Wireless TCP

Dr. Hannes Hartenstein

NEC Europe Ltd., Heidelberg

Sommersemester 2001,

Universität Mannheim

July 2001 H. Hartenstein: Wireless TCP 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.

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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.

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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’.

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TCP: ACKs/Retransmission

sender receiver

send 0 - 1024

receive ACK 1025send 1025 - 2048

timer expiresresend 1025 - 2048

receive 0 - 1024acknowledge 1025

receive 1025 - 2048acknowledge 2049

packet lost

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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).

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TCP: Flusskontrolle

• TCP Fenster zählt in Octets.

• Empfänger kann Fenstergrösse modifizieren:– verhindert ‘buffer overflow’ beim Empfänger– auf 0 gesetzt wird der Fluss unterbrochen.

Data to transmitOctet: 0 1024 2048 4096 5002

ACK received transmitted end of window

sliding window size= 3072

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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).

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TCP: Slow Start

[Tanenbaum]

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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.

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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.

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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

Mobiles Endgerät(mobile host) Zugangspunkt

(foreign agent) „festes“ Internet

„drahtloses“ TCP normales TCP

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Indirect TCP

mobiler Knoten

Zugangspunkt2

Internet

Zugangspunkt1

Übertragung von socketund Zustand (cache)

Zustandsübertragung (context transfer)

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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

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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

„festes“ Internet

Puffern der Daten

Ende-zu-Ende-TCP-Verbindung

Lokale Übertragungswiederholung

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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

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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 ...

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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

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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

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Schnelles Handoff & SACK TCP (1)

Physically disconnect from old base station

Physically connect with new base station

Get new IP address

Inform mobility agent

Transmission to new network

Receive data

Get new IP address

Inform home agent

Transmission to new network

Physically disconnect from old base station

Physically connect to new base station

Receive data

(a) traditional break-before-make approach,

(b) make-before-break. Arrows indicate interruption.

(a) (b)

INET

CN HA

AR AR

homenetwork

foreignnetwork

MN

Simultaneous Bindings at the Home Agent.

• This mechanism achieves interruption times of less than 10ms.

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Schnelles Handoff & SACK TCP (2)

• Sack Option Format: +---------------+---------------+

| kind=5 | Length |

+---------------+---------------+---------------+---------------+

| Left Edge of First Block |

+---------------+---------------+---------------+---------------+

| Right Edge of First Block |

+---------------+---------------+---------------+---------------+

| ................... |

+---------------+---------------+---------------+---------------+

| Left Edge of nth Block |

+---------------+---------------+---------------+---------------+

| Right Edge of First Block |

+---------------+---------------+---------------+---------------+

This format is suitable for Mobile IP handoffs, because packet loss occurs in a ‘block’.

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Schnelles Handoff & SACK TCP (3)

• Test-network:

Sender Home Agent

Mobile NodeSpecifications: • 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

Router

SendeturmSendeturm

Sendeturm

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Schnelles Handoff & SACK TCP (4)

• We compare the Simultaneous Bindings approach (handoff interruption 10ms) with a traditional Mobile IP implementation (handoff interruption 120ms).

119,54000trad. handoff

7,84206fast handoff

-4266no handoff

Delaymsec

Data rateKBit/s

RTT = 3,5ms

117,83456trad. handoff

7,33827fast handoff

-4163no handoff

Delaymsec

Data rateKBit/s

RTT = 35ms

130,71877trad. handoff

7,52020fast handoff

-2092no handoff

Delaymsec

Data rateKBit/s

RTT = 115ms

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Schnelles Handoff & SACK TCP (5)

• Trad. handoff• RTT 35ms

• Fast handoff• RTT 35ms

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Schnelles Handoff & SACK TCP (6)

zoom: • Trad. handoff• RTT 35ms

zoom: • Fast handoff• RTT 35ms

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Schnelles Handoff & SACK TCP (7)

• In case, the handoff is fast for the given window / buffer size, the sending window looks like this:

sending window

not ACKed

because of RTT

lost due to

handoff

still some room left ...

• The data rate D for which the sending window will not block during a

handoff is determined via:

H

R * D - S D thus:

R H

S D

with:

D sender’s data rate [bytes per second] S size of the sending window H handoff delay [seconds] R round trip time [seconds]

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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.

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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’.

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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!