنجره: پنجره اعلانی (گیرنده) پنجره ازدحام(فرستنده) • اتصال گرا بودن • دو طرفه کامل • مطمئن بودن • مکانیزم کنترل جریان • مکانیزم کنترل ازدحام • شروع آهسته • اجتناب از ازدحام • انتقال مجدد سریع

5. TCP • انواع خطا • تایید دو نسخه ای سه گانه • انقضای مهلت مقرر

6. چالشهای TCP در شبکه های موردی • کانالهای پرخطا • تضعیف سیگنال:کاهش انرژی گیرنده • محوشدگی کانال • ایستگاه های آشکار و پنهان • ایستگاه پنهان: دور بودن 2 ایستگاه از یکدیگر تصادم • ایستگاه آشکار: نزدیک بودن دو ایستگاه به يکدیگر کاهش استفاده از کانال • راه حل : مکانیزم RTS/CTS

7. چالشهای TCP در شبکه های موردی • مسیر نامتقارن • پهنای باند نامتقارن: نرخ انتقال متفاوت شبکه ماهواره ای • نرخ خطای نا متقارن: • مسیر نامتقارن: عدم یکسان بودن مسیر داده و مسیر تایید آن • تقسیم بندی شبکه • استفاده از مکانیسم عقب گرد توانی • عدم اطلاع از زمان صحیح اتصال مجدد موجب طولانی بودن زمان بیکاری می شود

8. چالشهای TCP در شبکه های موردی • . • شکست مسیر • عامل اصلی آن: تحرک • موجب خطاهای انتقال تکراری می شود مداخله لایه لینک • محدودیتهای انرژی • ذخیره سازی انرژی: کاهش مصرف انرژی • کنترل انرژی: تنظیم انتقال انرژی روی گره های سیار

9. روشهای بهبود عملکرد TCP روی شبکه های موردی • معماری • شکستن سیستم به درون مولفه های ماژولار+ مشخص کردن تعاملات این مولفه های ماژولار • ماژول بندی: دادن انتزاع به طراحان سیستم برای فهم بهتر و تسریع در طراحی و پیاده سازی • ویژگیها: تکثیر و ازدیاد + طول عمر • مستلزم دید طولانی مدت از سیستم • عملکرد • مستلزم دید کوتاه مدت از سیستم

10. روشهای بهبود عملکرد TCP روی شبکه های موردی • معماری • لایه ای • طراحی مناسب • خطا از یک لایه خاص نشات می گیرد • مناسب برای شبکه های سیمی • نحوه ارتباط بین لایه ها: شدید و محکم • بین لایه ای • عملکرد مناسب • خطا از چند لایه نشات می گیرد • مناسب برای شبکه های بی سیم و سیار • نحوه ارتباط بین لایه ها: منعطف و پیچیده

11. روشهای بهبود عملکرد TCP روی شبکه های موردی • مشکلات شبکه های موردی • مشکلات شبکه های ایستای موردی(SANETs) • تداخل روی کانال بی سیم • ناعدالتی TCP • مشکلات شبکه های سیار موردی(MANETs) • عدم توانائی TCP در تمایزبین علل گم شدن بسته • کاهش عملکرد TCP در اثر عوامل ذاتی MANETs

12. روشهای بهبود عملکرد TCP روی شبکه های موردی

13. روشهای بهبود عملکرد TCP روی شبکه های موردی • TCP و شبکه • TCP-F • ELFN • ATCP • TCP-BuS • TCP • Fixed RTO • TCP-DOOR

14. روش بین لایه ای TCP-F مبتنی بر بازخور به منظور اداره کردن شکستهای مسیر • فرستنده TCP: امکان تشخیص بین گمشدن های بسته در اثر ازدحام و شکست مسیر • سناریوی کلی و ساده و غیر قابل اتکا

15. روش بین لایه ای ELFN • شبیه TCP-F + تعامل واقعی بین پروتکل مسیریابی و TCP • ELFN شبیه Host Unreachable ICMP • ELFN در برگیرنده پورتها و آدرسهای فرستنده و گیرنده • 3. از کار انداختن تايمرها • 4.کاوش شبکه برقراری اتصال Standby • 1- کشف شکست • 2.ارسال پيام ELFN

16. ATCP قرار گرفتن لایه ای نازک (ATCP) بین TCPو IP • استفاده از ICMPو ECN • استفاده از باز خور لایه شبکه • تشخیص تکه تکه شدن شبکه و ازدحام

17. ATCP (ادامه...) • ترکیبی از Destination Unreachable ICMP+ECN • دریافت 3dupack نشانه وجود کانال پرخطا ورود به وضعیت اصرار • ECN نشانه یک ازدحام معمولی • تست بر روی شبکه اترنت • فرض ECN: فرستنده همیشه در دسترس

18. TCP-BuS • مبتنی بر باز خور • قابلیت بافر کردن در گره های سیار • استفاده از چند مکانیزم برای کشف شکست مسیر • اعلان سریع • اعلان صریح قطع اتصال مسیر • اعلان صریح موفقیت مسیر • بسط RTO • بافر کردن بسته ها در طی فاز ایجاد دوباره مسیر

19. روشهای لایه TCP در بهبود عملکرد روی شبکه های موردی • Fixed TCP • مبتنی بر فرستنده • عدم تکیه بر باز خور شبکه • روش ابتکاری برای تشخیص بین شکست مسیر و ازدحام • TCP استاندارد • عدم دریافت تایید بسته • راه اندازی الگوریتم عقبگرد نمایی • تاخیر زیاد و غیر ضروری

20. روشهای لایه ای در بهبود عملکرد TCP روی شبکه های موردی • TCP-DOOR • رهیافتی انتها به انتها • عدم نیاز به همکاری گره های میانی • تحویل داده خارج از نوبت : نشانه شکست مسیر • مبتنی بر فرستنده • استفاده از خصوصیت غیر کاهشی شماره تایید • استفاده از یک بایت اختیاری ADSN • عدم نیاز به اخطارهای فرستنده به گیرنده • مبتنی بر گیرنده • استفاده از دو بایت اختیاریTPSN

21. روشهای بهبود عملکرد TCP روی شبکه های موردی • کاهش عملکرد TCP در اثر عوامل ذاتی MANETs • روش بین لایه ای بین TCPو لایه شبکه • روش Split TCP • روشهای بین لایه ای بین لایه فیزیکی و لایه شبکه • روش مسیر یابی انحصاری • روش مدیریت لینک مبتنی بر قدرت سیگنال • روش لایه ای در لایه شبکه • روش مسیریابی مسیر پشتیبان

22. روش Split TCP • تحرک: دلیل اصلی شکست مسیر • افزایش تعداد گامه = افزایش شکست مسیر • تقسیم یک اتصال TCP به سگمنت های کوچکتر • گره پروکسی: گره واسط بین دو سگمنت محلی • وظیفه پروکسی: گرفتن بسته + بافر کردن آنها + ارسال تایید محلی به فرستنده یا پروکسی قبلی • عملکرد مناسب: وجود 3 تا 5 پروکسی

23. روش مسیر یابی انحصاری کشف شکست مسیر مبتنی بر انرژی • کشف مسیر به صورت پیش فعال

24. روش مدیریت لینک مبتنی بر قدرت سیگنال • نگهداری یک رکورد از قدرت سیگنال دریافتی از گره های همسایه تک گامه در هر گره • پیشگویی شکست مسیر 0.1 ثانیه پیش از شکست مسیر توسط پروتکل مسیریابی • کشف مسیر به صورت پیش فعال

25. روش مسیریابی مسیر پشتیبان • نگهداری چند مسیر از مبدا به مقصد • استفاده از یک مسیر در هر لحظه • جایگزینی مسیر پشتیبان بعد از شکست مسیر • بهبود موجود بودن مسیر در اتصال TCP با استفاده از مسیریابی چند مسیره

26. روش پیشنهادی • روش بین لایه ای • تشخیص علت گم شدن بسته • بهبود عملکرد TCP در شبکه های موردی • استفاده از سه لایه به صورت بین لایه ای • ایجاد یک لایه جدید موازی با پشته پروتکل • لایه Observer: محل مشترک به اشتراک گذاری داده + مدیریت اطلاعات • عدم نیاز به پشتیبانی ایستگاه های پایه و زیر ساخت شبکه • پیاده سازی آسان

27. روش پیشنهادی (ادامه...) • تمایز گمشدن بسته در اثر ازدحام با گمشدن بسته در اثر عوامل ذاتی شبکه های موردی • عوامل ذاتی: تضعیف سیگنال ، نرخ تحرک گرههای همسايه، وجود و تعداد شکستهای مسير • بهبود عملکرد TCP روی شبکه های موردی

28. تعاملات لایه فیزیکی و Observer • یکی از فاکتورهای کاهش عملکرد TCP: تضعیف ونوسانات سیگنال دریافتی • عوامل تضعیف ونوسانات سیگنال دریافتی: تحرک گره ها و شرایط کانال • تمایز گم شدن بسته در اثر تضعیف ونوسانات سیگنال دریافتی از گم شدن بسته در اثر ازدحام • وجود یک شمارنده(FCounter)برای مدیریت بهتر نوسانات قدرت سیگنال دریافتی • استفاده از دو سطح آستانه سیگنال دریافتی در Observer برای اداره کردن نوسانات سیگنال دریافتی • تعامل لایه فیزیکی با لایه شبکه از طریق Observer • چک کردن سطح انرژی سیگنال دریافتی در لایه فیزیکی • قدرت سیگنال دریافتی کمتر از نصف سیگنال اولیه ارسال یک پیام به لایه مدیریت • قدرت سیگنال دریافتی کمتر از ربع سیگنال افزایش یافته ارسال یک پیام به لایه مدیریت

29. تعاملات لایه فیزیکی (ادامه...) • Fcounter=1 ارسال یک پیامجستجوی یک مسیر رزرو به لایه شبکه توسط Observer • Fcounter=2ارسال یک پیامتعویض مسیر رزرو به لایه شبکه توسط Observer

30. تعاملات لایه شبکه و Observer • تحرک: رخدادی همیشگی در شبکه های سیار موردی • تحرک: موجب قطع اتصالات و شکستهای مسیر متوالی • لایه Observer: دارای یک شمارنده Dcounter و یک DTimer • وظیفه لایه شبکه: چک کردن وضعیت اتصال بندی • در زمان قطع اتصال ارسال یک پیام از لایه شبکه به لایه جدید • 4 بار امکان ارسال پیام قطع اتصال از فرستنده به لایه جدید • زمان جستجو برابر با 2 ثانیه

31. افزایش شمارنده وارسال یک پیام چک کردن وضعیت از سوی لایه جدید بعد از هر بار پیام قطع اتصال تعاملات لایه شبکه (ادامه...)

32. تعاملات TCP و Observer • ارسال یک پیام بعد از هر گم شدن بسته از TCP به لایه جدید • وظیفه :Observerشناسایی علت گم شدن بسته و تصمیم گیری در مورداتخاذ تصمیم مناسب دربرابر گم شدن بسته • کنترل ازدحام معمولی: عدم وجود اطلاعات در Observer • ورود به مرحله Freeze: وجود اطلاعات در Observer • خروج از مرحله Freeze: در صورت Reset شدن شمارنده ها و Timer

33. تصمیم گیری Observer در مقابل گم شدن بسته با استفاده ازاطلاعات لایه های دیگر ادامه...))TCP تعاملات

34. ارزيابی روش پيشنهادی • استفاده از شبيه ساز شبکهOPNET Modeler10.0 • فرض: سیار بودن فرستنده و گیرنده • توپولوژی زنجیری • پروتکلهای مسیریابی: Mobile IPو AODV • فاکتورهای ارزیابی: زمان انتقال فایل و گذردهی • گذردهی با در نظرگرفتن تحرک گره ها و قطع اتصال

35. ارزيابی روش پيشنهادی (ادامه...)

36. درصد بهبودی: 27% تا 32% آزمایش اول: تحرک با سرعتهای مختلف

37. درصد بهبودی: 21% تا 29% آزمایش دوم: وجود و تعداد قطع اتصالات

38. درصد بهبودی: 19%تا 30% آزمایش سوم: تاثیرات اندازه بسته بر روی گذردهی

39. اختلاف درصد بهبودی:5% تا7% مقایسه یک: تحرک با سرعتهای مختلف

40. اختلاف درصد بهبودی:حداکثر 10% مقایسه دوم: وجود و تعداد قطع اتصالات

41. اختلاف درصد بهبودی:1% مقایسه سوم: تاثیرات اندازه بسته بر روی گذردهی

42. نتیجه گیری • تفاوت درصد بهبودی از یک سناریو به سناریو دیگر • وجود تاثیر پروتکل مسیریابی • عدم نیاز به پشتیبانی ایستگاههای پایه • تغییرات اندک در پشته پروتکل شبکه • امکان تشخیص علت گم شدن بسته • بهبود عملکرد TCP در شبکه های سیار موردی

43. کارهای آینده • بررسی تاثیر اطلاعات لایه کاربرد • استقرار واستفاده عملی روش پیشنهادی • بررسی امنیت و مدیریت انرژی در کنار بهبود عملکرد TCP

44. مراجع • [1] M. Hassan, R.Jain, “high-performance TCP/IP NETWORKING concepts, issues and solutions,” Pearson prentice Hall, Inc. NY, USA, 2004. • [2] V. Jacobson, “Congestion avoidance and control”, in Proc. of ACM SIGCOMM, Vancouver, Canada, Aug. 1998. • [3] K. Chin, J. Judge, A. Williams, and R. Kermode, “Implementation experience with MANET routing protocols,” ACM SIGCOMM Computer Communication Review, vol. 32, no. 5, pp. 49–59, Nov. 2002. • [4] C. Perkins and T. Watson, “Highly dynamic Destination-Sequenced Distance-Vector routing (DSDV) for mobile computers,” in Proc.of ACM SIGCOMM, London, UK, 1994. • [5] C. Perkins, E. Belding-Royer, and S. Das, “Ad hoc On-Demand Distance Vector (AODV) Routing,” RFC 3561, Category: Experimental, Jul. 2003. • [6] K. Xu, M.Gerla, and S. Bae, “Effectiveness of RTS/CTS handshake in IEEE 802.11 based ad hoc Networks,” Ad Hoc Networks Journal,Elsevier, vol. 1, no. 1, pp. 107–123, Jul. 2003. • [7] V. Paxson and M. Altman, “Computing TCP’s retransmission timer,” RFC 2988, Category: Standard Track, Nov. 2000. • [8] C. Jones, K. Sivalingam, P. Agarwal, and J. Chen, “A survey of energy efficient network protocols for wireless and mobile networks,”ACM Wireless Networks, vol. 7, no. 4, pp. 343–358, 2001. • [9] F. Klemm, S. Krishnamurthy, and S. Tripathi, “Alleviating effects of mobility on tcp performance in ad hoc networks using signalstrength based link management,” in Proc. of the Personal Wireless Communications, Venice, Italy, Sep. 2003, pp. 611–624. • [10] M. Chiang, “Balancing transport and physical layers in wireless ad hoc networks: jointly optimal TCP congestion control and power control,”IEEE JSAC, vol. 23, no. 1, pp. 104–116, Jan 2005.

45. مراجع(ادامه...) • [11] V. Kawadia and P. Kumar, “A cautionary perspective on cross layer design,”IEEE Wireless Communication Magazine, vol. 12, no. 1,pp. 3–11, Feb. 2005. • [12] K. Tang and M. Gerla, “Fair sharing of MAC under TCP in wireless Ad Hoc networks,” in Proc. of IEEE Multiclass Mobility and Teletraffic for Wireless Communications Workshop, Venice, Italy, Oct. 1999. • [13] K. Xu, M. Gerla, L. Qi, and Y. Shu, “Enhancing TCP fairness in ad hoc wireless networks using neighborhood red,” in Proc. of ACMMOBICOM, San Diego, CA, USA, Sep. 2003, pp. 16–28. • [14] V.Anantharaman, S.-J. Park, K. Sundaresan, and R. Sivakumar, “TCP performance over mobile ad hoc networks: A quantitative study,”Journal of Wireless Communications and Mobile Computing, vol. 4, no. 2, pp. 203–222, Mar. 2004. • [15] M. Gerla, K. Tang, and R. Bagrodia, “TCP performance in wireless multi-hop networks,” in Proc. of the IEEE WMCSA, New Orleans, USA, 1999. • [16] K. Chandran, S. Raghunathan, S. Venkatesan, and R. Prakash, “A feedback based scheme for improving TCP performance in Ad-Hoc wireless networks,” in Proc. of the International Conference on Distributed Computing Systems (ICDCS’98), Amsterdam, Netherlands, May 1998. • [17] G. Holland and N. Vaidya, “Analysis of TCP performance over mobile ad hoc networks,”ACM Wireless Networks, vol. 8, no. 2, pp.275–288, Mar. 2002. • [18] J. Liu and S. Singh, “ATCP: TCP for mobile ad hoc networks,” IEEE JSAC, vol. 19, no. 7, pp. 1300–1315, Jul. 2001. • [19] D. Kim, C. Toh, and Y. Choi, “TCP-BuS: Improving TCP performance in wireless ad hoc networks,” Journal of Communications and Networks, vol. 3, no. 2, pp. 175–186, Jun. 2001.

46. تشکر از حضور و توجه شما • آماده پاسخگویی به سئوالات

47. ایستگاه آشکار ایستگاه پنهان ایستگاه های آشکار و پنهان

48. مقایسه روشهای بین لایه ای TCPو شبکه • شباهت: امکان تشخیص شکستهای مسیر از ازدحام • تفاوت: چگونگی کشف مسیرهای دوباره ایجاد شده • TCP-BuSو TCP-F • اعلان صریح از لایه شبکه • ELFN و ATCP • استفاده از مکانیزم جستجو • مزیت: پیاده سازی آسانتر • چالش ها: بار زیاد و مقدار بهینه فواصل زمانی جستجو

49. Fixed RTO (ادامه...) • Fixed RTO • عدم دریافت تایید بسته • عدم راه اندازی الگوریتم عقبگرد نمایی • ارسال دوباره بسته • عدم افزایش نمایی • ثابت نگه داشتن RTO

50. ) ELFN ادامه(… • مزایای روش بین لایه ای ELFN • توقف ارسال بسته تا زمان محاسبه یک مسیر جدید • کاهش تعداد دفعات RTO • پنهان سازی تاخیر محاسبه دوباره مسیر