Improving TCP Performance over Wireless Links. Holger Füßler

Transkript

1 Improving TCP Performance over Wireless Links Holger Füßler

2 Gliederung Status Quo und Motivation momentan verbreitetes TCP besondere Situation in Wireless LANs Motivation für neue Protokolle Vorstellung verbesserte Konzepte End-2-End Link-Layer Split-Connection Versuch und Versuchsauswertung Versuchsaufbau Performancemessung und -deutung Folgerungen

3 Gliederung 1 Status Quo und Motivation momentan verbreitetes TCP besondere Situation in Wireless LANs Motivation für neue Protokolle Vorstellung verbesserte Konzepte End-2-End Link-Layer Split-Connection Versuch und Versuchsauswertung Versuchsaufbau Performancemessung und -deutung Folgerungen

4 TCP im Internet-Protokollstapel telnet smtp http DNS NFS Anwendung TCP UDP Transport IP Vermittlung LAN SATNET WLAN Bitübertragung und Sicherung TCP/IP

5 Merkmale von TCP Vollduplex-Verbindung (Bytestrom) Reihenfolgegarantie (Neuordnung) Entfernung doppelter Segmente Fehlererkennung und korrektur

6 Annahmen beim TCP-Entwurf Netzwerke mit geringer Fehlerrate Paketverluste hauptsächlich durch Überlast d.h. Router verwerfen Pakete, wenn ihr Lastzustand zu gross ist Deshalb: Bei Fehlererkennung werden Überlastkontroll und vermeidungsmechanismen aktiviert

7 Fehlererkennung bei TCP Sender Empfänger Bestätigung (kum) Timer läuft ab Neuübertagung

8 Variante der Fehlerbehebung Sender Empfänger P2 P1 Bestätigung P1 P3 1te doppelte Bestätigung (DUPACK) P1 P4 2te doppelte Bestätigung (DUPACK) P1 P5 3te doppelte Bestätigung (DUPACK) P1 Fast Retransmit P2 Bestätigung P5 nur 1 Paket wird neu gesendet

9 Fenster- und Timerverwaltung Receiver Window (rwnd) Congestion Window (cwnd) Maximales Sendefenster entspricht dem Minimum der Beiden Retransmission Timer (rtst) Berechnet sich aus fortgeschriebener (geglätteter) mittlerer round-triptime und Ihrer Standardabweichung

10 Lastkontrollmechanismen Slow Start Bandbreite wird an Lastgrenze herangeführt Congestion Avoidance Bei Fehler wird das Lastfenster (drastisch) verkleinert UND der rtst vergrößert Fast Retransmit Beim dritten DUPACK wird das fehlende Paket nochmal gesendet Fast Recovery Nach Fast Retransmit wird nicht wieder bei 1 angefangen

11 Typische Größe des Lastfensters

12 Situation in drahtlosen Netzen Hohe mittlere Fehlerrate Unnötiger Aufruf von Lastkontrollmechanismen Grosse Anzahl von Burst-Fehlern Möglicherweise mehrere Pakete innerhalb eines Sendefensters betroffen, deshalb funktioniert Fast Retransmission nicht Periodisch auftretende Verbindungsverzögerungen durch Hand-Offs Dies führt zu einer insgesamt zu großen Berechnung des rtst, der dann die Fehlererkennung verzögert

13 Folgen für den TCP Einsatz Dramatische Reduktion des Durchsatzes (bis zu 50%) Hohe Verzögerungen bei interaktiven Anwendungen Deshalb Anpassung der Protokolle an die neue Situation

14 Gliederung 2 Status Quo und Motivation momentan verbreitetes TCP besondere Situation in Wireless LANs Motivation für neue Protokolle Vorstellung verbesserte Konzepte End-2-End Link-Layer Split-Connection Versuch und Versuchsauswertung Versuchsaufbau Performancemessung und -deutung Folgerungen

15 Lösungsansätze Grundsätzlich lassen sich zwei Ansätze identifizieren: Das Verstecken aller nicht-überlastbedingten Fehler vor den höheren Schichten Link erscheint als Verbindung höherer Qualität, aber mit niedrigerer Bandbreite Lokale Lösung eines lokalen Problems Der Sender weiss, dass es auch nicht-überlastbedingte Fehler gibt und vermeidet bei solchen Fehlern das Aufrufen von Lastkontrollmechanismen

16 Einteilung in drei Gruppen End-2-End-Ansätze - SACK (selective acknowledgment) - ELN (explicit loss notification) Split-Connection-Ansätze - Auftrennen der Verbindung in zwei an der Basisstation - Cachen der Pakete - Beide Verbindungen homogen bzgl. Parameter Link-Layer-Ansätze - Local Retransmission - Evtl. Forward Error Correction

17 Selective Acknowledgements Im Gegensatz zu cumulative acknowledgements können hier auch nichtzusammenhängende Datenbereiche bestätigt werden Der Sender muss beim retransmit nur die fehlenden Pakete übertragen Es gibt 2 relevante Vorschläge: SACK-Vorschlag der IETF 3 nicht-zusammenhängende Blöcke können spezifiziert werden das Senderverhalten wird nicht spezifiziert SMART das ACK enthält das Paket, dass für seine Generierung verantwortlich war der Sender kann daraus eine Bitmaske über erhaltene Pakete generieren tritt eine Lücke auf, wird sofort ein retransmit der betr. Pakete eingeleitet

18 Beispiel SACKs Sender Empfänger P1 P2 Bestätigung -1 P3 P4 Bestätigung P5 Bestätigung P2 Bestätigung P3 Bestätigung -5 Sender kann Lücke füllen

19 Beispiel SMART Sender Empfänger P1 P2 Bestätigung -1 P3 P4 Bestätigung -1 verursacht durch 4 P2 P3 Bestätigung -5 verursacht durch 3 Sender kann Lücke füllen

20 Explicit Loss Notification hier merkt sich der Stack, wenn ein nicht-überlastbedingter Fehler aufgetreten ist und fügt zukünftigen DUPACKs ein ELN hinzu der Sender kann dann retransmitten, ohne Lastkontrolle zu aktivieren

21 Split-Connection Ansatz Basisstation auf drahtloser Seite wahlweise normales TCP TCP mit SACK / SMART keine Überlagerung von wireless-effekten und internet-effekten trotzdem beide vorhanden

22 Link-Layer-Ansatz keine de facto-standards Forward Error Correction durch Redundanz in der Übertragung wird Fehlerverhalten verbessert Automatic Repeat Request (ARQ) fehlerhafte Pakete werden automatisch erneut übertragen selbständige Übertragungswiederholung und Unterdrückung der rückläufigen DUPACKs

23 Beispiel Snoop Protocol Annahme: Paket 1 und 2 gehen verloren 0 DUPACKs von 3, 4 und Basisstation Retransmission von 1 und 2

24 Gliederung 3 Status Quo und Motivation momentan verbreitetes TCP besondere Situation in Wireless LANs Motivation für neue Protokolle Vorstellung verbesserte Konzepte End-2-End Link-Layer Split-Connection Versuch und Versuchsauswertung Versuchsaufbau Performancemessung und -deutung Folgerungen

25 Versuchsanordnung LAN-Konfiguration 2 MBps AT & T WaveLAN 10 MBps Ethernet Basisstation Absenz von Überlast und richtigen Übertragungsfehlern Fehlern werden exponentialverteilt erzeugt Filetransfer von 8MB zum Laptop WAN-Konfiguration: statt Ethernet 16 Internet-Hops nachts für minimale Überlast

26 100,00% 90,00% 80,00% 70,00% 60,00% 50,00% 40,00% 30,00% 20,00% 10,00% 0,00% Durchsatzmessung Durchsatzmessung in % LAN WAN LL-SMART LL-TCP-AWARE LL-SMART-TCP-AWARE E2E E2E-NEWRENO E2E-SMART E2E-IETF-SACK E2E-ELN SPLIT SPLIT-SMART LL

27 Gliederung 4 Status Quo und Motivation momentan verbreitetes TCP besondere Situation in Wireless LANs Motivation für neue Protokolle Vorstellung verbesserte Konzepte End-2-End Link-Layer Split-Connection Versuch und Versuchsauswertung Versuchsaufbau Performancemessung und -deutung Folgerungen

28 ausgewählte Folgerungen durch ein möglichst intelligentes link-layer-protokoll lässt sich die beste Performance erzielen bei den Ende-zu-Ende-Protokollen ist das von der IETF vorgeschlagene Protokoll das Beste (SMART im LAN- Bereich) ELNs stabilisieren die Größe des cgwn und erhöhen seinen Durchschnitt SPLIT ist E2E nur im WAN-Bereich überlegen SPLIT-SMART performt hervorragend

29 Fazit den neuen Transportmedien muss auch in den verwendeten Protokollen Rechnung getragen werden es gibt bereits entscheidende Verbesserungen, die noch Einzug in die Systeme halten müssen

30 Performance bei UDP sollte kein Problem sein, da UDP per Definition unzuverlässig in der Praxis verlässt man sich leider doch darauf Protokolle wie NFS, die eigenen reliability layer haben, müssen sich selbst etwas einfallen lassen

31 Fragen

32 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit