Análise de Desempenho Conjunta dos Protocolos TCP, RLC e MAC-hs em Redes Celulares HSDPA

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1 Universidade Federal do Ceará Departamento de Engenharia de Teleinformática Programa de Pós-graduação em Engenharia de Teleinformática Análise de Desempenho Conjunta dos Protocolos TCP, RLC e MAC-hs em Redes Celulares HSDPA Marcone Lopes de Carvalho Fortaleza Ceará 2009

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3 Universidade Federal do Ceará Departamento de Engenharia de Teleinformática Programa de Pós-graduação em Engenharia de Teleinformática Análise de Desempenho Conjunta dos Protocolos TCP, RLC e MAC-hs em Redes Celulares HSDPA Autor Marcone Lopes de Carvalho Orientador Prof. Dr. Francisco Rodrigo Porto Cavalcanti Dissertação de Mestrado apresentada à Coordenação do Programa de Pós-graduação em Engenharia de Teleinformática da Universidade Federal do Ceará como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Engenharia de Teleinformática. Fortaleza Ceará 2009

4 Resumo Nos últimos anos ocorreu um grande crescimento no acesso à Internet através de dispositivos móveis como notebooks, palmtops e celulares. Neste contexto evolutivo, esforços têm se somado no que diz respeito à melhoria de qualidade da conexão para este tipo de usuário. Diante disso, o cenário de estudo conjunto dos protocolos especializados em lidar com o meio sem fio e a pilha de protocolos TCP/IP ganha atenção especial. Neste trabalho é dado enfoque ao contexto de retransmissões que acontecem em três diferentes pontos da comunicação entre o transmissor e o receptor de dados quando se utilizam redes celulares HSDPA, englobando os protocolos TCP, RLC e a MAC-hs situada no Node B. Baseado em simulações computacionais, é feita uma análise de interações entre estes protocolos, procurando-se observar um cenário otimizado de comunicações entre os usuários do sistema HSDPA. Devido à política simples de descarte de quadros da RLC quando seu buffer está cheio, é evidenciada uma queda de desempenho na rede a partir de uma certa configuração do número de retransmissões. A MAC-hs possui algoritmos muito eficientes para minimizar os efeitos de uma conexão ruim. O estudo das retransmissões a nível de MAC-hs é feito conjuntamente com as retransmissões da RLC e do TCP. Apresentamos quantitativamente as configurações que a RLC e a MAC-hs devem possuir para otimizar o desempenho da rede HSDPA quando utilizamos, sob tráfego de web browsing, o TCP New Reno como protocolo de transporte. Palavras-chave: UMTS. Controle de congestionamento, TCP/IP, RLC, HSDPA,

5 Abstract Over the last years there has been a large growth on Internet accesses through mobile devices such as notebooks, palmtops and cell phones. Based on this technological growing context, there has been a big improvement regarding wireless access users. Grounded on that, studies concerning specific protocols related to wireless devices and TCP/IP protocols gains special attention. This work focus on the retransmission that take place in three different spots of communication between the transmitter and the data receiver when HSDPA cellular networks are used regarding TCP, RLC and MAC-hs protocols located on the Node B. An analysis of the interaction among these protocols is made based on computer simulations, through that it s possible to observe an optimized view on the process of communication among the users of HSDPA system. Because of RLC discard protocol policy when the buffer is full, there is a decrease on the network process performance due to a certain configuration of the number of retransmissions. The algorithms implemented on the MAC-hs effectively contribute to minimize the effects of a bad wireless connection. This minimization is grounded on the interaction of the whole set of retransmissions which act together with RLC and TCP. The configurations that the RLC and the MAC-hs may get to optimize the HSDPA network performance when we use them under web browsing and having the TCP New Reno as the transport protocol are presented quantitatively. Key words: Congestion Avoidance, TCP/IP, RLC, HSDPA, UMTS.

6 Dedicatória Dedico este trabalho a meu pai Francisco Pereira de Carvalho que, embora não tendo frequentado a Academia, ensinou a mim e a meus irmãos tudo sobre dignidade e humildade, além de muitas outras lições que levarei sempre comigo. À minha querida mãezinha, Albetiza Lopes de Carvalho, por seu incondicional amor de mãe, que sempre cuidou com esmero e dedicação de mim e de meus irmãos. Aos meus irmãos: Rejane, Livonete, Ronaldo, Francisco, Arlete, Ivonildes, Zilmar e Edilson, fundamentais em minha vida. Aos meus sobrinhos queridos, em especial a Felipe, Nara, Gabriel e Arthur, crianças que tornam nossa existência mais feliz. À minha esposa, Adriana, por seu amor, paciência e dedicação a mim. E a meu filho João Victor, uma bênção que Deus nos enviou e a quem tanto amamos.

7 Agradecimentos Agradeço primeiramente a Deus, fonte de toda a sabedoria, que permitiu a conclusão deste trabalho, a todos os amigos do GTEL, em especial a meu orientador Francisco Rodrigo Porto Cavalcanti, a Tarcisio Maciel, Yuri Silva e a Leonardo Ramon que foram fundamentais na elaboração deste trabalho por suas contribuições e palavras de apoio em momentos de maior dificuldade.

8 Sumário Lista de Figuras Lista de Tabelas viii ix Lista de Siglas x 1 Introdução Motivação A grande Rede Internet Camadas do modelo TCP/IP Camada de Aplicação Camada de Transporte Camada Inter-redes Camada Host/rede O Protocolo TCP Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) Arquitetura do UMTS A tecnologia da rede celular HSDPA O protocolo RLC Apresentação do Problema e Objetivo Metodologia Utilizada Estrutura da Dissertação O TCP e seus problemas em redes sem fio Introdução Cabeçalho TCP Mecanismo de retransmissão Controle de Fluxo Controle de Congestionamento Versões do TCP Old Tahoe TCP Tahoe v

9 2.6.3 TCP Reno TCP New Reno TCP SACK (Selective Acknowledgement Options) TCP Vegas O TCP operando em redes sem fio Longos tempos de resposta na rede Mitigando os problemas do TCP em redes sem fio Abordagem split-connection Abordagem baseada na camada de enlace Abordagem fim-a-fim Desempenho Ilustrativo do TCP sobre uma rede sem fio Cenário Geral da Simulação Modelo do Canal Geração do Tráfego Critérios específicos da simulação Resultados Conclusões Análise de Desempenho Conjunta dos Protocolos TCP, RLC e MAC-hs em Redes Celulares HSDPA Introdução Tráfego TCP sobre HSDPA Cenário de simulação Geração de tráfego Descrição das principais características do UTRANSim Parâmetros de simulação utilizados Resultados Resultados de Integração Influência do número de retransmissões da RLC e MAC-HS Conclusões e Perspectivas Conclusões Perspectivas de Trabalhos Futuros Referências Bibliográficas 65 vi

10 Lista de Figuras 1.1 Impacto da perda de pacotes devido ao emprego do TCP sobre uma conexão sem fio Modelos OSI e TCP/IP Protocolos presentes em cada camada do modelo TCP/IP Arquitetura simplificada de uma rede UMTS Principais melhorias e extensões do WCDMA pelo HSDPA Arquitetura do HSDPA Cabeçalho do protocolo TCP Mecanismo de janela deslizante Ilustração dos mecanismos de controle de congestionamento Observação dos tempos de resposta em redes com e sem fio Célula de transmissão Modelo do canal Desempenho do TCP para um canal ideal (ε = 0). Tempo de simulação: 135, 23s Desempenho do TCP para um canal pouco ruidoso (ε = 0.14). Tempo de simulação: 158, 73s Desempenho do TCP para um canal muito ruidoso (ε = 0.55). Tempo de simulação: 327, 87s Diversos níveis de retransmissões Estrutura funcional do UTRANSim Camadas e protocolos do UTRANSim incluindo o TCP Gráficos de convergência da admissão de usuários no sistema Distribuição da vazão de dados variando o tempo de chegada entre usuários. Simulador utiliza o TCP integrado com HSDPA Distribuição da vazão de dados variando o tempo de chegada entre usuários. Simulador com TCP desligado Distribuição da vazão de dados comparativa para um tempo de chegada entre usuários de segundos Taxa de estabelecimento de sessão WWW versus satisfação do usuário Eficiência espectral vii

11 3.10 Diversos percentis de atraso de entrega de pacotes com e sem TCP Variação das retransmissões da RLC (RLC RTX) com zero retransmissões da MAC-hs (MAC-hs RTX = 0). Décimo percentil da vazão de dados Variação das retransmissões da RLC (RLC RTX) com duas retransmissões da MAC-hs (MAC-hs RTX = 2). Décimo percentil da vazão de dados Variação das retransmissões da MAC-hs com RLC RTX = 4. Décimo percentil da vazão de dados Variação das retransmissões da MAC-hs com RLC RTX = 3. Décimo percentil da vazão de dados Variação das retransmissões da RLC com MAC-hs RTX = 0. Quinquagésimo percentil da vazão de dados Variação das retransmissões da MAC-hs com RLC RTX = 4. Quinquagésimo percentil da vazão de dados viii

12 Lista de Tabelas 3.1 Modelo de tráfego de web browsing implementado Parâmetros de simulação ix

13 Lista de Siglas 16QAM 2G 3G 3GPP ACK AM AMC ARPANET ARQ ATM CN CQI CWND DARPA DCH DNS DSCH EDGE EGPRS FACH FEC FIN FTP GPRS GSM 16 Quadrature Amplitude Modulation 2 rd Cellular Generation 3 rd Cellular Generation 3 rd Generation Partnership Project Acknowledgement Acknowledge Mode Adaptive Modulation and Coding Advanced Research Project Agency Network Automatic Repeat Request Asynchronous Transfer Mode Core Network Channel Quality Indicator Congestion Window Defense Advanced Research Projects Agency Dedicated Channel Domain Name System Downlink Shared Channel Enhanced Data Rates for GSM Evolution Enhanced General Packet Radio Service Foward Access Channel Forward Error Correct Finalize File Transfer Protocol General Packet Radio Service Global System for Mobile Communications x

14 GTEL H-ARQ HSDPA HS-DPCCH HS-DSCH HS-SCCH HTTP IMT ICMP IP I-TCP ITU ISO MAC-hs ME MSC MSR M-TCP MTU MSS OSI PDU PSH QoS RFC RLC RNS RRC RST RTO RTT RXWND SACK SDU SF Grupo de Pesquisa em Telecomunicações sem Fio Hybrid Automatic Repeat Request High Speed Downlink Packet Access High Speed Dedicated Physical Control Channel High Speed Downlink Shared Channel High Speed Shared Control Channel Hypertext Transfer Protocol International Mobile Telecommunications-2000 Internet Control Message Protocol Internet Protocol Indirect-TCP International Telecommunication Union International Standards Organization Medium Access Control - High Speed Mobile Equipment Mobile Switching Center Mobile Support Router Mobile TCP Maximum Transmission Unit Maximum Segment Size Open Systems Interconnection Packet Data Unit Push Quality of Service Request For Comments Radio Link Control Radio Network Subsystem Radio Resource Control Reset Retransmission Time Out Round Trip Time Receiver Window Selective Acknowledgement Service Data Unit Spreed Factor xi

15 SMTP SYN TCP TFCI TTI TXWND UDP UMTS UE UFC URG USIM UTRAN VLR VoIP WCDMA WWW Simple Mail Transfer Protocol Synchronize Transmission Control Protocol Transport Format Combination Indicator Transmission Time Interval Transmission Window User Datagram Protocol Universal Mobile Telecommunications System User Equipment Universidade Federal do Ceará Urgent pointer User Service Identity Module UMTS Terrestrial Radio Access Network Visitor Location Register Voice over Internet Protocol Wideband Code Division Multiple Access World Wide Web xii

16 Capítulo 1 Introdução 1.1 Motivação O conjunto de protocolos TCP/IP (do inglês Transmission Control Protocol / Internet Protocol) é sem dúvida o padrão mais popular e mais largamente adotado para transmissões de dados por pacotes sobre diversos tipos de redes de computadores. Atualmente, seu uso está sendo também difundido entre as redes de dados sem fio, tais como sistemas celulares, redes locais sem fio e redes por satélites. A demanda por novos serviços orientados a pacotes tem levado as operadoras de serviços celulares a voltar esforços no sentido de prover esses serviços de forma competitiva e atraente para o usuário final. Para isso, as conexões TCP devem ser otimizadas dentro da estrutura oferecida pelo sistema de comunicação sem fio, por ser este um protocolo confiável e de utilização tradicional no transporte de dados dentro do conjunto de protocolos que formam a pilha TCP/IP. A otimização no estabelecimento de conexões em ambientes sem fio via TCP impulsionaria enormemente a oferta de serviços sofisticados e de alto desempenho, gerando um produto final de qualidade e potencial fonte de receita para as operadoras destes serviços, melhorando sua posição competitiva no mercado de telecomunicações e evitando a troca de operadora pelo assinante. Com o avanço da telefonia celular e o crescente número de usuários da Internet o mercado de serviços de dados sem-fio para terminais móveis torna-se um investimento bastante atraente, uma vez que disponibiliza o acesso para os usuários em qualquer lugar e a qualquer momento. Com a demanda por serviços sem fio

17 2 crescendo a cada dia, em poucos anos o acesso à Internet móvel com alto desempenho será requisitado mais e mais pelos usuários. Este é o cenário para as comunicações móveis de terceira geração (3G) em processo de implantação, sucessora dos padrões de segunda geração (2G) ainda centradas na oferta de serviços de comunicação de voz tradicionais. Para os sistemas de rádio móveis de terceira geração as taxas de transmissão podem chegar ao máximo de 2Mbps. As aplicações multimídia usam vários serviços, como voz, áudio/vídeo, gráficos, dados, acesso à Internet e , todos ao mesmo tempo. Os serviços, comutados por pacotes e por circuitos, devem ser suportados pela interface de rádio e pelo subsistema de rede. Para que todos esses serviços, taxas de transmissão e seus futuros avanços possam ser praticados, os protocolos de transmissão que operam em ambientes sem fios, bem como as técnicas empregadas na manipulação desses protocolos, devem ser otimizados. Com o crescimento das tecnologias de comunicação rádio-móveis, especialmente em telefonia celular (de acordo com o fórum do UMTS - do inglês Universal Mobile Telecommunication System - haverá cerca de 1,8 bilhões de assinantes em 2010) faz-se necessário a adequação de novas técnicas de transporte de dados, aproveitando a base plantada pelos protocolos da família TCP/IP. As conexões fim-a-fim de TCP/IP são frequentemente pedidas pelos clientes móveis que desejam ter o acesso aos conteúdos de WWW (do inglês World Wide Web), transferência de arquivos, ao , e a demais serviços da Internet. Não obstante, há alguns aspectos que podem prejudicar o desempenho do TCP/IP para estes usuários, tais como a mobilidade e a não confiabilidade da conexão via rádio, uma vez que o protocolo foi projetado originalmente para funcionar sobre redes fixas e confiáveis. A figura 1.1 ilustra o problema que pode ocorrer quando os pacotes são perdidos pela conexão sem fio. O protocolo TCP interpreta erroneamente estes pacotes não entregues como um congestionamento da rede e ativa seu mecanismo de controle de congestionamento, que resulta em uma degradação do desempenho do sistema. Em ambientes sem fio, é comum que alguns eventos que não sejam propriamente um congestionamento (tal como a interferência e a perda devido ao handoff ) façam com que os pacotes não cheguem em seu destino. Caso o TCP interprete todos estes

18 3 NACK INTERNET NACK Receptor Pacotes Figura 1.1: Impacto da perda de pacotes devido ao emprego do TCP sobre uma conexão sem fio. eventos como congestionamento, causará a degradação no desempenho da camada de transporte e da comunicação como um todo [1,2]. 1.2 A grande Rede Internet No início dos anos 60, uma associação entre o DARPA (do inglês Defense Advanced Research Projects Agency), um grupo de universidades e algumas instituições, criou a ARPANET (do inglês Advanced Research Project Agency Network). Em 1969, a rede ARPANET entrou em operação, consistindo inicialmente de quatro nós e utilizando comutação de pacotes para efetuar a comunicação visando à continuidade de operação mesmo que alguns deles fossem destruídos por ataques de aviões de guerra [3]. Este foi o projeto que deu origem à Internet. Após um longo período restrito a órgão governamentais e de pesquisas, o acesso à Internet foi oferecido comercialmente para a população mundial. Para facilitar o processo de padronização e obter interconectividade entre máquinas de diferentes fabricantes, a ISO (do inglês International Standards Organization) aprovou, no início dos anos 80, um modelo de referência para permitir a comunicação entre máquinas heterogêneas, denominado OSI (do inglês Open Systems Interconnection). Esse modelo serve de base para qualquer tipo de rede, seja de curta, média ou longa distância e é considerado o padrão de juri. Em

19 4 1980, o DARPA começou a implementar o TCP/IP na ARPANET, dando origem à Internet. Em 1983, o DARPA finalizou a conversão de todos seus computadores e exigiu a implementação do TCP/IP em todos os computadores que quisessem se conectar à ARPANET. Além disso, o DARPA também financiou a implementação do TCP/IP como parte integral do sistema operacional Unix, exigindo que este fosse distribuído de forma gratuita. Dessa forma o Unix e, consequentemente, o TCP/IP, difundiram-se, cobrindo múltiplas plataformas. Assim, o modelo TCP/IP ficou sendo utilizado como o padrão de fato para interconectar sistemas de diferentes fabricantes, não apenas na Internet, mas em diversos ramos de negócios que requerem tal forma de comunicação. Atualmente, a Internet é uma imensa rede de redes de computadores que trocam informações entre si. Estes computadores podem ser de qualquer porte, arquitetura, marca ou modelo. Podem usar qualquer processador, sistema operacional e qualquer software que permita comunicação entre servidores e clientes. Existem diversas formas de interligação entre estes computadores tais como linha comum de telefone, linhas privadas de comunicação, cabos submarinos ou mesmo canais de comunicação sem fio como canais de satélite e redes celulares. Essas inúmeras formas de conexão configuram a independência de hardware e software, uma das principais características da Internet e que garante o seu notável sucesso. 1.3 Camadas do modelo TCP/IP No modelo TCP/IP as diversas camadas de software interagem somente com as camadas acima e abaixo. Há diversas semelhanças com o modelo conceitual OSI da ISO, mas o TCP/IP é anterior à formalização deste modelo e portanto possui algumas diferenças. A figura 1.2 mostra a equivalência dos níveis entre os modelos OSI e TCP/IP. Na sequência será mostrada sucintamente uma descrição da função de cada camada do modelo TCP/IP Camada de Aplicação Na camada de aplicação estão presentes os protocolos de nível mais alto da pilha TCP/IP, como por exemplo, o TELNET, FTP (do inglês File Transfer Protocol), SMTP (do inglês Simple Mail Transfer Protocol). Estes protocolos

20 5 Modelo OSI Modelo TCP/IP Aplicação Apresentação Aplicação Sessão Transporte Transporte Rede Inter-redes Enlace de dados Host - rede Física Figura 1.2: Modelos OSI e TCP/IP. acessam os serviços disponíveis nas camadas inferiores da pilha. As aplicações presentes nesta camada interagem com a camada de transporte para enviar e receber dados, utilizando os serviços orientados à conexão oferecidos pelo TCP ou aqueles não orientados à conexão através do UDP (do inglês User Datagram Protocol). Os protocolos de aplicação são específicos para cada programa que faz uso da rede. Desta forma existe um protocolo para a conversação entre um servidor web e um web browser, um protocolo para a conversação entre um cliente TELNET e um servidor (daemon) TELNET, e assim por diante. Cada aplicação de rede tem o seu próprio protocolo de comunicação, que utiliza os protocolos das camadas mais baixas para poder atingir o seu destino Camada de Transporte A função básica da camada de transporte é permitir a comunicação fia-a-fim entre aplicações. Os protocolos desta camada são o TCP e o UDP. Se o protocolo utilizado for o TCP, os seguintes serviços são oferecidos: controle de erro, controle de fluxo, sequenciação e multiplexação do acesso ao nível de inter-redes. O UDP por ser um protocolo mais simples, oferece somente o serviço de multiplexação/demutiplexação

21 6 do acesso ao nível de rede. Na camada de transporte, os dados são agrupados em pacotes e encaminhados à camada inter-redes. Os protocolos de transporte do modelo TCP/IP, o UDP e o TCP, conectam dois programas. Pode-se ter em um mesmo computador vários programas trabalhando com a rede simultaneamente, por exemplo um web browser e um leitor de . Os protocolos de transporte atribuem a cada programa um número de porta, que é anexado a cada pacote de modo que o TCP/IP saiba para qual programa entregar cada mensagem recebida pela rede Camada Inter-redes A camada inter-redes é responsável pela transferência de dados desde a máquina de origem até a máquina de destino. A camada inter-redes define sua unidade básica de transferência de dados: o datagrama de interligação em redes, datagrama IP ou simplesmente datagrama. O pacote recebido da camada de transporte, é encapsulado em um datagrama IP, o qual é submetido a algoritmos de roteamento para decidir se sua entrega deverá ser feita para o nível de transporte local ou se deve ser repassado adiante através de uma das interfaces de rede. Na camada inter-redes está o protocolo IP, responsável por fazer com que as informações enviadas por um computador cheguem a outros computadores mesmo que eles estejam em redes fisicamente distintas, ou seja, não exista conexão direta entre eles. O IP realiza a conexão entre redes, sendo capaz de rotear pacotes por outro caminho quando uma parte da rede está fora do ar, buscando uma rota alternativo para a comunicação Camada Host/rede O modelo TCP/IP não faz nenhuma restrição às redes que são interligadas para formar a inter-rede. Portanto, qualque tipo de rede pode ser ligada, bastando para isso que seja envolvida por uma interface que compatibilize a tecnologia específica da rede com o protocolo IP. Essa compatibilização é a função da camada host/rede. Dessa forma, a camada host/rede é responsável pela aceitação de datagramas IP e por sua transmissão através de uma rede específica. Esta camada não possui um protocolo definido.

22 7 Observando a equivalência das camadas nos modelos OSI e TCP/IP a camada host/rede equivale às camadas física e de enlace. Esta última, em sistemas celulares multi-usuário se subdivide em MAC (do inglês Medium Access Control), responsável pelo uso eficiente dos canais de transporte e pela seleção apropriada do formato de transporte, e RLC (do inglês Radio Link Control) descrito na seção O Protocolo TCP O TCP, juntamente com o UDP, é um dos protocolos da camada de transporte do modelo TCP/IP, como mostrado na figura 1.3. Diferentemente do UDP (basicamente o IP acrescido de um pequeno cabeçalho), o TCP é um protocolo orientado a conexão e trabalha a partir de uma negociação de parâmetros entre as partes envolvidas. Foi proposto originalmente na RFC (do inglês Request For Comments) 793 e com o passar do tempo passou por mudanças e sofisticações que lhe deram a robustez e confiabilidade que ostenta nos dias de hoje. O detalhamento de alguns de seus problemas e soluções são abordados nas RFC s 1122 e O TCP é responsável por manter a comunicação fim-a-fim, baseando-se em um mecanismo de entrega confiável com a finalidade de oferecer um fluxo de bytes em uma inter-rede não-confiável ser robusto diante de falhas [3,4]. CAMADAS DO MODELO TCP/ IP PROTOCOLOS Aplicação TELNET FTP SMTP DNS Transporte TCP UDP Inter-redes IP ICMP Host / rede ETHERNET TOKEN RING FRAME RELAY ATM Figura 1.3: Protocolos presentes em cada camada do modelo TCP/IP.

23 8 O TCP garante a entrega de dados ao seu receptor e na sequência correta. A camada inter-redes não oferece qualquer garantia de que os datagramas serão entregues adequadamente, por isso o TCP tem a função de administrar a retransmissão destes datagramas sempre que for necessário. Pode ocorrer que alguns deles cheguem fora de ordem. Caso isso ocorra cabe ao TCP organizá-los de forma correta. Portanto, o TCP fornece, através de seus mecanismos, a confiabilidade que não é oferecida pelo protocolo da camada inter-redes, o IP [3]. Os principais tarefas executadas pelo TCP são a segmentação, estabelecimento e liberação de uma conexão, multiplexação e controle de congestionamento. O TCP executa tudo isso independente da tecnologia de rede e do hardware, possibilitando a comunicação de qualquer par de hosts (qualquer máquina na rede capaz de executar as aplicações do usuário). O serviço TCP ocorre quando o transmissor e o receptor criam pontos terminais, estabelecendo uma conexão full-duplex e ponto a ponto. As entidades envolvidas trocam fluxos de dados que são divididos em partes de no máximo 64KB (na prática é cerca de 1.5KB) e enviadas em datagramas IP. Quando estes datagramas chegam à outra extremidade, a entidade TCP daquela máquina recebe os datagramas e restaura o seu conteúdo. O TCP possui a implementação de mecanismos capazes de assegurar a confiabilidade na transmissão por requerer que o transmissor confirme os dados recebidos à medida que eles cheguem ou mediante um determinado tempo de atraso para a confirmação de blocos maiores de dados. A rede na qual trafegam os dados não é perfeita e uma pequena porção destes dados pode ser perdida devido a erros no percurso ou mesmo a problemas de congestionamento na rede (o que causa a perda de pacotes nas filas internas de roteadores). Em redes com fio, para as quais o TCP foi originalmente implementado, as perdas devido a erros aleatórios na rede é inferior a 1% [3, 5], por isso o TCP interpreta a perda de pacotes como congestionamento nos buffers de roteadores intermediários. Assim, torna-se muito importante a ação do protocolo para a redução do congestionamento. Quando um congestionamento é identificado o TCP reduz o valor de sua janela de congestionamento (CWND) para dar continuidade ao processo de transmissão

24 9 de novos segmentos e por isso a eficiência da rede pode ser reduzida. Tendo em vista esse problema, foram desenvolvidos algoritmos para executar o controle de congestionamento do TCP tais como o Slow Start, Congestion Avoidance, Fast Retransmit e Fast Recovery, todos abordados no Capítulo Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) Atualmente, a terceira geração de redes de telefonia móvel vem sendo alvo de diversas pesquisas. Pela ITU (do inglês International Telecommunication Union), as redes de terceira geração são denominadas IMT-2000 (do inglês International Mobile Telecommunications-2000), e pela Europa como UMTS. Esta nova tecnologia, promove uma grande variedade de serviços, especialmente relacionados a multimídia e à alta taxa de transmissão. Nesse contexto, o WCDMA (do inglês Wideband Code Division Multiple Access) emerge como a principal solução para interface aérea de terceira geração [1]. UMTS é o termo adotado para designar o padrão de terceira geração (3G), estabelecido como evolução para operadoras de GSM (do inglês Global System for Mobile Communications) e que utiliza como interface de rádio o WCDMA ou o EDGE (do inglês Enhanced Data Rates for GSM Evolution), além de ser uma tecnologia de dados de alta velocidade, fazendo parte dos padrões sem fio da família IMT-2000 da ITU Arquitetura do UMTS A UMTS reutiliza investimentos anteriores, especialmente a infra-estrutura de rede de pacotes de dados implementada para a GPRS (do inglês General Packet Radio Service). Dependendo do fabricante, a atualização pode ser facilmente executada adicionando cartões de canais e software UMTS à infra-estrutura de rádio existente de GSM/GPRS/EDGE, que continua a prover serviços para clientes utilizando essas tecnologias. Uma rede UMTS é formada pelo núcleo da rede (CN, do inglês Core Network), pelo UTRAN (do inglês Universal Terrestrial Radio Access Network), que é a Rede de Acesso de Rádio Terrestre do UMTS, pelo equipamento do usuário (UE, do inglês User Equipment) e pelas interfaces entre essas entidades chamadas de Uu, Cu, Iu, Iub e Iur, descritas adiante. Dessa forma, a arquitetura do UMTS pode ser

25 10 representada simplificadamente pela figura 1.4. RNS Node B RNC USIM Node B MSR VLR Cu Uu Iub Iur Iu ME Node B SGSN RNC UE CN Node B RNS UTRAN Figura 1.4: Arquitetura simplificada de uma rede UMTS. A principal função do CN é prover chaveamento, roteamento e tráfego do usuário, além de possuir a base de dados e funções de gerenciamento da rede. O chaveamento pode ser divido em chaveamento por circuito ou por pacote. Entre os elementos chaveados por circuito temos a MSC (do inglês Mobile Switching Center) e o VLR (do inglês Visitor Location Register). Como elemento chaveado por pacote temos o SGSN (do inglês Service GPRS Support Node), por exemplo. O UTRAN tem a função de prover a interface aérea para o UE, tendo como tecnologia de múltiplo acesso o WCDMA. É composto pelas seguintes entidades: A RNS (do inglês Radio Network Subsystem) gerencia os recursos de rádio necessários à conexão do UE à UTRAN. Cada RNS é composta por uma RNC (do inglês Radio Network Controller); A RNC é o nó lógico da RNS responsável pelo controle do uso e integridade dos recursos de rádio; Node B é a entidade responsável pela transmissão e recepção dos dados em uma célula. O UE é simplesmente o equipamento móvel do usuário. Esse equipamento móvel é composto pelo aparelho propriamente dito, representado por ME (do inglês Mobile

26 11 Equipment) e pelo USIM (do inglês User Service Identity Module). As interfaces mostradas na figura 1.4 são definidas como sendo: Uu - Interface entre o UTRAN e o UE sendo a interface de rádio WCDMA onde o equipamento do usuário acessa a parte física do sistema; Cu - Interface entre o ME e o USIM do UE que segue um formato padrão para pequenos cartões; Iu - Interface entre o UTRAN e a CN dando aos operadores UMTS a possibilidade de adquirirem o UTRAN e a CN de diferentes fabricantes; Iub - Interface entre os Nodes B e a RNC do UTRAN, onde no HSDPA requer um mecanismo de controle de fluxo para assegurar que os buffers sejam usados corretamente no Node B e que não haja perda de dados devido a um estouro nos buffers; Iur - Interface entre duas RNC s do UTRAN, permitindo a troca entre estações rádio-base ou sotf handover, como é mais conhecido. 1.6 A tecnologia da rede celular HSDPA Esta seção tem como enfoque principal o sistema HSDPA (do inglês High Speed Downlink Packet Access) [6 10]. Aqui será dada uma abordagem genérica dos fundamentos que norteiam o emprego desse sistema sem, no entanto, aprofundar o assunto em seus pormenores. Os testes e investigações da dissertação foram conduzidos, utilizando o simulador UTRANSim que modela as principais características desse sistema de comunicação sem fio de terceira geração. No sistema WCDMA já existem vários métodos para a transmissão de pacotes de dados no enlace direto de acordo com o Release 99 do 3GPP (do inglês 3rd Generation Partnership Project), de forma que o WCDMA pode alcançar velocidades de até 384 Kbps para grandes áreas e de até 2 Mbps para áreas de hot spot, ou seja, o WCDMA já fornece velocidades suficientes para a maioria das aplicações de pacotes de dados. No entanto, apenas um número limitado de usuários pode ser suportado simultaneamente nessas altas velocidades. Para lidar com taxas cada vez maiores houve um aprimoramento do WCDMA que ficou conhecido como HSDPA e foi introduzido a partir do Release 5 do 3GPP

27 12 relativo à norma do WCDMA. O conceito por trás do HSDPA consiste de um novo canal compartilhado no downlink que suporta a transmissão de múltiplos códigos, menor intervalo de transmissão (TTI, do inglês Transmission Time Interval), adaptação de enlace e uma rápida forma de retransmissão. A figura 1.5 mostra uma visão das principais melhorias acrescidas com a inclusão do HSDPA e algumas excluídas do projeto. Incluído no HSDPA H-ARQ AMC EP no Node B TTI DE 2ms Melhorado com o HSDPA Operação multicódigo WCDMA Soft handover Controle de potência SF variável Excluidos com o HSDPA Figura 1.5: Principais melhorias e extensões do WCDMA pelo HSDPA. Dentre as características incluídas estão o H-ARQ (do inglês Hybrid Automatic Repeat Request) que permite retransmitir blocos de transporte perdidos. É um esquema de adaptação de enlace no qual as confirmações de blocos na camada de enlace são usadas para decisões de retransmissão no UTRAN. No Release 99 do 3GPP a funcionalidade da retransmissão é parte da RLC, porém esse esquema é muito lento para o HSDPA, no qual os buffers de retransmissão são localizados perto da camada física e logo acima desta, na MAC-hs (do inglês Medium Access Control - High Speed). É empregada a redundância incremental, ou seja, quando uma transmissão falha, os dados corrompidos ainda são mantidos no buffer. Retransmissões sucessivas incluirão mais redundância e estes dados serão

28 13 combinados no receptor com aqueles antigos anteriormente recebidos. Isso é repetido até que os dados no buffer do receptor sejam considerados recebidos com sucesso ou que o número máximo de retransmissões seja atingido. Com o emprego da técnica AMC (do inglês Adaptive Modulation and Coding) o esquema de modulação e a taxa de código dependem da qualidade do canal que é monitorada constantemente. Com isso, o formato do canal de transporte usado pode ser mudado a cada frame transmitido. As informações sobre a qualidade do canal são enviadas aos Nodes B da rede através dos canais de controle no uplink. Caso as condições estejam boas o UTRAN pode utilizar modulações de altas ordens e menos redundância, enquanto que em condições ruins do canal um esquema de modulação mais robusto pode ser empregado, podendo haver mais redundância nos pacotes de dados. No HSDPA, uma das principais modificações na arquitetura comparadas ao Release 99 do 3GPP é a mudança do escalonador de pacotes (EP na figura 1.5) da RNC para o Node B. A rápida informação das condições do canal permitem ao escalonador de pacotes servir ao usuário somente quando suas condições são favoráveis. Este rápido mecanismo e a natureza de tempo compartilhado do HS-DSCH (do inglês High Speed Downlink Shared Channel) possibilitam explorar a diversidade multiusuário [11] com importantes benefícios para a vazão na célula. O TTI no H-ARQ é de apenas 3 time slots, ou seja, 2ms ao invés de 15 time slots (10ms) empregados em outros canais físicos. Com isso o móvel pode informar na rede UTRAN em apenas 2ms se houve falha na transmissão. Um TTI curto também significa que o sistema pode responder rapidamente a mudanças nas condições do canal. No HSDPA foram excluídos o soft handover pois não é suportado pelo canal HS-DSCH, o controle de potência por loop fechado, dentre outros motivos, por criar picos de potência de transmissão que reduzem a capacidade total da rede. Isso é compensado pelos mecanismos de adaptação de enlace vistos anteriormente (H-ARQ e AMC). O uso desses mecanismos também justificam a ausência do fator de espalhamento variável (SF na figura 1.5, do inglês Spreading Factor) [10]. A transmissão de múltiplos códigos de Walsh também é usada no processo de adaptação de enlace melhorando a aplicação do processo.

29 14 A vazão máxima teórica no HSDPA é de 14,4 Mbps, isso com a utilização do esquema de modulação 16QAM (do inglês 16 Quadrature Amplitude Modulation) e uma taxa de codificação de 1. Os procedimentos de retransmissão para dados no WCDMA estão localizados na RNC (do inglês Radio Network Control), que também gerencia a conexão de um dado usuário para o núcleo da rede. Com a introdução do novo canal compartilhado do HSDPA, o HS-DSCH, um módulo adicional de inteligência foi instalado no Node B na forma de uma nova MAC para o HSDPA, a chamada MAC-hs. Desta forma, as retransmissões podem ser controladas diretamente pelo Node B, que pode efetuar retransmissões mais rápidas e assim encurtar o atraso de transmissão de pacotes de dados quando retransmissões forem necessárias. A funcionalidade chave da nova MAC do HSDPA é o gerenciamento do ARQ (do inglês Automatic Repeat Request) e também das funções de escalonamento. O objetivo com o HSDPA consiste em aumentar a vazão de dados utilizando métodos já conhecidos dos padrões GSM. Dessa forma, mudanças de arquitetura são necessárias para permitir essa retransmissão rápida e para trazer o controle da adaptação de enlace mais para perto da interface aérea. A figura 1.6 ilustra a arquitetura do HSDPA. Nos release 99/release 4 do WCDMA existem três diferentes canais que podem ser usados por pacotes no downlink que são o DCH (do inglês Dedicated Channel), o DSCH (do inglês Downlink Shared Channel) e o FACH (do inglês Forward Acess Channel). O DCH pode ser usado basicamente para qualquer tipo de serviço. Ele possui um fator de espalhamento constante no enlace direto. Assim reserva a capacidade de código de acordo com o valor de pico da taxa de dados para a conexão. O DSCH foi desenvolvido para trabalhar junto com o DCH. Desta maneira, as propriedades do DSCH podem ser definidas para as taxas de pacotes de dados mais convenientes enquanto os dados com requisitos rígidos de atraso, como fala e vídeo, são deixados para serem transmitidos através do DCH. O DSCH, diferentemente do DCH, tem um SF variando dinamicamente baseado em frames de 10ms com TFCI (do inglês Transport Format Combination Indicator) transportado junto ao DCH. Os recursos de códigos do DSCH podem ser compartilhados com vários usuários e

30 15 protocolos protocolos de camadas superiores de camadas superiores RLC RLC MAC-d MAC-d MAC-hs MAC-hs HS-DSCH Frame Protocol HS-DSCH Frame Protocol L2 L2 PHY PHY L1 L1 UE Node B RNC Uu Iub Figura 1.6: Arquitetura do HSDPA. o canal pode empregar transmissão em código simples e em múltiplos códigos. O DSCH pode utilizar o controle rápido de potência com o DCH associado, mas não suporta soft handover. O FACH, transportado no S-CCPCH (do inglês Secondary Common Control Physical Channel) pode ser usado no enlace direto. O FACH normalmente opera sozinho, ele é enviado com um SF fixo e tipicamente de preferência com altos níveis de potência para alcançar todos os usuários na célula devido à restrição de potência da camada física no enlace reverso. O HSDPA acrescentou três novos canais, o HS-DSCH, o HS-SCCH (do inglês High Speed Shared Control Channel) e o HS-DPCCH (do inglês High Speed Dedicated Physical Control Channel). O HS-SCCH é o canal que indica quando existe dados a serem recebidos no HSDSCH atual. Ele também carrega informações de configuração para o HS-DSCH, como por exemplo, o formato de transporte e informações relacionadas aos recursos, informações relacionadas com o H-ARQ, a identidade de UE (do inglês User Equipment, o dispositivo móvel propriamente dito), entre

31 16 outras informações. Uma vez que os dados foram recebidos e processados pela MAC-hs, o UE envia de volta para a rede uma confirmação via HS-DPCCH. Este por sua vez, também pode carregar CQIs (do inglês Channel Quality Indicators) que são baseadas nas medidas do canal de downlink. O HS-DSCH é o canal de transporte que carrega os dados do usuário com operação HSDPA. Todos os canais HS-DSCH usam um fator de espalhamento igual a 16. Entretanto para aumentar a vazão percebida pelo usuário, o UTRAN pode alocar vários códigos de espalhamento para um usuário. O número máximo de multicódigos que um UE pode suportar depende da capacidade do próprio equipamento, podendo ser 5, 10 ou 15. O HS-DSCH não suporta soft handovers [7]. O HSDPA não é adequado para todo tipo de serviço. O canal é compartilhado entre todos os usuários da célula. Essa característica indica que o atraso máximo não é facilmente garantido e com isso as aplicações que têm requisitos de tempo real deveriam usar canais dedicados e não o HSDPA. O sistema fornece um adequado conjunto de ferramentas, oferecendo uma forma de aumentar a capacidade de tráfego de dados em hot spots. 1.7 O protocolo RLC O protocolo RLC, que pertence à camada de mesmo nome, provê serviços de segmentação e retransmissão tanto para dados de controle como para dados do usuário. A camada RLC procura oferecer um serviço praticamente sem erros para as camadas situadas acima dela. O protocolo pode operar em três modos distintos: no modo não confirmado ou UM (do inglês Unacknowledgement Mode), no modo transparente ou TM (do inglês Transparent Mode), e no modo confirmado ou AM (do inglês Acknowledgement Mode). No modo transparente nenhum overhead é adicionado aos dados da camada superior. Quando ocorre um erro na transmissão de uma PDU (do inglês Packet Data Unit), esta pode ser simplesmente descartada ou apenas marcada como uma PDU com erros. As transmissões neste modo podem ser do tipo streaming de dados, na qual não é segmentada nas camadas superiores. No caso em que uma segmentação ou reagrupamento seja efetuado, isso deve ser negociado no procedimento de configuração da portadora de rádio. No modo não-confirmado nenhum protocolo de retransmissão é utilizado e, com isso, a entrega

32 17 não é garantida. As PDUs com erros são apenas marcadas ou então descartadas, o que vai depender da configuração. No outro par da comunicação é aplicado um descarte baseado em tempo, assim as SDUs (do inglês Service Data Unit) da RLC que não forem transmitidas dentro de um certo tempo serão removidas do buffer de transmissão. A estrutura da PDU inclui números de sequência para que a integridade de PDUs das camadas superiores sejam mantidas. A segmentação e concatenação são obtidas através de campos de cabeçalho adicionados aos dados. Esse modo de transmissão é adequado para serviços de broadcast na célula e também para o serviço de voz sobre IP ou VoIP (do inglês Voice over IP) [6,10]. No modo confirmado um mecanismo ARQ é utilizado para a correção de erros. O número máximo de retransmissões configurado na RLC estabelece um compromisso entre a qualidade do enlace de rádio e o atraso percebido no processo de retransmitir blocos perdidos. Este modo é o mais adequado quando o tráfego de dados é do tipo melhor esforço, como é o caso do tráfego de WWW utilizado neste trabalho. Quando o número máximo de retransmissões estabelecido é atingido, a camada superior é notificada e a SDU da RLC é descartada. Neste ponto, caso o TCP esteja presente nas camadas superiores, este assume o procedimento de reenvio do pacote que teve alguma parte sua perdida, ativando seus mecanismos de controle de congestionamento, o que leva fatalmente a uma perda de desempenho. A RLC pode ser configurada para entrega de dados em sequência ou fora dela. Quando os dados são entregues em sequência a ordem das PDUs da camada superior é mantida enquanto que em entregas fora de sequência, tão logo as PDUs seja recebidas vão sendo transmitidas para cima. 1.8 Apresentação do Problema e Objetivo O TCP, originalmente desenvolvido para ambientes de rede com fio, atua de forma pouco eficiente em ambientes de rede sem fio. Embora em alguns sistemas diversos mecanismos como retransmissões rápidas, curtos tempos de envio e recepção de segmentos e melhores algoritmos de escalonamento sejam empregados, ainda assim o meio sem fio apresenta problemas de frequentes perdas de pacotes. O desempenho dos algoritmos dessas redes são exigidos ao máximo para diminuir os reflexos na camada de transporte e perda de desempenho geral da transmissão. Os segmentos TCP a serem retransmitidos a nível da RLC apresentam um

33 18 aumento considerável do RTT (do inglês Round Trip Time) devido ao processo de retransmissão. De acordo com [8], o enfileiramento médio no Node B pode ser muito significativo, da ordem de segundos, quando a janela de congestionamento atinge o limite imposto pelo buffer do receptor. Em [12] e [13] os autores fazem um estudo da interação entre o TCP e a RLC, abordando a influência do número de retransmissões, o modelo de erros e a influência da janela de recepção no tamanho do buffer da RLC. No primeiro, além da interação entre o TCP e a RLC, propõe-se o estudo com a MAC-hs do HSDPA. No segundo, é proposto um estudo de parâmetros ótimos, porém considerando somente o TCP e a RLC. Em [10] é feito um estudo de integração do TCP sobre redes HSDPA focado nos algoritmos de escalonamento Proportional Fair e Round Robin. O objetivo deste trabalho é a análise das interações entre estes protocolos e com isso estabelecer um cenário onde se configure um melhor conjunto de parâmetros como os tamanhos de buffers de retransmissão da RLC e da MAC-hs atuando conjuntamente com o TCP. Esta forma de abordagem não foi encontrada anteriormente na literatura acadêmica. 1.9 Metodologia Utilizada A partir da delimitação do problema a ser avaliado, a metodologia utilizada segue com o emprego de simulações computacionais dinâmicas de nível sistêmico através de simuladores implementados no decorrer do estudo, modelados com uma boa riqueza de detalhes pertinentes tanto ao funcionamento do protocolo TCP quanto à uma rede móvel do UTRAN, no caso o HSDPA, procurando-se obter um número grande de amostras que evidenciem os resultados obtidos, observando sempre o compromisso entre o custo computacional, no que compete ao tempo de simulação, e a acuidade dos resultados obtidos Estrutura da Dissertação Os próximos capítulos deste trabalho estão organizados de acordo com a sequência: Capítulo 2 - neste capítulo é introduzido a interação do TCP com ambientes sem fio, ressaltando os problemas que ocorrem com essa interação e diversas propostas pesquisadas na literatura que mostram inúmeras formas de lidar com o problema,

34 19 bem como resultados ilustrativos de um simulador simplificado. Capítulo 3 - aqui é apresentada a ferramenta de simulação, no caso o UTRANSim, o cenário e parâmetros utilizados bem como os resultados do funcionamento conjunto entre o módulo que implementa o TCP e o simulador de HSDPA. Capítulo 4 - neste capítulo são apresentadas as conclusões sobre o trabalho e perspectivas de continuidade.

35 Capítulo 2 O TCP e seus problemas em redes sem fio 2.1 Introdução O TCP tem particularidades que o tornam robusto e confiável. Essas características são implementações dos mecanismos de controle de fluxo e de congestionamento, mas em muitas vezes não são adequados às redes sem fio. Neste capítulo serão abordados além destes, outros mecanismos particularizados por algumas versões deste protocolo e também outros detalhes não expostos no Capítulo 1. No final do capítulo serão apresentados alguns resultados ilustrativos do seu funcionamento em uma rede sem fio a partir da implementação de um simulador simplificado. 2.2 Cabeçalho TCP A figura 2.1 exibe as partes do cabeçalho TCP. Segue a descrição dos campos do cabeçalho TCP vistos na figura 2.1 de acordo com a referência [3]. source port/destination port: aplicação da origem e do destino. identificam as portas das camadas de sequence number: normalmente especifica o número assinalado para o primeiro byte de dados na mensagem corrente. Na fase de estabelecimento de uma conexão, pode ser usado como uma identificação da transmissão.

36 21 Figura 2.1: Cabeçalho do protocolo TCP. acknowledgement number: contém o número sequencial do próximo byte de dados que o dispositivo de origem espera receber. header length: número de palavras de 32 bits do cabeçalho TCP. Essa informação é necessária porque o campo options é variável. reserved: reservado para uso futuro. flags: usado para uma variedade de informações de controle. Segue a descrição sucinta de cada um deles: URG: Quando setado em 1 indica que o urgent pointer está sendo utilizado. ACK: é atribuído o valor 1 quando acknowledgement number é válido. Caso seja setado em zero, indicará que o segmento não contém uma confirmação e, nesse caso, o campo acknowledgement number é ignorado. PSH: indica dados com o flag PUSH. Com este bit setado, o receptor é solicitado a entregar os dados para a aplicação mediante sua chegada. RST: é utilizada para reiniciar uma conexão em que tenha ocorrido uma falha. Também é usado para rejeitar um segmento inválido ou para recusar uma conexão.