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

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1 Université Libanaise Faculté de Génie Université de St. Joseph Faculté dIngénierie Etude Analytique et par Simulation des Modèles Hybrides Combinants FEC et ARQ au Niveau Liaison pour des Liens Sans Fil et des Connexions TCP de Longues Durée Préparé par :Ing. Alaeddine AL-FAWAL Dirigé par :Dr. Chadi BARAKAT Présentation de mémoire du DEA Réseaux de télécommunications Sujet Projet effectué au sein du Projet Planète, INRIA, Sophia Antipolis, France Avril 15, 2003

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

3 Liens sans fil : WLAN, GSM, GPRS, UMTS, Satellite, etc. BER élevé (pertes de non-congestion) Sources des erreurs : atténuation, interférence, trajets- multiples, effet Doppler, handoff… TCP : Transport Control Protocol : Transport fiable. 90 % du trafic Internet Partage équitable de la bande passante : perte = congestion Inconvénient majeur : Performance dégradée sur les liens sans fil (taux de perte élevé). Cadre du Projet

4 Solutions : Niveau Transport. Enhancing TCP : SACK, ELN, ECN, TCP Vegas Niveau Liaison : FEC, ARQ, Hybrid FEC/ARQ, etc Niveau Antenne : Antenne intelligente. Notre travail se concentre sur lhybride FEC/ARQ-SR (Modélisation, simulation, optimisation) Cadre du Projet TCPSTP TCP Division de la connexion : STP

5 Cadre du Projet FEC : Forward Error Correction IP Packet K UnitsN-K Units N Units IP Level Link Level Original UnitsRedundant Units Appliquée localement. Code : Reed-Solomon. Paquet divisé en K Unités. On ajoute N-K Unités de redondance. Le paquet est perdu si plus que N-K unités sont erronées.

6 Cadre du Projet ARQ : Automatic Repeat Request IP Packet X LL Frames IP Level Link Level Le paquet IP est divisé en X trames LL (Link Level) à lentrée du lien sans fil. Chaque trame transmise est acquittée par lautre extrémité du lien sans fil par un ACK ou un NACK. Lors de la réception dun NACK, la trame est retransmise localement. Le nombre de retransmission maximale est fixé à une certaine valeur (persistance de ARQ).

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

8 Avantages Inconvénients Déséquencement : ACK dupliqués. Augmentation de RTT. Instabilité de RTT interférence avec TCP Jitter Transmission fiable. Affecte la bande passante seulement lors de lapparition des pertes. Réduit le taux de pertes. Pas de retransmission = pas dinterférence avec TCP Particulièrement Utile pour des BER élevés et des grands délai. Processing over head Consomme de la bande passante. ARQFEC Cadre du Projet

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

10 ARQ-Selective Repeat : Complexe, comparé à Stop&Wait et Go-Back –N. Utilisation efficace de la bande passante Trames retransmises back-to-back. Evite les retransmissions inutiles. FEC / ARQ-SR + in order delivery In-order delivery : Elimine les ACKs dupliqués FEC & ARQ-SR : Pour grouper leurs avantages et minimiser leurs inconvénient lorsquelles sont utilisées séparément. FEC/ARQ-SR : Définition du Modèle Choix des différents mécanismes :

11 FEC : une trame peut être décodée si au moins K de ses unités sont correctement reçues ARQ-SR : Une trame est acquittée par ACK ou NACK. Lors de la réception de NACK (échoue de FEC), la trame est retransmise (prioritaire) Le nombre maximal de retransmission est (persistance de ARQ- SR) FEC/ARQ-SR : Définition du Modèle Modèle appliqué seulement au lien sans fil

12 N : (Nseq=3, i=0) Nack (Nseq=3, i=0) N (Nseq=3, i=1) Nack (Nseq=3, i=1) N : (Nseq=3, i=5) Nack (seq=3, i=5) Wireless inputWireless output ( = 5) i < retransmission i = Pqt à rejeter + (N-K) Unités erronées Exemple de retransmission FEC/ARQ-SR : Définition du Modèle

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

14 Simulateur ns-2. Implémentation du modèle : C++, OTCL, programmation orientée objet, architecture des classes de ns-2. Paramètres de C++ attachés à ceux de OTCL. Paramètres accessibles à travers le script.tcl. p D K N ord X ACK_Size #./ns simulation.tcl 0.01 200ms 5 10 11 1 6 0 FEC/ARQ-SR : Simulations 8000 simulations automatisées par matlab.

15 10 sources TCP. Le lien sans fil est La seule bottleneck. Processus de pertes de Bernoulli. NewReno TCP / Delayed Ack. Connexions de longue durée : 2000s. Scénarios des simulations FEC/ARQ-SR : Simulations

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

17 FEC consomme de la BP : N : Util borne supérieure : K / N 10 connexions : FEC seule ( = 0) p = 0.01 (P = 0.45) D = 20, 100, 200 ms FEC/ARQ-SR : Simulations Utilsation = Débit

18 La livraison en ordre est nécessaire pour maximiser lutilisation Délai augmente : On a besoin dun plus grande. Util = f( ) : est croissante 10 connexions : ARQ-SR seule (N = K) p = 0.01 (P = 0.45) D = 20, 100, 200 ms Ord = 0, 1 FEC/ARQ-SR : Simulations

19 ARQ-SR seule est mieux que FEC seule FEC inutile 10 connexions : FEC/ARQ-SR p = 0.01 (P = 0.45) D = 200 ms Ord = 1 = 0, …, 5 FEC/ARQ-SR : Simulations

20 ARQ-SR seule est plus importante lorsque p ou D diminuent 10 connexions : FEC/ARQ-SR p = 0.001 (P = 0.058) D = 200 ms Ord = 1 = 0, …, 5 FEC/ARQ-SR : Simulations

21 FEC seule : On a besoin plus de redondances ARQ-SR seule : O n a besoin dune plus grande FEC/ARQ-SR : FEC est nécessaire pour achever une utilisation optimale. 1 connexion seule : FEC/ARQ-SR p = 0.01 D = 200 ms Ord = 1 = 0, …, 5 FEC/ARQ-SR : Simulations

22 U = f( ) toujours croissante 1 connexion seule : ARQ-SR seule p = 0.01 (P = 0.45) D = 20, 100, 200 ms Ord = 0, 1 FEC/ARQ-SR : Simulations

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

24 Processus de pertes de Bernoulli (p). Modèle pour TCP (longue durée 2000s). C. Barakat, TCP modeling and validation, IEEE Network, vol. 15, no. 3, pp. 38-47, May 2001. NewReno S : taille du paquet TCP. (1 – P) : pertes sur le lien sans fil. b = 2,Delayed ACk Utilisation du lien sans fil : Facteur à calculer : P, A et α. FEC/ARQ-SR : Modèle Analytique B = bande passante. R = throughput de TCP. C = nb. Des connexions. α : Ce coefficient présente la partie de la bande passante gaspillée sur FEC et sur les retransmissions par ARQ-SR

25 Calcul de P : proba de pertes des paquets TCP P T : proba quun essaie de transmission dune trame échoue. P F : proba que les +1 essaies échouent. Calcul de α : FEC/ARQ-SR : Modèle Analytique

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

27 1ère étape : calcul de tps de transmission : Hypothèses : Tailles des ACKs de ARQ = 0. Les trames ARQ sont rapidement acquittées. Processing time de FEC = 0. Queing time dans les routeurs égales à zéro. Produit délai*bande-passante > la taille dun paquet TCP 2ème étape : délai dû à la priorité des retransmissions. n i = nb des trames retransmises devant la trame i FEC/ARQ-SR : Modèle Analytique Calcul de A : valeur moyenne de RTT.

28 3ème étape : délai de réséquencement. F. Baccelli, E. Gelenbe, B. Plateau, An end-to-end approach to the resequencing problem, Journal of the ACM, vol. 31, no. 3, pp. 474-485, July 1984. 2 propositions : Arrivée Poissoniènne (Baccelli : lien légèrement chargé) : Arrivée déterministe : FEC/ARQ-SR : Modèle Analytique Calcul de A : valeur moyenne de RTT.

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

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

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

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

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

34 Résultats des simulations FEC/ARQ-SR : Optimisation 10 connexions TCP pD δ XKNUtilisation 0.25 100ms 510011 26.25731 0.25 100ms 1010011 74.10431 0.25 100ms 51100150 65.9469 0.25 100ms 510 150 56.56213 Vérification complète de lanalyse effectuée.

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

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

37 ARQ-SR : Une trame est acquittée par ACK ou NACK. Lors de la réception de NACK (échec de FEC), la trame est retransmise (prioritaire) Le nombre maximal de retransmission est (persistance de ARQ-SR) FEC : Appliquée aux trames retransmises et non pas aux trames originales Une trame est décodée si au moins K de ses unités sont correctement reçues ARQ-SR-Protégée-Par-FEC : Définition du Modèle

38 10 sources TCP. Le lien sans fil est La seule bottleneck. Processus de pertes de Bernoulli. NewReno TCP / Delayed Ack. Connexions de longue durée : 2000s. Scénarios des simulations ARQ-SR-Protégée-Par-FEC : Simulations

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

40 P = 0.01 ; D = 200 ms ; livraison en ordre activée Résultats des simulations (modèle implémenté dans ns-2) ARQ-SR-Protégée-Par-FEC : Simulations

41 P = 0.001 ; D = 200 ms ; livraison en ordre activée Résultats des simulations ARQ-SR-Protégée-Par-FEC : Simulations

42 C. Barakat, TCP modeling and validation, IEEE Network, vol. 15, no. 3, pp. 38-47, May 2001. ARQ-SR-Protégée-Par-FEC : Modèle Analytique Processus de pertes de Bernoulli (p). Modèle pour TCP (longue durée 2000s). NewReno S : taille du paquet TCP. (1 – P) : pertes sur le lien sans fil. b = 2,Delayed ACk Utilisation du lien sans fil : Facteur à calculer : P, A et α. B = bande passante. R = throughput de TCP. C = nb. Des connexions. α : Ce coefficient présente la partie de la bande passante gaspillée sur FEC et sur les retransmissions par ARQ-SR

43 Probabilité de pertes dune trame originale Probabilité de pertes dune trame retransmise Calcul de P : proba de pertes des paquets TCP P F : proba que les +1 essaies échouent. Calcul de α : ARQ-SR-Protégée-Par-FEC : Modèle Analytique

44 Optimisation de α optimisation de lutilisation Il reste le calcul de RTT Mais Vérification de α : α est parfaitement verifiée p = 0.01 = 5 ARQ-SR-Protégée-Par-FEC : Modèle Analytique

45 Optimisation de Intuitivement : améliorer ARQ-SR est plus avantageux quaméliorer FEC K petite ARQ-SR seule est mieux : K optimale égale à 1 Le taux de FEC maximal est de K/N=0.5 ARQ-SR-Protégée-Par-FEC : Optimisation p δ XKN 10-43100120.9999 5.10-43100120.9993 10-34100120.9985 5.10-35100120.9925 10-25100120.9851

46 Les simulations vérifient lanalyse Résultats des Simulations 10 connexionsD [ms]p δ XKNUtilisation ARQ-SR2000.0151001197.8 ARQ-SR-Protégée2000.0151001296.8 ARQ-SR1000.25101001174 ARQ-SR-Protégée1000.25101001269 ARQ-SR-Protégée1000.2510502351.6 ARQ-SR-Protégée1000.2510254650.9 ARQ-SR-Protégée-Par-FEC : Optimisation

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

48 p Délai X K N Utilisation 0.01 2ms 6 10 5 12 19.2 Pour N = 10, 11, 13 lutilisation de 18.8.. avec FEC/ARQ-SR, lutilisation de 90. FEC / ARQ-Stop&Wait : FEC / ARQ-SR : FEC-ARQ-Stop&Wait Avec ARQ-SR les trames sont transmises Back-to-back, mais ce nest pas le cas pour ARQ-Stop&Wait :

49 Tps entre la transmission dune 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] δKNordXutilisation 0.011510111690.29115 0.011510 1690.22511 FEC-ARQ-Stop&Wait

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

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

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

53 Conclusions Implémentation de 3 modèles dans ns-2. On a traité 2 modèles analytique. Implémentations de 2 modèles en matlab. Optimisation de 2 modèles. Outils : Théories des proba et des processus stochastiques. ns-2 (C++, Otcl) Matlab. AWK. Gnuplot Publication : Alaeddine AL FAWAL, Chadi BARAKAT, « Simulation-Based Study Of Link-Level Hybrid FEC/ARQ-SR For Wireless Links and Long-Lived TCP traffic », WiOpt03 : 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 ».

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