Universit Libanaise Facult de Gnie Universit de St

Université Libanaise Faculté de Génie Université de St. Joseph Faculté d’Ingénierie Présentation de mémoire du DEA Réseaux de télécommunications Sujet 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 Projet effectué au sein du Projet Planète, INRIA, Sophia Antipolis, France Avril 15, 2003

PLAN Cadre du Projet FEC / ARQ-SR : Définition du Modèle FEC / ARQ-SR : Simulations FEC / ARQ-SR : Modèle Analytique FEC / ARQ-SR : Optimisation ARQ-SR-Protégée-Par-FEC / ARQ-Stop&Wait Perspectives Conclusions

Cadre du Projet Liens sans fil : ü WLAN, GSM, GPRS, UMTS, Satellite, etc. ü BER élevé (pertes de non-congestion) Sources des erreurs : atténuation, interférence, trajetsmultiples, effet Doppler, handoff… TCP : Transport Control Protocol : ü Transport fiable. ü 90 % du trafic Internet ü 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. ü ü Enhancing TCP : SACK, ELN, ECN, TCP Vegas Division de la connexion : STP TCP STP Niveau Liaison : ü 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 FEC : Forward Error Correction IP Packet N-K Units IP Level K Units Link Level N Units Redundant Units Original Units ü Appliquée localement. ü Code : Reed-Solomon. ü Paquet divisé en K Unités. ü On ajoute N-K Unités de redondance. ü Le paquet est perdu si plus que N-K unités sont erronées.

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

Cadre du Projet ARQ FEC Avantages ü Transmission fiable. ü Réduit le taux de pertes. ü Affecte la bande passante seulement lors de l’apparition des pertes. ü Pas de retransmission = pas d’interférence avec TCP ü Particulièrement Utile pour des BER élevés et des grands délai. Inconvénients ü Déséquencement : ACK dupliqués. ü Processing over head ü Augmentation de RTT. ü Consomme de la bande passante. ü Instabilité de RTT interférence avec TCP üJitter

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FEC/ARQ-SR : Définition du Modèle FEC / ARQ-SR + in order delivery Choix des différents mécanismes : 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. 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 FEC : une trame peut être décodée si au moins K de ses unités sont correctement reçues Modèle appliqué seulement au par lien. ACK sansou fil. NACK. • Une trame est acquittée ARQ-SR : • Lors de la réception de NACK (échoue de FEC), la trame est retransmise (prioritaire) • Le nombre maximal de retransmission est (persistance de ARQSR)

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FEC/ARQ-SR : Simulations Simulateur Ø ns-2. Ø Implémentation du modèle : C++, OTCL, programmation orientée objet, architecture des classes de ns-2. Ø Paramètres de C++ attachés à ceux de OTCL. Ø Paramètres accessibles à travers le script. tcl. p D K N ord X ACK_Size #. /ns simulation. tcl 0. 01 200 ms 5 10 11 1 6 Ø 8000 simulations automatisées par matlab. 0

FEC/ARQ-SR : Simulations Scénarios des simulations ü 10 sources TCP. ü Le lien sans fil est La seule bottleneck. ü Processus de pertes de Bernoulli. ü New. Reno TCP / Delayed Ack. ü Connexions de longue durée : 2000 s.

FEC/ARQ-SR : Simulations Scénarios des simulations Paramètres d’entrée : p, D, X, K, BP K = 10 X X=6 Taille des Pkts = 1500 bytes K Paramètres à optimiser : N, . X meilleure utilisation K

FEC/ARQ-SR : Simulations 10 connexions : FEC seule ( = 0) Utilsation = Débit • p = 0. 01 (P = 0. 45) • D = 20, 100, 200 ms ü FEC consomme de la BP : ü borne supérieure : K / N N : Util

FEC/ARQ-SR : Simulations 10 connexions : ARQ-SR seule (N = K) • p = 0. 01 (P = 0. 45) • D = 20, 100, 200 ms • Ord = 0 , 1 ü La livraison en ordre est nécessaire pour maximiser l’utilisation ü Délai augmente : On a besoin d’un plus grande. ü Util = f( ) : est croissante

FEC/ARQ-SR : Simulations 10 connexions : FEC/ARQ-SR • p = 0. 01 (P = 0. 45) • D = 200 ms • Ord = 1 • = 0, … , 5 ü ARQ-SR seule est mieux que FEC seule ü FEC inutile

FEC/ARQ-SR : Simulations 10 connexions : FEC/ARQ-SR • p = 0. 001 (P = 0. 058) • D = 200 ms • Ord = 1 • = 0, … , 5 ü ARQ-SR seule est plus importante lorsque p ou D diminuent

FEC/ARQ-SR : Simulations 1 connexion seule : FEC/ARQ-SR • p = 0. 01 • 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.

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FEC/ARQ-SR : Modèle Analytique Ø Processus de pertes de Bernoulli (p). Ø Modèle pour TCP (longue durée 2000 s). New. Reno S : taille du paquet TCP. (1 – P) : pertes sur le lien sans fil. C. Barakat, ”TCP modeling and validation”, IEEE Network, vol. 15, no. 3, pp. 38 -47, May 2001. b = 2 , Delayed ACk Ø Utilisation du lien sans fil : 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 Ø Facteur à calculer : P, A et α.

FEC/ARQ-SR : Modèle Analytique Ø Calcul de P : proba de pertes des paquets TCP ü PT : proba qu’un essaie de transmission d’une trame échoue. ü PF : proba que les +1 essaies échouent. Ø Calcul de α :

FEC/ARQ-SR : Modèle Analytique Calcul de A : valeur moyenne de RTT. 3 quantités : ü Tps pris par un paquet pour être correctement transmis sur le lien sans fil. ü Délai dû à la priorité des retransmissions ARQ à l’entrée du lien sans fil. ü Délai du réséquencement des paquets à la sortie du lien sans fil.

FEC/ARQ-SR : Modèle Analytique Calcul de A : valeur moyenne de RTT. Ø 1ère étape : calcul de tps de transmission : Hypothèses : q Tailles des ACKs de ARQ = 0. q Les trames ARQ sont rapidement acquittées. q Processing time de FEC = 0. q Queing time dans les routeurs égales à zéro. q Produit délai*bande-passante > la taille d’un paquet TCP Ø 2ème étape : délai dû à la priorité des retransmissions. ni = nb des trames retransmises devant la trame i

FEC/ARQ-SR : Modèle Analytique Calcul de A : valeur moyenne de RTT. Ø 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 : ü Arrivée Poissoniènne (Baccelli : lien légèrement chargé) : ü Arrivée déterministe :

FEC/ARQ-SR : Vérification du Modèle Analytique Le modèle est implémenté dans matlab. FEC seule analyse ü FEC seule : modèle parfaitement vérifié ü Pas du délai de réséquencement simulation

Modèle hybride : FEC/ARQ-SR Ressemblance: U très grande Ressemblance: U < 50% 2 propositions complémentaires

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FEC/ARQ-SR : Optimisation = maximisation de l’utilisation. Paramètre à optimiser : K, X, N, . Très grande. Condition de fonctionnement optimal de ARQ-SR: trame de petite taille (K petite). • PT diminue. • Retransmission d’une petite quantité Par contre Condition de fonctionnement optimal de FEC : longue trame (grande K). C. Barakat, E. Altman, ”Bandwidth tradeoff between TCP and link-level FEC”, Computer Networks, vol. 39, no. 2, pp. 133 -150, Jun. 2002.

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

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ARQ-SR-Protégée-Par-FEC : Définition du Modèle ARQ-SR-Protégée-Par-FEC + in order delivery FEC appliquée seulement aux trames retransmises. Idée : ü Garder l’efficacité de ARQ-SR. ü Diminuer la quantité de la bande consommée par FEC. ü Diminuer et par suite le RTT.

ARQ-SR-Protégée-Par-FEC : Définition du Modèle 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 : Simulations Scénarios des simulations ü 10 sources TCP. ü Le lien sans fil est La seule bottleneck. ü Processus de pertes de Bernoulli. ü New. Reno TCP / Delayed Ack. ü Connexions de longue durée : 2000 s.

ARQ-SR-Protégée-Par-FEC : Simulations Scénarios des simulations Paramètres d’entrée : p, D, X, K, BP K = 10 X=6 Taille des Pkts = 1500 bytes Paramètres à optimiser : N, .

ARQ-SR-Protégée-Par-FEC : Simulations Résultats des simulations (modèle implémenté dans ns-2) P = 0. 01 ; D = 200 ms ; livraison en ordre activée

ARQ-SR-Protégée-Par-FEC : Modèle Analytique Ø Processus de pertes de Bernoulli (p). Ø Modèle pour TCP (longue durée 2000 s). New. Reno S : taille du paquet TCP. (1 – P) : pertes sur le lien sans fil. C. Barakat, ”TCP modeling and validation”, IEEE b = 2 , Delayed ACk Network, vol. 15, no. 3, pp. 38 -47, May 2001. Ø Utilisation du lien sans fil : 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 Ø Facteur à calculer : P, A et α.

ARQ-SR-Protégée-Par-FEC : Modèle Analytique Ø Calcul de P : proba de pertes des paquets TCP Probabilité de pertes d’une trame originale Probabilité de pertes d’une trame retransmise ü PF : proba que les +1 essaies échouent. Ø Calcul de α :

ARQ-SR-Protégée-Par-FEC : Modèle Analytique Il reste le calcul de RTT Mais Optimisation de α optimisation de l’utilisation Vérification de α : • p = 0. 01 • =5 α est parfaitement verifiée

ARQ-SR-Protégée-Par-FEC : Optimisation Ø Optimisation de Ø Intuitivement : améliorer ARQ-SR est plus avantageux qu’améliorer FEC K petite p 10 -4 5. 10 -4 10 -3 δ 3 3 4 X 100 100 K 1 1 1 N 2 2 2 0. 9999 0. 9993 0. 9985 5. 10 -3 10 -2 5 5 100 1 1 2 2 0. 9925 0. 9851 Ø 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 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 Les simulations vérifient l’analyse

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FEC-ARQ-Stop&Wait FEC / ARQ-Stop&Wait : p Délai X K N Utilisation 0. 01 2 ms 6 10 5 12 19. 2 Pour N = 10, 11, 13 l’utilisation de 18. 8. . FEC / ARQ-SR : avec FEC/ARQ-SR, l’utilisation de 90. Avec ARQ-SR les trames sont transmises Back-to-back, mais ce n’est pas le cas pour ARQ-Stop&Wait :

FEC-ARQ-Stop&Wait 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

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Perspectives L’étude peut se prolonger selon 2 axes principaux : Ø Des connexions TCP de courte durée. üPas de temps pour adapter les temporisateurs avec ARQ-SR. Ø Des Trafics sensibles au délai et à la gigue (real time traffic, voice and video streams, …). üFEC peut être plus intéressant. üARQ-SR-Protégée-Par FEC diminue le RTT et la gigue de ARQSR seule ( plus petite).

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Conclusions Ø Implémentation de 3 modèles dans ns-2. Ø On a traité 2 modèles analytique. Ø Implémentations de 2 modèles en matlab. Ø Optimisation de 2 modèles. Ø Outils : ü Théories des proba et des processus stochastiques. ü ns-2 (C++, Otcl) ü Matlab. ü AWK. ü 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 » , Wi. Opt’ 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 » .