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

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. July 2001 H. Hartenstein: Wireless TCP

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. July 2001 H. Hartenstein: Wireless TCP

H. Hartenstein: Wireless TCP 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’. July 2001 H. Hartenstein: Wireless TCP

TCP: ACKs/Retransmission sender receiver send 0 - 1024 receive ACK 1025 send 1025 - 2048 timer expires resend 1025 - 2048 receive 0 - 1024 acknowledge 1025 receive 1025 - 2048 acknowledge 2049 packet lost July 2001 H. Hartenstein: Wireless TCP

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, wenn Timeout auftritt: Timeout = *oldTO ( = 2 ist typisch). July 2001 H. Hartenstein: Wireless TCP

H. Hartenstein: Wireless TCP TCP: Flusskontrolle TCP Fenster zählt in Octets. ACK received transmitted end of window Octet: 1024 2048 Data to transmit 4096 5002 sliding window size= 3072 Empfänger kann Fenstergrösse modifizieren: verhindert ‘buffer overflow’ beim Empfänger auf 0 gesetzt wird der Fluss unterbrochen. July 2001 H. Hartenstein: Wireless TCP

H. Hartenstein: Wireless TCP 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). July 2001 H. Hartenstein: Wireless TCP

H. Hartenstein: Wireless TCP TCP: Slow Start [Tanenbaum] July 2001 H. Hartenstein: Wireless TCP

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. July 2001 H. Hartenstein: Wireless TCP

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. July 2001 H. Hartenstein: Wireless TCP

H. Hartenstein: Wireless 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 Mobiles Endgerät (mobile host) Zugangspunkt (foreign agent) „festes“ Internet „drahtloses“ TCP normales TCP July 2001 H. Hartenstein: Wireless TCP

Indirect TCP Zustandsübertragung (context transfer) Zugangspunkt1 mobiler Knoten Zugangspunkt2 Internet Zugangspunkt1 Übertragung von socket und Zustand (cache) July 2001 H. Hartenstein: Wireless TCP

H. Hartenstein: Wireless TCP 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 July 2001 H. Hartenstein: Wireless TCP

H. Hartenstein: Wireless TCP 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 July 2001 H. Hartenstein: Wireless TCP

H. Hartenstein: Wireless TCP 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 July 2001 H. Hartenstein: Wireless TCP

H. Hartenstein: Wireless TCP 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 ... July 2001 H. Hartenstein: Wireless TCP

H. Hartenstein: Wireless TCP 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 July 2001 H. Hartenstein: Wireless TCP

H. Hartenstein: Wireless TCP 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 July 2001 H. Hartenstein: Wireless TCP

Schnelles Handoff & SACK TCP (1) This mechanism achieves interruption times of less than 10ms. 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 Inform home agent Physically connect to new base station INET CN HA AR home network foreign MN (a) (b) (a) traditional break-before-make approach, (b) make-before-break. Arrows indicate interruption. Simultaneous Bindings at the Home Agent. July 2001 H. Hartenstein: Wireless TCP

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’. July 2001 H. Hartenstein: Wireless TCP

Schnelles Handoff & SACK TCP (3) Test-network: Sender Home Agent Mobile Node 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 July 2001 H. Hartenstein: Wireless TCP

Schnelles Handoff & SACK TCP (4) We compare the Simultaneous Bindings approach (handoff interruption 10ms) with a traditional Mobile IP implementation (handoff interruption 120ms). 119,5 4000 trad. handoff 7,8 4206 fast handoff - 4266 no handoff Delay msec Data rate KBit/s RTT = 3,5ms 117,8 3456 trad. handoff 7,3 3827 fast handoff - 4163 no handoff Delay msec Data rate KBit/s RTT = 35ms 130,7 1877 trad. handoff 7,5 2020 fast handoff - 2092 no handoff Delay msec Data rate KBit/s RTT = 115ms July 2001 H. Hartenstein: Wireless TCP

Schnelles Handoff & SACK TCP (5) Trad. handoff RTT 35ms Fast handoff RTT 35ms July 2001 H. Hartenstein: Wireless TCP

Schnelles Handoff & SACK TCP (6) zoom: Trad. handoff RTT 35ms zoom: Fast handoff RTT 35ms July 2001 H. Hartenstein: Wireless TCP

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: 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: July 2001 H. Hartenstein: Wireless TCP

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. July 2001 H. Hartenstein: Wireless TCP

H. Hartenstein: Wireless TCP 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’. July 2001 H. Hartenstein: Wireless TCP

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! July 2001 H. Hartenstein: Wireless TCP