TCP em Redes Sem Fio. Gabriel Dias Cesário

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1 TCP em Redes Sem Fio Gabriel Dias Cesário São Paulo, novembro de 2004

2 Sumário 1.Introdução 3 2.Redes Sem Fio Tipos de redes sem fio Redes locais sem fio Redes sem fio baseadas em células Redes sem fio multi-hop Satélites IEEE DCF PCF Frames Transmission Control Protocol (TCP) Envio de ACKs Janela de Controle de Fluxo Detecção de perda de pacotes e retransmissão Comportamento do TCP diante de erros TCP em redes sem fio Soluções na camada de rede Soluções cientes de TCP Soluções não cientes de TCP Soluções na camada de transporte

3 4.2.1.Divisão de conexão Modificações do TCP Esquemas de Notificação Explícita Soluções Inter-Camadas ILC-TCP ATCP LLE-TCP Conclusões 17 2

4 1.Introdução TCP é o protocolo de transporte mais difundido na internet nos dias de hoje. Ele se tornou quase um padrão quando se fala em transmitir dados de maneira confiável por uma rede. A familiaridade com o TCP, torna sua utilização desejável em qualquer tipo de rede. Por outro lado, observa-se o crescimento de popularidade de redes sem fio. Com dispositivos que variam de notebooks até pequenos sensores, esse tipo de rede vem atraindo cada vez mais usuários. Da mesma forma que em redes com fio, há necessidade de transmitir-se dados por meio dessa rede, de maneira confiável. Entretanto, existem diferenças importantes entre redes com fio e redes sem fio. Características de redes sem fio: lmobilidade linterferência lalta latência lcanal físico não confiável lbaixa taxa de transferência Para estudar o problema de se utilizar TCP em redes sem fio, devemos entender como funciona a transmissão de dados nessas redes. A partir disso, podemos definir novas implementações para o TCP ou até mesmo novos protocolos de transporte. Existem diversos grupos de trabalho da IETF (Internet Engineering Task Force) envolvidos em pesquisas sobre o assunto. Entre eles podemos citar: lpilc: estuda as implicações das características do link na performance; ltcpsat: estuda o uso de TCP por meio de satélites; lmanet: estuda redes móveis Ad-hoc; lmobileip: estuda o roteamento IP para redes sem fio. 3

5 2.Redes Sem Fio 2.1.Tipos de redes sem fio. Podemos dividir as redes sem fio em alguns subtipos, de acordo com suas peculiaridades. Vejamos resumidamente alguns deles Redes locais sem fio Esse tipo de rede restringe-se a uma pequena área (conexões locais) utilizando comunicação sem fio.o padrão atual para tal conexão é o IEEE WLAN Redes sem fio baseadas em células Redes onde o espaço é dividido em células. Cada célula possui uma estação base responsável por comunicar-se com unidades móveis que se encontrem em sua região. Nesse tipo de rede, unidades móveis podem mudar de células durante a comunicação, ocasionando em hand-offs. Um hand-off é a troca de estação base por meio da qual uma unidade móvel se comunica Redes sem fio multi-hop Exemplificadas por redes Ad-hoc. Esse tipo de rede é formada sem uma configuração prédefinida. Cada unidade móvel comunica-se com as unidades em seu alcance. A mobilidade das unidades móveis causa mudanças nas rotas entre elas. As principais aplicações para redes Ad-hoc são redes peer-to-peer, redes formadas para atender necessidades imediatas, grupode empregados, cada qual com seu laptop ou palmtop e redes formadas enquanto dura um determinado evento. 4

6 2.1.4.Satélites Redes que se utilizam de satélites para realizar a comunicação entre unidades móveis. Essas redes podem ser compostas por satélites geoestacionários ou de órbitas mais baixas. No primeiro caso o atraso é grande (250 a 300 ms) enquanto o segundo o atraso é relativamente pequeno (40 a 200 ms). Entretanto, as redes de satélites de óbitas baixas têm a desvantagem de maior variação no atraso devido à necessidade de comunicação entre um número maior de satélites dependendo da localização do destinatário. Além disso o movimento relativo dos satélites em relação à Terra provoca mudança no satélite que está servindo uma determinada unidade móvel ao longo do tempo. 2.2.IEEE O possui um mecanismo de controle de acesso distribuído com um controle centralizado opcional no topo. A camada mais baixa do protocolo é a função de coordenação distribuída (DCF). Ela possui um algoritmo de contenção e tráfego assíncrono. No topo da DCF existe a função coordenação de pontos (PCF), que possui um algoritmo MAC centralizado e é livre de contenção de tráfego DCF A DCF funciona da seguinte forma: se uma unidade tem um frame para transmitir, ela ouve o meio; caso esteja ocioso, ela transmite; caso contrário espera a transmissão atual terminar. Não há detecção de colisão, pois isso não seria prático em redes sem fio. Uma unidade móvel não consegue, por exemplo, distinguir entre sinais fracos e interferências do meio. 5

7 O DCF pode se utilizar de um atraso conhecido como IFS (interframe space). Dessa forma, a unidade móvel detecta que o meio está ocioso, aguarda um intervalo de tempo (IFS) e, se o meio ainda estiver ocioso, transmite. Atribuindo-se diferentes valores ao IFS, é possível definir prioridades às transmissões. Valores baixos de IFS (SIFS) são utilizados para ações de resposta imediata. Exemplos desse tipo de ação são os ACKs (acknowledgements) enviados por unidades indicando que receberam determinado pacote e os CTS (Clear to Send) enviados por unidades indicando que estão prontas para receber pacotes. Além disso, SIFS podem ser utilizados para a entrega de múltiplos frames. Valores médios de SIFS são usados pelo controlador centralizado do PCF, enquanto valores altos são utilizados como atraso mínimo para frames assíncronos PCF O PCF é um método de acesso alternativo à DCF no qual existe um coordenador de pontos centralizado, responsável por controlar as conexões entre unidades. O coordenador é capaz de ouvir o meio e travar o tráfego assíncrono enquanto testa a conectividade das unidades pelas quais ele é repsonsável usando PIFS. As unidades por sua vez respondem usando SIFS. O Superframe pode ser definido como um intervalo no qual o coordenador começa testando a conectividade das unidades e fica ocioso por um tempo determinado, permitindo acessos assíncronos Frames Os frames no possuem campos de controlem, de duração da conexão, endereços e controle de seqüencia. Existm três tipos básicos de frames: controle, dados e gerenciamento. Frames de controle fornecem mecanismos que auxiliam na entrega confiável de dados. Incui mensagens de economia de energia, requisição para enviar dados, permissão para enviar dados, ACKs, etc. 6

8 Frames de dados simples são aqueles que possuem apenas dados. Entretanto, esse tipo de frame pode conter junto com dados alguma informação de controle, tais como ACKs e respostas a testes de conectividade no PCF. Frames de gerenciamento são utilizados por exemplo no gerenciamento de associações (requisições, respostas, autenticações, etc.). 3. Transmission Control Protocol (TCP) O protocolo padrão da camada de rede é o IP (Internet Protocol). Ele não garante uma série de coisas que são desejáveis na transmissão de dados. Segundo o IP, pacotes podem ser entregues fora de ordem, podem ser perdidos ou duplicados. Tais situações devem, portanto, ser tratadas na camada de transporte. Como vimos, o protocolo padrão da camada de transporte é o TCP. Esse protocolo garante a entrega ordenada de pacotes, efetua retransmissão de pacotes quando necessário, implementa controle de congestionamento e possui semântica fim-a-fim, ou seja, ACKs enviados à origem pelo destinatário garantem que o ele recebeu o pacote. O TCP passa ao IP diversos parâmetros, como a precedência de pacotes, o nível de atraso, a vazão, a confiabilidade e a segurança. Nesse protocolo há o estabelecimento de conexão entre pares de portas, utilizando o chamado three way handshake. Uma porta pode se conectar a múltiplos destinatários. A conexão é finalizada por meio da primitiva CLOSE que levanta a flag FIN no último segmento enviado. Há ainda a possibilidade de um terminação repentina por meio da primitiva ABORT que põe fim a qualquer tentativa de envio e recebimento de dados Envio de ACKs Como vimos anteriormente, ACKs são enviados para indicar o recebimento de pacotes. ACKs cumulativos são gerados somente no recebimento de um novo pacote na ordem correta. 7

9 ACKs podem ser atrasados para reduzir o tráfego na rede. Em outras palavras, não são enviados ACKs para cada pacote recebido, mas sim após alguns pacotes recebidos ou um determinado intervalo de tempo sem receber pacotes. Existe a possibilidade de serem enviados ACKs duplicados. Esse tipo de ACK não sofre atraso de envio. Um ACK duplicado é gerado quando um pacote é perdido ou entregue fora de ordem. Quanto mais fora de ordem um pacote estiver, mais ACKs duplicados serão gerados Janela de controle de fluxo A máquina de origem dos pacotes possui uma janela de controle de fluxo de envio de pacotes. Ela funciona como um buffer, e cada pacote nela pode estar em um dos seguintes estados: não transmitido, transmitido mas sem ACK recebido ou ACK recebido. No começo da transmissão, conhecido como slow start, a janela tem tamanho mínimo (geralmente 1). A cada ACK recebido, o tamanho da janela cresce exponencialmente até um limite. Após esse valor, a janela passa a crescer linearmente, etapa conhecida como congestion avoidance. Quando ocorre retransmissão de pacotes, o tamanho da janela cai abruptamente, retornando à fase de slow start, com um novo limite calculado. O tamanho ideal de janela seria o atraso x largura da banda. Um valor menor do que esse significa desperdício de banda, enquanto um valor maior do que esse significa aparecimento de filas em roteadores e grande possibilidade de perda de pacotes Detecção de perda de pacotes e retransmissão Além de detectar perda de pacotes por meio de ACKs duplicados o TCP também se utiliza do chamado timeout de retransmissão (RTO). Se o ACK de um pacote não for recebido até esse tempo se esgotar assume-se que ele tenha sido perdido. O RTO é calculado dinamicamente. 8

10 Uma alternativa ao RTO é a retransmissão rápida. Ela ocorre quando 3 ACKs duplicados são recebidos por quem está enviando os pacotes. Nesse caso ocorre uma retransmissão mesmo que não tenha sido atingido o RTO. Com a retransmissão rápida, o tamanho da janela de controle de fluxo cai pela metade, ao invés de ser reduzido a 1. Além disso, não há necessidade de retornar à fase de slow start Comportamento do TCP diante de erros Erros aleatórios podem causar a retransmissão rápida. Com isso, o provável pacote perdido será retransmitido e o tamanho da janela cairá pela metade. Essa redução da janela em resposta a erros reduz a velocidade de envio de pacotes e é desnecessária. No caso de redes sem fio, uma indisponibilidade temporária da conexão poderia causar um timeout, mais uma vez reduzindo o tamanho da janela desnecessariamente. Resumidamente, o TCP não consegue distinguir perda de pacotes por congestionamento ou por erros na transmissão. Isso causa reduções desnecessárias na velocidade de transmissão. 4.TCP em redes sem fio O comportamento ideal do TCP em redes sem fio seria retransmitir um pacote perdido por erro de transmissão sem tomar nenhuma medida de controle de congestionamento. Infelizmente essa solução não é possível. Uma alternativa ao TCP ideal seria a camada de rede recuperar os erros de transmissão de maneira transparente e eficiente. Isso esconderia da camada de transporte a perda de pacotes por erros, novamente evitando medidas desnecessárias de controle de congestionamento. Discutiremos a seguir 3 tipos de soluções propostas para o problema. Tais soluções aproximamse de uma das duas opções mencionadas acima. São elas soluções na camada de rede, na camada de transporte e inter-camadas. 9

11 4.1.Soluções na camada de rede Algumas soluções utilizam-se do chamado Forward Error Correction (FEC), utilizado para corrigir um pequeno número de erros de forma transparente ao TCP. Essa técnica, no entanto, leva a um overhead mesmo na ausência de erros. Diferentemente, a retransmissão de erros na camada de rede provoca overhead apenas na ocorrência de erros. Geralmente utiliza-se FEC para corrigir um pequeno número de erros e retransmissão quando a capacidade do FEC foi excedida. O que se tenta fazer nessas soluções é tornar o comportamento da camada de rede sem fio comportar-se como camdas de nível mais alto. Elas dividem-se em soluções cientes do TCP e soluções não cientes do TCP Soluções cientes do TCP O fato da camada de rede estar ciente da camada de transporte possibilita uma otimização de performance mais refinada. Vamos exemplificar tais soluções por meio do Snoop e do WTCP. Protocolo Snoop Esse protocolo foi desenvolvido para casos onde a maior parte dos dados é enviado de uma unidade fixa para uma unidade móvel. Ele funciona da seguinte forma: na estação base (ligação entre a rede fixa e a móvel) é armazanado um cache de pacotes TCP enviados cujos ACKs não foram recebidos ainda; pacotes duplicados enviados pela unidade fixa não são enviados para a unidade móvel; caso a estação base receba um ACK duplicado ela retransmite o suposto pacote perdido sem retransmitir o ACK para a unidade fixa, pois isso desencadearia o processo de controle de congestionamento do TCP. 10

12 WTCP O WTCP é utilizado na estação base, onde faz um buffer de pacotes vindos da rede fixa cujos ACKs ainda não foram recebidos. A partir disso ele mantém um controle de fluxo próprio sobre a rede sem fio. Um segmento recebido em ordem pela estação base é armazenado juntamente com o tempo de chegada. Segmentos duplicados são descartados, pois ele ou já foi enviado ou está no buffer. Para evitar uma estimativa incorreta do RTT, que poderia gerar retransmissões por timeout, o timestamp de cada pacote é incrementado com o tempo que ele permaneceu no buffer da estação base Soluçoes não cientes do TCP Nessas soluções, as melhorias na camada de rede são implementadas na correção de erros e na retransmissão de pacotes perdidos. Abaixo veremos quatro exemplos de protocolos não cientes do TCP. AIRMAIL O AIRMAIL (Asymmetric Reliable Mobile Access In Link Layer) é utilizado tanto por redes indoor como externas. Ele usa de correções de erros e retransmissões procurando reduzir a latência e aumentar a velocidade de transmissão. Como o próprio nome diz, o protocolo é assimétrico, isto é, a maior carga de processamento é colocada na estação base ao invés de ser balanceada entre ela e a unidade móvel. Isso é fundamental, dada a baixa capacidade de processamento das unidades móveis, bem como suas limitações de energia. TULIP O TULIP (Transport Unaware Link Improvement Protocol) provê serviço confiável para o tráfego de dados TCP e não confiável para tráfego UDP e ACKs. A manutenção de um buffer de pacotes recebidos repassando somente pacotes em ordem para a camada de transporte, evita que o TCP receba ACKs duplicados. Ele efetua retransmissão local na camada de rede de pacotes perdidos, evitando as retransmissões TCP por todo o caminho. 11

13 DDA O DDA (Delayed Duplicate ACKs) é similar ao Snoop, embora não seja ciente do TCP. Ambos implementam retransmissão na camada de rede nas estações base e redução de interferência entre as retransmissões TCP e da camada de rede. Nesse protocolo, a camada de rede entrega pacotes fora de ordem quando erros de transmissão ocorrem. Isso evita que perdas de pacotes em um fluxo de dados não bloqueie envio de pacotes em outros fluxos. Caso a entrega em ordem fosse obrigatória, a transmissão proveniente de outros fluxos seria bloqueada até a retransmissão do pacote perdido. O destinatário atrasa o envio de ACKs duplicados quando pacotes são entregues for a de ordem, dando tempo para que ocorra a retransmissão na camada de rede. Com isso, uma perda de pacote por erro de transmissão pode ser recuperada sem uma ação do TCP. Entretanto, caso a perda seja por congestionamento, a recuperação efetuada pelo TCP sofre atraso. DAWL O DAWL (Delayed-ACK for Wireless LANs) combina o atraso de ACKs com conceitos de SSCOP (Service Specific Connection Oriented Protocol).. Nesse protocolo, ACKs cumulativos podem ser encapsulados num frame de dados. ACKs negativos permitem uma requisição de retransmissão immediate e ACKs isolados são ignorados. A perda de pacotes é detectada baseada na análise dos números de seqüência. A concatenação de pacotes de mesmo destino em um único pacote de dados na camada de rede (IP) leva a um ganho de performance, sem necessidade de alterarmos as camadas de rede e transporte. Esse ganho, entretanto, é observado apenas para pacotes pequenos. 12

14 4.2.Soluções na camada de transporte As soluções na camada de transporte se baseiam em modificações feitas no próprio TCP. Veremos a seguir dois tipos de soluções e seus respectivos exemplos Divisão de conexão O TCP é quebrado em uma parte na rede fixa e uma parte na rede sem fio.caso a conexão sem fio não seja a última na rota, mais de duas conexões serão necessárias. Com a divisão de conexões do TCP os controles de fluxo e erros torna-se independente em cada uma das partes, bem como os demais parâmetros (tamanho dos pacotes, timeouts, etc.). Isso permite otimizações específicas do TCP em cada uma das partes. I-TCP A conexão é dividida em duas partes: uma entre a unidade fixa e a estação base utilizando TCP padrão e a outra entre a estação base e a unidade móvel. A recuperação de perdas na parte sem fio não é percebida pela parte fixa por meio da utilização de uma versão especial de TCP na parte sem fio. Os controles de fluxo e congestionamento utilizados pelo I-TCP permitem reagir rapidamente a problemas comuns na comunicação sem fio como interrupção de comunicação e mobilidade. Como vantagem podemos citar o fato do I-TCP esconder da parte fixa problemas intrínsecos da parte móvel e ser compatível com protocolos da rede fixa Como desvantagens podemos citar o fato de não impedir a semântica fim-a-fim do TCP, introduzir overhead adicional tanto na estação base para cada pacote transmitido como na troca de bases feitas pelas unidades móveis (hand-offs) e complexidade crescente das estações base 13

15 METP O METP (Mobile-End Transport Protocol) deve ser implementado na parte sem fio da conexão. Nesse protocolo, a estação base age como um proxy para a conexão TCP, convertendo os pacotes recebidos da rede fixa e recebendo datagramas IP no lugar da unidade móvel. Um pacote passa pelas camadas de rede e transporte da estação base e então é transmitido à unidade móvel de destino pelo METP, utilizando um cabeçalho reduzido contendo apenas informações básicas. A confiabilidade do METP se deve à retransmissões locais, além do esquema de ARQs da camada de rede. O protocolo também é capaz de gerenciar hand-offs. Para tanto, todo o estado de janelas e buffers deve ser enviado para a nova estação base. Observa-se um ganho de performance significativo do METP em relação ao TCP Reno, embora possua problemas similares ao I-TCP (não impede a semântica fim-a-fim, causa overhead) além de um overhead adicional devido à grande quantidade de informações transmitidas num hand-off Modificações do TCP As modificações do TCP não alteram fundamentalmente o comportamento do protocolo, apenas algumas de suas mecânicas, como veremos a seguir. Diferentemente de soluções baseadas na divisão de conexão, modificar o TCP não causa modificações na estação base, eliminando os problemas de overhead e complexidade da estação base apresentados por elas. SACK O algoritmo de ACKs seletivos do SACK (Selective Acknowledgements) permite que o destinatário informe o TCP sobre quais pacotes chegaram fora de ordem, permitindo à origem retransmitir apenas os pacotes que não foram recebidos pelo destinatário. No caso de várias perdas em uma única janela, essa técnica tem uma performance superior ao TCP padrão. 14

16 TCP Santa Cruz Protocolo que emprega o campo de opções do cabeçalho TCP para implementar um novo controle de congestionamento e estratégias de recuperação de erros. O algoritmo de controle de congestionamento é baseado no atraso entre pacotes enviados e no atraso entre pacotes recebidos, utilizando-se de timestamps para calculá-los. Implementa SACK. Essa quantidade maior de informações sobre o fluxo TCP (timestamps) permitem estimar melhor o RTT (round-trip time) Esquemas de Notificação Explícita Explicit Bad State Notification (EBSN) Sempre que a estação base não consegue realizar a entrega de um pacote, um EBSN é enviado à origem, fazendo com que o TCP reinicie seu timer evitando o retorno à fase de slow start, uma vez que não houve congestionamento. Esse esquema requer pouquíssimas modificações no TCP de quem está enviando pacotes. Explicit Loss Notification (ELN) O propósito do ELN é notificar a origem de perdas na rede sem fio que não foram ocasionadas por congestionamento. Ele não provê mecanismos de retransmissão local. Ao receber um ACK duplicado do destinatário, a estação base, sabendo o tipo de erro ocorrido, pode encapsular uma ELN específica no cabeçalho do ACK TCP antes de enviá-lo à origem. A partir dessa notificação, a origem pode tomar a decisão mais adequada. 15

17 4.3.Soluções Inter-Camadas Soluções inter-camadas quebram os princípios ISO/OSI de camadas ao permitir a junção das mesmas e a existência de protocolos que atravessem mais de uma camada. Apesar de ser um caminho interessante, existem poucas soluções desse tipo disponíveis ILC-TCP O conceito principal do ILC (Interlayer Collaboration Protocol) é a introdução de um State Manager (SM) em paralelo à pilha de protocolos. O SM é responsável por obter informaões das camadas de transporte, rede, enlace e física e, se necessário, enviar requisições a elas baseado nessas informações. Cada camada informa seu estado ao SM periodicamente. Esse estado indica se a camada está apta a enviar pacotes ou não. A partir desses estados, o SM pode sugerir ao TCP pausar ou prosseguir com o envio de pacotes ATCP O ATCP permite troca de informações entre as camadas de rede e transporte e entre as camadas de transporte e aplicação.no caso da camada de aplicação a informação utilizada é a prioridade da aplicação, que será utilizada na priorização da camada de transporte. Baseado em informações de camadas mais baixas (estado da conexão e RTO) o ATCP tenta melhorar sua performance. 16

18 4.3.3.LLE-TCP O LLE (Link Layer ARQ Exploitation) procura otimizar a utilização de ARQs, explorando informações de entregas de pacotes com sucesso provenientes da camada de enlace para melhorar sua performance. A taxa de ACKs isolados é ignorada e um agente ARQ snoop é implementado. Esse agente é capaz de interagir com entidades MAC (para entregar notificações) e entidades TCP (para enviar ACKs e fazer buffer de pacotes enviados). 5.Conclusões O interesse em melhorar a performance do TCP em redes sem fio é muito grande, graças à crescente utilização da mesma. Existem muitas soluções disponíveis, baseadas em diferentes abordagens. Qual solução utilizar depende do cenário de utilização e as restrições existentes, pois nenhuma delas pode ser considerada a melhor solução. 17

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