Université Libanaise Faculté de Génie Université de St. Joseph Faculté dIngénierie Etude Analytique et par Simulation des Modèles Hybrides Combinants FEC

Université LibanaiseFaculté de Génie

Université de St. JosephFaculté d’Ingénierie

Etude Analytique et par Simulation des Modèles Hybrides Combinants FEC et ARQ au Niveau Liaison pour des Liens

Sans Fil et des Connexions TCP de Longues Durée

Préparé par : Ing. Alaeddine AL-FAWAL

Dirigé par : Dr. Chadi BARAKAT

Présentation de mémoire du DEARéseaux de télécommunications

Sujet

Projet effectué au sein du Projet Planète, INRIA, Sophia Antipolis, France

Avril 15, 2003

PLANCadre du Projet

FEC / ARQ-SR : Définition du Modèle

FEC / ARQ-SR : Simulations

FEC / ARQ-SR : Optimisation

ARQ-SR-Protégée-Par-FEC

FEC / ARQ-Stop&Wait

Perspectives

FEC / ARQ-SR : Modèle Analytique

Conclusions

Liens sans fil : WLAN, GSM, GPRS, UMTS, Satellite, etc. BER élevé (pertes de non-congestion)

Sources des erreurs : atténuation, interférence, trajets-multiples, effet Doppler, handoff…

TCP : Transport Control Protocol : Transport fiable. 90 % du trafic Internet Partage équitable de la bande passante :

perte = congestion

Inconvénient majeur :

Performance dégradée sur les liens sans fil (taux de perte élevé).

Cadre du Projet

Solutions :Niveau Transport.

Enhancing TCP : SACK, ELN, ECN, TCP Vegas

Niveau Liaison : FEC, ARQ, Hybrid FEC/ARQ, etc

Niveau Antenne : Antenne intelligente.

Notre travail se concentre sur l’hybride FEC/ARQ-SR

(Modélisation, simulation, optimisation)

Cadre du Projet

TCP STP

TCP

Division de la connexion : STP

Cadre du Projet

FEC : Forward Error Correction

IP Packet

K UnitsN-K Units

N Units

IP Level

Link Level

Original UnitsRedundant Units

Appliquée localement. Code : Reed-Solomon. Paquet divisé en K Unités. On ajoute N-K Unités de redondance. Le paquet est perdu si plus que N-K unités sont erronées.

Cadre du Projet

ARQ : Automatic Repeat Request

IP Packet

X LL Frames

IP Level

Link Level

Appliquée localement. paquet IP = X trames LL (Link Level) Chaque trame est acquittée par un ACK ou un NACK. NACK la trame est retransmise localement. retransmission maximale = persistance de ARQ (). ARQ : Stop&Wait, Go-back-N, Selective-Repeat.

Avantages

Inconvénients

Déséquencement : ACK dupliqués.

Augmentation de RTT.

Instabilité de RTT interférence avec TCP

Jitter

Transmission fiable.

Affecte la bande passante seulement lors de l’apparition des pertes.

Réduit le taux de pertes.

Pas de retransmission = pas d’interférence avec TCP

Particulièrement Utile pour des BER élevés et des grands délai.

Processing over head

Consomme de la bande passante.

ARQ FECCadre du Projet

PLANCadre du Projet





FEC / ARQ-Stop&Wait

Perspectives


Conclusions

ARQ-Selective Repeat :

Complexe, comparé à Stop&Wait et Go-Back –N.

Utilisation efficace de la bande passante

• Trames retransmises back-to-back.• Evite les retransmissions inutiles.

FEC / ARQ-SR + in order delivery

In-order delivery :

• Elimine les ACKs dupliqués

FEC & ARQ-SR :

Pour grouper leurs avantages et minimiser leurs inconvénient lorsqu’elles sont utilisées séparément.

FEC/ARQ-SR : Définition du Modèle

Choix des différents mécanismes :

FEC : une trame peut être décodée si au moins K de ses unités sont correctement reçues

ARQ-SR : • Une trame est acquittée par ACK ou NACK.• Lors de la réception de NACK (échoue de FEC), la trame est retransmise (prioritaire)• Le nombre maximal de retransmission est (persistance de ARQ-SR)

FEC/ARQ-SR : Définition du Modèle

Modèle appliqué seulement au lien sans fil

PLANCadre du Projet





FEC / ARQ-Stop&Wait

Perspectives


Conclusions

Simulateur

ns-2.

Implémentation du modèle : C++, OTCL, programmation

orientée objet, architecture des classes de ns-2.

Paramètres de C++ attachés à ceux de OTCL.

Paramètres accessibles à travers le script .tcl. p D K N ord X ACK_Size

#./ns simulation.tcl 0.01 200ms 5 10 11 1 6 0

FEC/ARQ-SR : Simulations

8000 simulations automatisées par matlab.

10 sources TCP.

Le lien sans fil est La seule bottleneck.

Processus de pertes de Bernoulli.

NewReno TCP / Delayed Ack.

Connexions de longue durée : 2000s.

Scénarios des simulations


Paramètres d’entrée : p, D, X, K, BP K = 10 X = 6 Taille des Pkts = 1500 bytes

Paramètres à optimiser : N, .

X K

X K

meilleure utilisation meilleure utilisation



FEC consomme de la BP : N : Util borne supérieure : K / N

10 connexions : FEC seule ( = 0)

• p = 0.01 (P = 0.45)• D = 20, 100, 200 ms


Utilsation = Débit

La livraison en ordre est nécessaire pour maximiser l’utilisation Délai augmente : On a besoin d’un plus grande. Util = f() : est croissante

10 connexions : ARQ-SR seule (N = K)

• p = 0.01 (P = 0.45)• D = 20, 100, 200 ms• Ord = 0 , 1


ARQ-SR seule est mieux que FEC seule FEC inutile

10 connexions : FEC/ARQ-SR

• p = 0.01 (P = 0.45)• D = 200 ms• Ord = 1• = 0, … , 5


ARQ-SR seule est plus importante lorsque p ou D diminuent

10 connexions : FEC/ARQ-SR

• p = 0.001 (P = 0.058)• D = 200 ms• Ord = 1• = 0, … , 5


FEC seule : On a besoin plus de redondances

ARQ-SR seule : On a besoin d’une plus grande

FEC/ARQ-SR : FEC est nécessaire pour achever une utilisation optimale.

1 connexion seule : FEC/ARQ-SR

• p = 0.01 • D = 200 ms• Ord = 1• = 0, … , 5


PLANCadre du Projet





FEC / ARQ-Stop&Wait

Perspectives


Conclusions

Processus de pertes de Bernoulli (p).

Modèle pour TCP (longue durée 2000s).

( , ) 1-

2 3 24min 1,3 1 32

3 8

SR P A P

bP bPA P P

C. Barakat, ”TCP modeling and validation”, IEEE Network, vol. 15, no. 3, pp. 38-47, May 2001.

NewRenoS : taille du paquet TCP.(1 – P) : pertes sur le lien sans fil. b = 2 ,Delayed ACk

min . , .B C RU

B

Utilisation du lien sans fil :

Facteur à calculer : P, A et α.

FEC/ARQ-SR : Modèle Analytique

B = bande passante.R = throughput de TCP.C = nb. Des connexions.α: Ce coefficient présente la partie de la bande passante gaspillée sur FEC et sur les retransmissions par ARQ-SR

Calcul de P : proba de pertes des paquets TCP

PT : proba qu’un essaie de transmission d’une trame échoue.

1

1N

N iiT

i N K

NP p p

i

PF : proba que les +1 essaies échouent.1

F TP P

1 1X

FP P

Calcul de α :

11 1

X

F T

KP P

N


Calcul de A : valeur moyenne de RTT.

3 quantités :

Tps pris par un paquet pour être correctement transmis sur le lien sans fil.

Délai dû à la priorité des retransmissions ARQ à l’entrée du lien sans fil.

Délai du réséquencement des paquets à la sortie du lien sans fil.


1ère étape : calcul de tps de transmission :Hypothèses : Tailles des ACKs de ARQ = 0. Les trames ARQ sont rapidement acquittées. Processing time de FEC = 0. Queing time dans les routeurs égales à zéro. Produit délai*bande-passante > la taille d’un paquet TCP

12 max , ..., X

N XNRTT T D

B B

2ème étape : délai dû à la priorité des retransmissions.

1i i

N Nn

B B

1

1 1 1i

T T

N

B P P

ni = nb des trames retransmises devant la trame i



3ème étape : délai de réséquencement.

F. Baccelli, E. Gelenbe, B. Plateau, “An end-to-end approach to the resequencing problem”, Journal of the ACM, vol. 31, no. 3, pp. 474-485, July 1984.

2 propositions :

Arrivée Poissoniènne (Baccelli : lien légèrement chargé) : 1

2 1iA A

Arrivée déterministe :

0

0

1 1 x iiA T D e dx



Le modèle est implémenté dans matlab.

FEC seule : modèle parfaitement vérifié

Pas du délai de réséquencement

analyse simulation

FEC/ARQ-SR : Vérification du Modèle Analytique

FEC seule

Ressemblance: U < 50%

Ressemblance: U très grande

Modèle hybride :

FEC/ARQ-SR

2 propositions complémentaires

PLANCadre du Projet





FEC / ARQ-Stop&Wait

Perspectives


Conclusions

Optimisation = maximisation de l’utilisation.

FEC/ARQ-SR : Optimisation

Paramètre à optimiser : K, X, N, .

Condition de fonctionnement optimal de ARQ-SR: trame de petite taille

• PT diminue.• Retransmission d’une petite quantité

(K petite).

Condition de fonctionnement optimal de FEC : longue trame

C. Barakat, E. Altman, ”Bandwidth tradeoff between TCP and link-level FEC”, Computer Networks, vol. 39, no. 2, pp.133-150, Jun. 2002.

Par contre

(grande K).

Très grande .

K = 1 : ARQ-SR seule est mieux (U optimale = (1-p) pour K = 1). En présence de FEC, le mieux est : K = 100 (U optimale = K/Nopt).

FEC/ARQ-SR : Optimisation

PLANCadre du Projet





FEC / ARQ-Stop&Wait

Perspectives


Conclusions

ARQ-SR-Protégée-Par-FEC + in order delivery

Idée :

Garder l’efficacité de ARQ-SR.

Diminuer la quantité de la bande consommée par FEC.

Diminuer et par suite le RTT.

ARQ-SR-Protégée-Par-FEC : Définition du Modèle

FEC appliquée seulement aux trames retransmises.

ARQ-SR : • Une trame est acquittée par ACK ou NACK.• Lors de la réception de NACK (échec de FEC), la trame est retransmise (prioritaire)

• Le nombre maximal de retransmission est (persistance de ARQ-SR)FEC : • Appliquée aux trames retransmises et non pas aux trames originales• Une trame est décodée si au moins K de ses unités sont correctement reçues

ARQ-SR-Protégée-Par-FEC : Définition du Modèle

10 sources TCP.

Le lien sans fil est La seule bottleneck.

Processus de pertes de Bernoulli.

NewReno TCP / Delayed Ack.

Connexions de longue durée : 2000s.


ARQ-SR-Protégée-Par-FEC : Simulations


Paramètres d’entrée : p, D, X, K, BP K = 10 X = 6 Taille des Pkts = 1500 bytes

Paramètres à optimiser : N, .


P = 0.01 ; D = 200 ms ; livraison en ordre activée

Résultats des simulations (modèle implémenté dans ns-2)


C. Barakat, ”TCP modeling and validation”, IEEE Network, vol. 15, no. 3, pp. 38-47, May 2001.

min . , .B C RU

B

ARQ-SR-Protégée-Par-FEC : Modèle Analytique

Processus de pertes de Bernoulli (p).

Modèle pour TCP (longue durée 2000s).

( , ) 1-

2 3 24min 1,3 1 32

3 8

SR P A P

bP bPA P P

NewRenoS : taille du paquet TCP.(1 – P) : pertes sur le lien sans fil. b = 2 ,Delayed ACk

Utilisation du lien sans fil :

Facteur à calculer : P, A et α.

B = bande passante.R = throughput de TCP.C = nb. Des connexions.α: Ce coefficient présente la partie de la bande passante gaspillée sur FEC et sur les retransmissions par ARQ-SR

1 1 1K

TP p 21

1N

N iiT

i N K

NP p p

i

1 2*F T TP P P

1 1X

FP P

1

1 1 2 1 2

1

. . . ... . .F

T T T T T

P K

K N P N P P N P P

Probabilité de pertes d’une trame originale

Probabilité de pertes d’une trame retransmise

Calcul de P : proba de pertes des paquets TCP

PF : proba que les +1 essaies échouent.

Calcul de α :


Optimisation de α optimisation de l’utilisation

Il reste le calcul de RTT

Mais

Vérification de α :

α est parfaitement

verifiée

• p = 0.01• = 5


Optimisation de Intuitivement : améliorer ARQ-SR est plus avantageux qu’améliorer FEC K petite

ARQ-SR seule est mieux :

K optimale égale à 1 Le taux de FEC maximal est de K/N=0.5

ARQ-SR-Protégée-Par-FEC : Optimisation

p δ X K N 10-4 3 100 1 2 0.9999

5.10-4 3 100 1 2 0.9993

10-3 4 100 1 2 0.9985

5.10-3 5 100 1 2 0.9925

10-2 5 100 1 2 0.9851

Les simulations vérifient l’analyse

Résultats des Simulations

10 connexions D [ms] p δ X K N Utilisation

ARQ-SR 200 0.01 5 100 1 1 97.8

ARQ-SR-Protégée 200 0.01 5 100 1 2 96.8

ARQ-SR 100 0.25 10 100 1 1 74

ARQ-SR-Protégée 100 0.25 10 100 1 2 69

ARQ-SR-Protégée 100 0.25 10 50 2 3 51.6

ARQ-SR-Protégée 100 0.25 10 25 4 6 50.9

ARQ-SR-Protégée-Par-FEC : Optimisation

PLANCadre du Projet





FEC / ARQ-Stop&Wait

Perspectives


Conclusions

p Délai X K N Utilisation0.01 2ms 6 10 5 12 19.2

Pour N = 10, 11, 13 l’utilisation de 18.8..

avec FEC/ARQ-SR, l’utilisation de 90.

FEC / ARQ-Stop&Wait :

FEC / ARQ-SR :

FEC-ARQ-Stop&Wait

Avec ARQ-SR les trames sont transmises Back-to-back, mais ce n’est pas le cas pour ARQ-Stop&Wait :

2N

T DB

Tps entre la transmission d’une trame et la reception de son ACK ARQ

Pour des petits produits délai_bande passante : les trames sont transmises presque back-to-back

p D [s] δ K N ord X utilisation

0.01 1 5 10 11 1 6 90.29115

0.01 1 5 10 10 1 6 90.22511

FEC-ARQ-Stop&Wait

PLANCadre du Projet





FEC / ARQ-Stop&Wait

Perspectives


Conclusions

Perspectives

L’étude peut se prolonger selon 2 axes principaux :

Des connexions TCP de courte durée.

Pas de temps pour adapter les temporisateurs avec ARQ-SR.

Des Trafics sensibles au délai et à la gigue (real time traffic, voice and video streams,…).

FEC peut être plus intéressant.

ARQ-SR-Protégée-Par FEC diminue le RTT et la gigue de ARQ-SR seule ( plus petite).

PLANCadre du Projet


FEC / ARQ-Stop&Wait

Perspectives

Conclusions





Conclusions

Implémentation de 3 modèles dans ns-2. On a traité 2 modèles analytique. Implémentations de 2 modèles en matlab. Optimisation de 2 modèles. Outils :

Théories des proba et des processus stochastiques. ns-2 (C++, Otcl) Matlab. AWK. Gnuplot

Publication : Alaeddine AL FAWAL, Chadi BARAKAT, « Simulation-Based Study Of Link-Level Hybrid FEC/ARQ-SR For Wireless Links and Long-Lived TCP traffic », WiOpt’03 : Modeling and Optimization in Mobile, Ad Hoc and Wireless Networks, Sophia Antipolis, France, March 2003.

Le modèle FEC/ARQ-SR complet (Analyse, Simulation et Optimisation) sera soumis dans le journal : Performance evaluation : Chadi BARAKAT, Alaeddine AL FAWAL, « Analysis of link-level hybrid FEC/ARQ-SR for wireless links and long-lived TCP traffic ».

Documents

Université Libanaise Faculté de Génie Université de St. Joseph Faculté dIngénierie Etude Analytique et par Simulation des Modèles Hybrides Combinants FEC