Software ubiquitärer Systeme

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1 Software ubiquitärer Systeme Übung 6: TCP/IP mobil Christoph Borchert und Michael Engel Arbeitsgruppe Eingebettete Systemsoftware Lehrstuhl für Informatik 12 TU Dortmund 1

2 Inhalt Mobile Transportprotokolle Motivation TCP-Mechanismen Klassische Ansätze Weitere Optimierungen TCP für 2.5G/3G-Systeme Mobile UDP SuS Übung 6 TCP/IP mobil 2

3 Transportschicht Beispiel: HTTP nutzt TCP Zuverlässiger Datentransport zwischen Client und Server benötigt TCP Strom-, nicht transaktionsorientiert Netzwerkfreundlich: bei time-out - Annahme eines Staus - Drosseln der Übertragungsrate Altbekanntes Problem TCP verschätzt sich sehr oft in drahtlosen und mobilen Umgebungen Paketverlust durch Übertragungsfehler Paketverlust durch Netzwechsel Ergebnis Drastische Leistungseinbrüche Client TCP SYN TCP SYN/ACK TCP ACK HTTP request HTTP response GPRS: 500ms! Server Verbindungsaufbau Datenübertragung >15 s keine Daten Verbindungsabbau SuS Übung 6 TCP/IP mobil 3

4 Motivation I Transportprotokolle bisher entworfen für Stationäre Endgeräte Festnetze Forschungsschwerpunkte Leistungsfähigkeit, Staukontrolle Effiziente Übertragungswiederholung TCP Staukontrolle Paketverluste in Festnetzen i.a. durch Überlast Router müssen bei vollen Puffern Pakete verwerfen TCP bemerkt Stau nur indirekt - anhand von ausbleibenden Quittungen - Übertragungswiederholungen würden nun den Stau nur noch verschlimmern Slow-start Algorithmus SuS Übung 6 TCP/IP mobil 4

5 Motivation II TCP Slow-start Algorithmus Sender berechnet ein Staufenster für einen Empfänger Start mit Fenstergröße = 1 Segment exponent. Wachstum bis zu Schwellwert, dann linear bleibt Bestätigung aus, wird aktueller Schwellwert halbiert, Staufenster beginnt wieder mit einem Segment TCP Fast Retransmit/Fast Recovery TCP-Bestätigungen nur nach Empfang eines Pakets mehrere Bestätigungen für gleiches Paket - eine Lücke ist aufgetreten - alle Pakete bis zur Lücke wurden empfangen - weitere Pakete werden aktuell empfangen werden der Paketverlust ist nicht auf Stau zurückzuführen - Kein Slow-start, sondern sofort mit dem aktuellen Fenster weitersenden SuS Übung 6 TCP/IP mobil 5

6 Mobilität und TCP-Mechanismen TCP geht bei Paketverlust von Stau aus meist falsch in drahtlosen Netzen, hier herrschen Paketverluste durch Übertragungsfehler vor Mobilität kann zu Paketverlusten führen, wenn ein mobiler Knoten von einem Zugangspunkt (foreign agent) zu einem anderen geht und Pakete noch zum falschen Zugangspunkt unterwegs sind Leistung eines unveränderten TCP bricht katastrophal ein! TCP kann aber nicht grundsätzlich verändert werden, da Interoperabilität mit Festnetzrechnern notwendig TCP-Mechanismen halten im Festnetz das Internet zusammen SuS Übung 6 TCP/IP mobil 6

7 Klassische Ansätze: Indirektes TCP I Indirektes TCP (auch I-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 SuS Übung 6 TCP/IP mobil 7

8 I-TCP Zustandsübertragung Zugangspunkt 1 Übertragung von socket und Zustand (cache) Internet mobiler Knoten Zugangspunkt 2 SuS Übung 6 TCP/IP mobil 8

9 Indirektes TCP II Vorteile keine Änderungen im Festnetzbereich - alle Optimierungsmaßnahmen helfen hier weiterhin Fehler auf drahtloser Strecke propagieren nicht ins Festnetz relativ einfach beherrschbar - mobile TCP betrifft nur Strecke zwischen Foreign Agent und Mobilrechner dadurch sehr schnelle Übertragungswiederholung - Verzögerungszeit auf der Mobilstrecke ist bekannt 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 SuS Übung 6 TCP/IP mobil 9

10 Klassische Ansätze: Snooping TCP I Transparente Erweiterung von TCP im Foreign Agent Puffern der zum Mobilrechner gesendeten Daten bei Datenverlust auf Mobilstrecke (beide Richtungen) - direkte Übertragungswiederholung zwischen Foreign Agent und Mobilrechner ( lokale Wiederholung) Foreign Agent hört Datenverkehr ab und erkennt Bestätigungen in beide Richtungen (und filtert duplizierte ACKs) TCP muss nur im Foreign Agent erweitert werden festes Internet Puffern der Daten Ende-zu-Ende-TCP-Verbindung SuS Übung 6 TCP/IP mobil 10

11 Snooping TCP II Datentransfer zum Mobilrechner FA puffert die Daten bis zum ACK des Mobile Hosts (MH), erkennt Paketverluste durch duplizierte ACKs oder Time-outs schnelle Übertragungswiederholung, unbemerkt vom Festnetz Datentransfer vom Mobilrechner FA erkennt Paketverluste auf dem Weg vom MH anhand der Sequenznummern, sendet daraufhin NACK zum MH MH kann nun sehr schnell erneut übertragen Probleme Snooping TCP isoliert die drahtlose Verbindung schlechter als I-TCP je nach Verschlüsselungsverfahren ist Snooping nutzlos SuS Übung 6 TCP/IP mobil 11

12 Klassische Ansätze: 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 Foreign Agent (FA) optimiertes TCP zwischen FA und MH Foreign Agent 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 FA öffnet das Fenster wieder 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 SuS Übung 6 TCP/IP mobil 12

13 Fast Retransmit/Fast Recovery Wechseln des Foreign Agent bedeutet meist Paketverlust TCP reagiert mit slow-start obwohl kein Stau vorliegt Erzwingen des Fast Retransmit sobald sich der Mobilrechner bei einem neuen Foreign Agent registriert hat, sendet er bewusst duplizierte Bestätigungspakete aus damit erzwingt der Mobilrechner bei den entsprechenden Partnern im Festnetz den Fast Retransmit-Modus ebenso wird das TCP auf dem Mobilrechner gezwungen weiterhin schnell zu senden, sobald die neue Registrierung abgeschlossen ist Vorteil einfache Änderungen erzielen große Leistungssteigerung Nachteil weitere Vermischung von IP und TCP, Transparenz des Verfahrens problematisch SuS Übung 6 TCP/IP mobil 13

14 Transmission/Timeout Freezing Mobilrechner können auch relativ lange abgekoppelt sein keinerlei Datenaustausch möglich in z.b. Tunnel, Verbindungstrennung bei Überlast TCP bricht daraufhin die Verbindung komplett ab Einfrieren von TCP die MAC-Schicht kann oft erkennen, dass ein Verbindungsabbruch bevorsteht Signalisierung von TCP über dieses bevorstehende Ereignis TCP versucht nun nicht weiter zu senden und nimmt auch keinen Stau an erneute Signalisierung bei Wiederaufnahme des Kontakts Vorteil Schema unabhängig von Verschlüsselung, Dateninhalten Nachteil Änderung von TCP auf dem MH, MAC-abhängig SuS Übung 6 TCP/IP mobil 14

15 Selektive Übertragungswiederholung TCP-Quittungen sind normalerweise kumulativ ACK n bestätigt korrekten und reihefolgerichtigen Empfang bis n treten nun einzelne Lücken im Datenstrom auf, so werden oft unnötigerweise Pakete erneut übertragen Lösung durch selektive Übertragungswiederholung RFC2018 erlaubt Quittung aller empfangenen Pakete, nicht nur der reihefolgetreuen und lückenlosen Vorteil weitaus effizienter wird schon häufig im Festnetz genutzt Nachteil etwas komplexere Empfängersoftware, mehr Speicher benötigt nicht in allen Implementierungen genutzt SuS Übung 6 TCP/IP mobil 15

16 Transaktionsorientiertes TCP TCP-Phasen Verbindungsaufbau, Datenübertragung, Verbindungsabbau Aufbau und Abbau nach 3-Wege-Handshake benötigen je 3 Pakete selbst für kurze Nachrichten werden so min. 7 Pakete benötigt! Transaktionsorientiertes TCP RFC1644, T-TCP, beschreibt eine TCP-Version, die dies vermeidet Verbindungsaufbau-, Daten, und Verbindungsabbaupakete werden zusammengefasst dadurch kann mit 2 oder 3 Paketen ausgekommen werden Vorteil Effizienz Nachteil geänderte TCP-Version Mobilität nicht mehr transparent SuS Übung 6 TCP/IP mobil 16

17 Vergleich der vorgestellten Verfahren Verfahren Mechanismus Vorteile Nachteile Indirektes TCP Auftrennen in zwei TCP- Isolation der drahtlosen Verlust der TCP- Verbindungen Strecke, einfach Semantik, erhöhte Latenz Snooping TCP M-TCP Fast Retransmit/ Fast Recovery Transmission/ Timeout Freezing Selektive Übertragungswiederholung Transaktionsorientiertes TCP Mithören von Daten und Quittungen, lokale Wiederholung Auftrennen in zwei TCP- Verbindungen, Drosseln des Senders über die Sendefenstergröße Vermeidung von slow-start nach Verbindungswechsel Einfrieren des TCP- Zustands bei Unterbrechung Wiederholung nur der echt verlorengegangenen Daten Zusammenfassung von Verbindungsauf/-abbau und Datenpaketen Transparent für Ende-zu- Ende Erhalt der Ende-zu-Ende Semantik, kommt mit langen/häufigen Unterbrechungen klar Einfach, effizient Unabhängig von Dateninhalten, Verschlüsselung Sehr effizient Effizient Problematisch bei Verschlüsselung, schlechtere Isolation Schlechte Isolation, höherer Berechnungsaufwand durch Bandbreitenmanagement Vermischung der Schichten, nicht Transparent Änderung von TCP, MACabhängig Etwas komplexere Empfängersoftware, mehr Speicher Geändertes TCP, nicht mehr transparent SuS Übung 6 TCP/IP mobil 17

18 TCP-Verbesserungen I Ursprüngliche Arbeiten Indirect TCP, Snoop TCP, M-TCP, T/TCP, SACK, Transmission/time-out freezing, MSS BW RTT p max. TCP BandWidth Max. Segment Size Round Trip Time loss probability TCP über 2.5/3G Mobilfunknetze Optimierung des heutigen TCP TCP muss klar kommen mit - Datenraten: 64 kbit/s Aufwärtsrichtung, kbit/s Abwärtsrichtung; Asymmetrie: 3-6, aber auch bis zu 1000 (Rundfunksysteme), periodische Zuweisung/Freigabe von Kanälen - Hohe Verzögerung, hohe Verzögerungsschwankung, Paketverlust Verbesserungsvorschläge - Große (initiale) Sendefenster, große maximale Datentransfereinheiten, selektive Bestätigungen, explizite Staubenachrichtigungen, Zeitstempel, keine Kompression des Protokollkopfes Verwendung: I-mode, WAP 2.0 SuS Übung 6 TCP/IP mobil 18

19 TCP-Verbesserungen II Performance enhancing proxies (PEP, RFC 3135) Transportschicht - Lokale Übertragungswiederholungen und Bestätigungen Zusätzlich auf de Anwendungsschicht - Inhaltsfilterung, Kompression, Bildskalierung - z.b. Internet/WAP-Gateways Großes Problem: bricht die Ende-zu-Ende-Sematik - Verhindert die Nutzung von IP Security - Entweder PEP oder Sicherheit! Weitere offene Gesichtspunkte RFC 3150 (slow links) - Empfiehlt Kompression von Protokollköpfen - Ineffektiv in Kombination mit Zeitstempeln (TCP-Options) RFC 3155 (links with errors) Mobilsystem PEP Internet Komm. partner - Explizite Staubenachrichtigung nicht immer für gew. Zwecke einsetzbar In Kontrast zu den 2.5G/3G-Empfehlungen! SuS Übung 6 TCP/IP mobil 19 drahtlos

20 Inhalt Mobile Transportprotokolle Motivation TCP-Mechanismen Klassische Ansätze Weitere Optimierungen TCP für 2.5G/3G-Systeme Mobile UDP SuS Übung 6 TCP/IP mobil 20

21 Mobile UDP Modifiziertes UDP-Protokoll für mobile Netzwerkumgebungen PDAs u.ä. bewegen sich in einem Gebiet, das von zellulärem Netz abgedeckt ist Ähnlich zu UDP Garantiert nicht die zuverlässige Auslieferung von Datagrammen Im Gegensatz zu UDP wird versucht, die Anzahl verlorener Datagramme zu minimieren SuS Übung 6 TCP/IP mobil 21

22 Mobile UDP Zelluläre Netzwerkinfrastruktur Jede Zelle hat Basisstation, die drahtlose Verbindg. herstellt Dreischichtige Hierarchie MHs (Mobile Hosts) kommunizieren mit MSS (Mobile Support Station)-Knoten einer Zelle MSSs stellen Verbindungsendpunkt für MHs dar Mehrere MSSs durch einen Supervisor Host (SH) kontrolliert - Mit drahtgebundenem Netz verbunden - Übernimmt Großteil des Routings und anderer Protokolldetails MSSs sind mit dem SH über drahtgeb. Netz verbunden SH unterhält Verbindungen für mobile Nutzer, behandelt Flußkontrolle und verwaltet QoS Separiert mobiles Netzwerk von schnellem drahtgeb. Netz - Verbindet die beiden durch spezielle SHs, die Gateways sind SuS Übung 6 TCP/IP mobil 22

23 Mobile UDP SuS Übung 6 TCP/IP mobil 23

24 M-UDP Protokollstack Netzwerkschicht im SH nutzt Mobile-IP zum Routen von Datagrammen zum MH Der SH agiert als Foreign Agent für neue MHs in seinen Zellen MHs erhalten temporäre IP-Adressen IP-Adresse bleibt konstant, solange sich MH in vom jew. SH kontrollierten Zellen aufhält - TCP/UDP-Checksummen müssen nicht modifiziert werden, wenn der MH lokal roamt Routing SH unterhält Cache mit Mapping zwischen temporären IP-Adressen der MHs und der IP-Adresse seines aktuellen MSS Pakete werden zum MH via MSS mittels loose source routing geroutet MSS überträgt alle vom SH empfangenen Pakete über seinen drahtlosen Kanal SuS Übung 6 TCP/IP mobil 24

25 M-UDP Protokoll Pakete kommen bei SH von fester IP für den MH an Bewegung des MH verursacht Perioden mit fade (Signalverlust) Verwendung von UDP zum MH würde zum Verlust einer signifikanten Anzahl von Paketen führen Wie kann man den Verlust vermeiden? Einfacher Ansatz: Stop der Übertragung bei Eintritt in fade und weitersenden, wenn der MH aus dem fade wieder auftaucht In vielen Fällen empfängt ein MH aber nur - Damit kann SH nicht feststellen, wann fade beim MH auftritt SuS Übung 6 TCP/IP mobil 25

26 M-UDP Protokoll 2 Wiederauftauchen aus fade ist leicht zu erkennen MH muss sich beim SH melden! M-UDP verwendet Information über vorherige fade-intervalle zur erneuten Übertragung potentiell verlorener Pakete Frage: welche der bereits übertragenen Pakete müssen neu übertragen werden? Erste Implementation: Statistical Fade Correction (StFC) Funktioniert gut (d.h., niedrige Verluste) in Systemen, in denen die fade-intervalle einer Normalverteilung mit kleiner Standardabweichung folgen Wenn die Länge des fade jedoch exponentiell verteilt ist, funktioniert das Schema relativ schlecht - Puffergrößen sind nicht ausreichend, um längere fade-intervalle abzudecken - Diese treten mit hoher Wahrscheinlichkeit bei exp. Verteilung auf SuS Übung 6 TCP/IP mobil 26

27 M-UDP: StFC-Algorithmus The SH maintains a data-structure that contains the mean cell latency of each cell controlled by the SH and the mean fade interval when moving from one cell to another. Consider, for example, an SH controlling cells covering a highway. Here, it is easy to determine the mean latency and fade intervals with some accuracy since, by and large, the mobile users have fairly predictable behavior. For a given M-UDP connection, the SH maintains a FIFO buffer that is large enough to contain the expected number of packets arriving for the mobile during an average fade interval. Whenever a mobile comes out of a fade, it informs the SH of this fact and the SH begins transmitting the buffered packets. Any new packets arriving during this period are placed at the back of this FIFO buffer. SuS Übung 6 TCP/IP mobil 27

28 M-UDP: StFC Retransmissions Übertragungsverhalten bei fade SuS Übung 6 TCP/IP mobil 28

29 M-UDP: weitere Algorithmen Smart Fade Correction scheme (SmFC) Puffergröße erhöht auf 3x erwartete Verluste - Deckt 95% aller exp. verteilter fades ab MH informiert den SH über die Länge der letzten fade-periode - d.h., wie lange der MH kein Daten empfangen hat - SH überträgt danach nur dementsprechend viele Pakete erneut - Reduziert Anzahl doppelt empfangener Pakete beim MH Memory Fade Correction (MFC) Weitere Optimierungen der Retransmit-Heuristik - SH speichert zusätzlich, wann der jew. MH zuletzt aus einem fade kam - SH weiß nun relativ genau, wie viele Pakete erneut versendet werden müssen SuS Übung 6 TCP/IP mobil 29

30 M-UDP: weitere Algorithmen SuS Übung 6 TCP/IP mobil 30

31 Zusammenfassung TCP für mobile eingebettete Systeme ist machbar vorige Übung Adaptionen für mobile Netze sind sinnvoll Unterschiedliches Laufzeitverhalten Höhere Fehlerdichte Verbesserungen auf unterschiedlichen Ebenen Mobile IP, TCP/UDP, Proxies... Aber: kein Standard Bisher meist Forschungsprojekte TCP/IP (v4) wie gehabt in Mobilfunknetzen... SuS Übung 6 TCP/IP mobil 31

32 Referenzen Jochen Schiller, Mobilkommunikation, Addison-Wesley Folien: Kevin Brown and Suresh Singh M-UDP: UDP for Mobile Cellular Networks Computer Communication Review Vol. 26, 1996, pp SuS Übung 6 TCP/IP mobil 32

33 ...The End Feedback? SuS Übung 6 TCP/IP mobil 33