análise de desempenho de algoritmos de controle de congestionamento tcp utilizando o simulador ns-2

ALUNO: FELIPE ALEX MARTINS DE SOUZA ORIENTADOR: PROF. MARCOS DANTAS ORTIZ

Motivação Introdução Objetivos (Geral e especifico) Referencial Teórico Procedimentos Metodológicos Configuração dos Cenários Análise dos cenários Conclusão Referências

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Auxiliará um administrador de rede na escolha de qual algoritmo de controle de congestionamento utilizar.

melhor desempenho para cada tipo de congestionamento identificado.

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Aumento de dispositivos = Aumento de demanda

Criação de protocolos mais sofisticados

Envio de dados > capacidade de processamento

Congestionamento ▪ Camada de Rede e Transporte (TCP)

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Identificar entre os algoritmos de congestionamento TCP qual algoritmo apresenta melhor desempenho no controle de congestionamento em diferentes cenários.

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Criar cenários de rede com aspectos que podem afetar ou não a avaliação de desempenho (fatores) e valores usados para cada um dos fatores (níveis) diferentes.

Implantar, configurar e utilizar o ambiente do simulador NS2 para a execução dos cenários de rede.

Avaliar os algoritmos de congestionamento TCP

através dos resultados obtidos das simulações.

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PROTOCOLO TCP

CONTROLE DE CONGESTIONAMENTO Algoritmos de controle de congestionamento TCP

▪ TCP TAHOE ▪ TCP RENO ▪ TCP VEGAS ▪ TCP NEWRENO ▪ TCP SACK ▪ TCP FACK

SIMULAÇÃO Simulador Network Simulator (NS-2)

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Orientado a conexão Entrega confiável

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Envio de dados > capacidade de processamento Timeout, ACKs Duplicados.

Limitar o Envio de dados pelo emissor diminuindo a sua taxa de transmissão;

Criação de Algoritmos de Congestionamento

TCP Tahoe, TCP Reno, TCP Vegas, TCP NewReno, TCP Sack, TCP Fack.

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Primeiro algoritmo de congestionamento.

Slow Start(Inicialização Lenta)

Janela de Congestionamento CWND

Congestionamento detectado = Slow Start e Congestion Avoidance

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Resolver problema de desempenho do Tahoe.

Slow Start, Congestion Avoidance, Fast Retrasmit e Fast Recovery.

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Evita congestionamento de forma pró ativa; Reenvio no primeiro ACK Duplicado

Aumento exponencial após dois segmentos;

Utiliza dois temporizadores;

Primeiro temporizador = fazer calculo do fluxo da rede para saber a capacidade disponível

VazãoReal(Valor CWND/tempo. atual) e VazãoEsperada(Valor CWND/

menor temporizador); Calculo da diferença das variáveis de forma pró-ativa, depois ajusta janela

CWND pelas mudanças do temporizador

Temporizador pequeno = aumento da CWND;

Temporizador grande = rede congestionada e diminui a CWND;

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Segmento é enviado: Leitura de relógio interno e armazena instante de tempo

Recebimento do ACK: Leitura de relógio interno = calcula o tempo estimado do

temporizador usando a vazão real e a vazão esperada Valor registrado na timestamp

Utiliza a timestamp, para decisão de retransmissão em duas situações: Quando um ACK duplicado chegar:

▪ Se (tempo atual - tempo armazenado) > timeout ▪ O segmento é retransmitido sem ter que esperar pelo terceiro ACK duplicado ou pelo estouro

de tempo de retransmissão.

Se um ACK que não é duplicado é reconhecido e se ele for o primeiro ou o segundo após uma retransmissão: ▪ checa se o tempo desde que ele foi enviado é maior que o tempo do timeout. Se

for maior, o segmento é retransmitido.

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Otimizar o TCP Reno Reno com reconhecimentos parciais em uma única janela

CWND = Utiliza muito o Congestion Avoidance. Reduzindo a transmissão seguidas vezes

Reconhecimentos Parciais = pacote perdido Retransmissão.

NewReno Utiliza Fast Recovery de forma diferenciada:

não espera um estouro de timeout no caso de reconhecimentos parciais

Se mantém no Fast Retransmit (reconhecimentos parciais) Retransmite todos os pacotes por RTT

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TCP New Reno só sai da fase Fast Recovery quando recebe a confirmação de todos os pacotes que foram enviados nesta fase.

Otimizar o Reno Perdas de vários segmentos Retransmissão fica lenta, muitos reenvios.

Objetivo de recuperar múltiplos segmentos perdidos em um RTT.

Receptor envia no ACK a informação dos segmentos já recebidos. Transmissor sabe exatamente que segmentos foram

perdidos, podendo retransmiti-los.

Melhora da largura de banda disponível 16

O SACK utiliza o campo "Options" do cabeçalho TCP para transportar as informações sobre os segmentos recebidos.

SACK estará em funcionamento apenas em ACKs Duplicados ou reconhecimentos parciais

Caso receba um segmento fora de ordem, armazenará os segmentos em um bloco contíguo e informará ao emissor o sequencial desses dados pelo campo Options do TCP.

No campo Acknowledgement Number envia o número de sequencia recebido + 1, ou seja, o TCP Sack não altera o valor desse campo no TCP.

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Utiliza informações adicionais do TCP Sack Medida do número de dados circulando a rede

Objetivo é utilizar as informações do TCP Sack para

ter um controle mais preciso para injetar dados na rede

TCP Reno e TCP Sack Cada Ack duplicado é um segmento perdido

Já o TCP Fack faz a estimativa utilizando duas

variaveis snd.fack e retran_data

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snd.fack é atualizada para refletir os dados mantidos pelo receptor Atualização é feita pelo número de confirmações no cabeçalho TCP e é o mesmo que a

variável snd.una (indica o número de sequencia do primeiro byte do pacote enviado e ainda não reconhecido.). Algoritmos remetente que tratam de transporte confiável, continuam a usar a variável

snd.una de estado existente. Algoritmos remetente que abordam a gestão dos congestionamentos são alteradas para usar

snd.fack, que fornece uma visão mais precisa para o estado da rede

Durante a recuperação; Remetente continua atualizando a variável snd.una do numero de confirmação do cabeçalho TCP No mesmo tempo, utiliza-se as informações contidas no TCP Sack para atualizar snd.fack. Quando um bloco do Sack é recebido, e os reconhecimentos de dados com um número de sequencia mais alto do que o valor atual de snd.fack, snd.fack é atualizado para refletir o número de sequencia mais alto conhecido

A variável awnd é a estimativa do remetente da quantidade real de dados em circulação na rede(Se todos os seg. não confirmados não deixaram a rede).

awnd = snd.nxt - snd.fack

snd.nxt contém o sequence number do próximo dado a ser transmitido.

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Durante a recuperação(retransmissão de dados)

Calcula retran_data, que reflete a quantidade de circulação de dados retransmitidos na rede.

Segmento Retransmitido = atualiza retran_data, que é aumentada pelo valor do segmento.

Segmento Deixando a rede = atualiza retran_data, que é diminuída pelo valor do segmento

Portanto estimativa TCP da quantidade de dados pendentes na rede durante a recuperação é dada por:

awnd = snd.nxt - snd.fack + retran_data

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Reno invoca o Fast Recovery com 3 segmentos duplicados Atraso desnecessário(segmentos perdidos antes dos 3 reconhecimentos duplicados)

TCP Fack o ajuste da cwnd e retransmissão são acionados receptor informando que a fila de remontagem é maior que 3 segmentos

if ((snd.fack - snd.una) > (3 * MSS) ||(dupacks == 3)) { ... }

Se exatamente um segmento é perdido, os dois algoritmos

desencadeiam recuperação exatamente no mesmo reconhecimento duplicado

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Importante elemento para experimentos em redes.

Custo baixo;

Imita características de redes reais; Prevê desempenho, comparação de

arquiteturas;

Execução em tempo de máquina.

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Código aberto; Utilizado em pesquisas acadêmicas; Eventos discretos e orientado a objetos; Suporte a protocolos de comunicação, como TCP e

UDP, modelos de tráfego, como CBR e VBR; algoritmos de roteamento, como DSR e AODV; alguns protocolos da camada MAC, etc.

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8 passos citados por Hassan e Jain(2004). Definição do Objetivo de estudo; Modelo de rede e seleção de parâmetros fixos;

▪ Rede RNP; parâmetros fixos:capacidade dos enlaces, retardos.

Seleção de Métricas de Desempenho; ▪ Descartes, Pacotes Recebidos e Utilização de link.

Parâmetros variáveis; ▪ Percentual de geradores de tráfego.

Escolha da técnica de simulação e análise; Configurar o software de simulação; Executar o programa e coletar os dados; Apresentar e interpretar os resultados.

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Modelos

Parâmetros de Rede

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Cenários de rede que simulam as conexões das topologias da RNP.

Todos os enlaces das topologias possuem: buffer finito, com pequena capacidade.

Os enlaces são Full-Duplex e utilizam a disciplina de fila FIFO (First-In First-Out).

Executados em simulações de 10 segundos

cada.

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Parâmetros fixos:

Capacidade dos enlaces

Retardos

Parâmetro variável:

Percentual de geradores de tráfego

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Capacidade dos enlaces 5Mb e 2Mb com exceção das ligações entre (1) Ceará e Roraima e

(2) Pará e Amapá, que tem capacidade inferior.

Retardos De acordo com as distancias físicas dos enlaces

▪ Ceará e Minas Gerais com 20ms de retardo.

▪ Ceará e Rio Grande do Norte com 10ms de retardo.

Percentual de geradores de tráfego Número de enlaces da topologia (50%, 70%, 80%)

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Rede RNP Antiga 34 enlaces:

▪ 50% = 17 geradores de tráfego (9 FTP e 8 CBR)

▪ 70 % = 25 geradores de tráfego (13 FTP e 12 CBR)


Rede RNP ATUAL 36 enlaces (Ceará com Rio de Janeiro e Ceará com Brasília):

▪ 50% = 18 geradores de tráfego(9 FTP e 9 CBR)



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De acordo com o número de algoritmos de congestionamento utilizados e o número de parâmetros variáveis, foram criados 36 cenários de rede (18 cenários na topologia antiga da RNP e 18 cenários na topologia atual).

Os Geradores de tráfego FTP começam a transmitir com 0,1 segundo e os tráfegos CBR começam com 0,5 segundos

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Criação de Scripts em Shell: Para Descartes, foi criado um script que foi verificado a quantidade de

pacotes que foram descartados durante os 10 segundos de simulação, em períodos de 0,5 segundos, verificando os pacotes FTP perdidos.

Para a taxa de Pacotes Recebidos, script com características parecidas com o script de descartes

Para a Utilização do Canal, script para analisar o link entre os nós Goiás e Distrito Federal, link com 5Mb de capacidade, trafegando dados FTP e CBR simultaneamente ocorrendo congestionamento mas com poucos descartes.

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Rede RNP Antiga

Descartes

Pacotes Recebidos

Utilização do link

Rede RNP Atual

Descartes

Pacotes Recebidos

Utilização do link

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Algoritmos de Controle de Congestionamento TCP trazem vantagens para o protocolo mais utilizado na Internet - TCP.

TCP Vegas tem o melhor desempenho comparado aos outros algoritmos nas três métricas analisadas, tanto na rede antiga da RNP quanto na rede atualmente utilizada. Isso se deve a sua pró-atividade em monitorar o estado da rede, utilizando as variáveis vazão real e vazão esperada, controlando o congestionamento na rede.

TCP Tahoe e os outros algoritmos que se baseiam em alguns mecanismos desta implementação tiveram um desempenho pior quando comparado ao TCP Vegas. Isso comprova a importância da criação de um algoritmo de controle de congestionamento que não se baseia na perda de dados para diminuir o envio de dados, mas sim um algoritmo de controle de congestionamento que se baseia no resultado de variáveis que informam a situação da rede.

Melhora na topologia da RNP com sua atualização, que suporta o envio de mais dados na rede e tem mais opções de redundância com o aumento do número de links.

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FIM

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