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UNIVERSITE LIBANAISE UNIVERSITE SAINT-JOSEPH

(Faculté de Génie) (Faculté d'Ingénierie)


Sous l'égide de l'Agence Universitaire de la Francophonie

AUF


Diplôme d'Etudes Approfondies

Réseaux de télécommunications

Projet effectué au sein du Projet Planète, INRIA (Institue National de Recherche en Informatique et en Automatique), Sophia Antipolis, France.
Sujet
Analyse et Optimisation du Modèle Hybride FEC/ARQ-SR Appliqué au Niveau de la Couche Liaison des Liens Sans Fil pour des Connexions TCP de Longue Durée
Par
Alaeddine Al Fawal

Encadré par : M. Chadi Barakat, INRIA.

Soutenance le 15 Avril 2003 devant le jury composé de
MM. Samir Tohmé Président

Mohamad Zoaeter Membre Wajdi Najem Membre

Imad Mougharbel Membre

Nicolas Rouhana Membre

Mahmoud Doughan Membre

Maroun Chamoun Membre

Remerciements
D’abord je profite de cette occasion pour adresser mes sincères remerciements à M. Mohamad ZOAETER, doyen de la faculté de génie de l’université libanaise, M. Wajdi NAJEM, doyen de l’école supérieure d’ingénierie de Beyrouth, M. Samir TOHME et M. Imad MOUGHARBEL, responsables scientifique et administratif du DEA, pour leur gestion sage et les bonnes conditions d’études qu’ils nous ont procurées.

Je tiens également à remercier vivement M. Walid DABBOUS, le responsable du projet PLANETE. Il m’a fait bénéficier de ses conseils et ses compétences, soulignant ainsi l’intérêt qu’il porte à mes travaux. Je le remercie pour m’avoir accueilli dans son projet.

Je ne trouve pas les mots pour exprimer ma gratitude envers M. Chadi BARAKAT, mon directeur de stage. Ses conseils et ses encouragements ont permis à ce travail d’aboutir. Ses capacités scientifiques et ses compétences étaient mon grand support. Faire mon projet sous sa direction était pour moi un grand honneur et un immense bonheur. La liberté qu’il m’a accordé et les responsabilités qu’il m’a confiées ont beaucoup contribué à la formation de ma personnalité et à mon autonomie de travail.

Je dois aussi une grande partie de mon travail à M. Mahmoud DOUGHAN. Ses conseils m’ont aidé à surmonter beaucoup de difficultés. Je le remercie chaleureusement pour sa pédagogie, sa patience, sa disponibilité et son dévouement.

Mes remerciements vont aussi à tous les membres du jury. Je les remercie pour le soutien et l’attention qu’ils nous ont prêtés pendant toute la durée du DEA.

Je tiens aussi à remercier tous les gens du projet PLANETE, chercheurs, thésards, stagiaire et visiteurs, pour leur disponibilité, leur sympathie, et pour l’ambiance amicale qui règne au sein du projet. Je remercie particulièrement Mme Aurélie RICHARD, assistante du projet, pour sa disponibilité et sa bonne humeur.

Enfin je ne peux pas oublier les gens de la faculté de génie I de l’université libanaise où était le début de mon chemin scientifique. Je les remercie sincèrement pour m’avoir donner ce niveau d’ingénieur, ce niveau qui a constitué mon véritable appui et mon support durant ce travail et il le fera le long du mon chemin professionnel¡K

Résumé


Puisque le protocole TCP utilise la perte des paquets comme une indication de congestion du réseau, sa performance se dégrade sur les liens sans fil, qui sont caractérisés par un taux d'erreurs élevé. Différentes solutions sont proposées pour améliorer la performance de TCP sur les liens sans fil, la plus prometteuse étant l'utilisation d'un modèle hybride combinant, au niveau de la couche liaison, FEC, ARQ-SR (Automatic Repeat Request with Selective Repeat), et la livraison en-ordre des paquets à IP. L'inconvénient de FEC est qu'elle consomme une partie supplémentaire de la bande passante pour transmettre ses informations redondantes. ARQ-SR ne consomme pas beaucoup de bande passante, son problème est qu'elle augmente le délai aller-retour RTT des paquets, qui peut détériorer la performance de TCP, si elle n ‘est pas appliquée convenablement.

Nous étudions dans ce rapport la performance de TCP sur un lien sans fil disposant du mécanisme hybride FEC/ARQ-SQ. L'étude est faite en simulant et en modélisant analytiquement des transferts TCP de longue durée sur des liens sans fil présentants des erreurs de Bernoulli. Nous sommes motivés par savoir comment on doit régler les différents paramètres du modèle, par exemple la quantité de FEC à utiliser, la persistance de ARQ, les tailles des trames et des paquets, afin d’optimiser la performance de TCP. Nous présentons une étude très détaillée des impacts des différents paramètres du modèle sur la performance de TCP. Cette étude est couronnée par une optimisation du modèle en fonction des caractéristiques physiques du lien sans fil (délai, taux d'erreur) et de la charge de trafic (nombre de connexions TCP). La même procédure est répétée pour un autre mécanisme hybride, ARQ-SR-protégée-par-FEC. Aussi, On trouve dans ce rapport une comparaison entre les deux mécanismes.

Mots-clés :

TCP, liens sans fil, FEC, ARQ, mécanisme hybride FEC/ARQ, modélisation, NS-2, simulation, évaluation de performance.


Références :

Alaeddine AL FAWAL, Chadi BARAKAT, « Simulation-Based Study Of Link-Level Hybrid FEC/ARQ-SR For Wireless Links and Long-Lived TCP traffic », WiOpt’03 : Modeling and Optimization in Mobile, Ad Hoc and Wireless Networks, Sophia Antipolis, France, March 2003.


Chadi BARAKAT, Alaeddine AL FAWAL, « Analysis of link-level hybrid FEC/ARQ-SR for wireless links and long-lived TCP traffic », INRIA research report No 4752, February 2003.

Abstract


Since the TCP protocol uses the loss of packets as an indication of network congestion, its performance degrades over wireless links, which are characterized by a high bit error rate. Different solutions have been proposed to improve the performance of TCP over wireless links, the most promising one being the use of a hybrid model at the link-level combining FEC, ARQ-SR (Automatic Repeat Request with Selective Repeat), and an in-order delivery of packets to IP. The drawback of FEC is that it consumes some extra bandwidth to transmit the redundant information. ARQ-SR does not consume much bandwidth, its drawback is that it increases the round-trip time (RTT), which may deteriorate the performance of TCP, if not done appropriately.

We study in this paper the performance of TCP over a wireless link implementing hybrid FEC/ARQ-SQ. The study is done by simulating and modeling long-lived TCP transfers over wireless links showing Bernoulli errors. We are motivated by how to tune link-level error recovery e.g. amount of FEC, persistency of ARQ, frame size, so as to maximize the performance of TCP. We present a detailed study of the impact of the different parameters on the performance of TCP. This study is accompanied by an optimization of the model according to the physical characteristics of the wireless link (delay, error rate) and the traffic load (number of TCP connections). The same procedure is repeated for another hybrid error recovery mechanism, ARQ-SR-Protected-By-FEC. We include in this report a comparison of two mechanisms.


Keywords :

TCP, wireless link, FEC, ARQ, hybrid FEC/ARQ, modeling, NS-2, simulation, performance evaluation.


References :

Alaeddine AL FAWAL, Chadi BARAKAT, « Simulation-Based Study Of Link-Level Hybrid FEC/ARQ-SR For Wireless Links and Long-Lived TCP traffic », WiOpt’03 : Modeling and Optimization in Mobile, Ad Hoc and Wireless Networks, Sophia Antipolis, France, March 2003.


Chadi BARAKAT, Alaeddine AL FAWAL, « Analysis of link-level hybrid FEC/ARQ-SR for wireless links and long-lived TCP traffic », INRIA research report No 4752, February 2003.

Chadi BARAKAT, PhD Sophia Antipolis, le 27 Janvier 2003


INRIA ¨C projet PLANETE

2004, route des Lucioles

06902 Sophia Antipolis - France
Tel : + 33 (0) 4 92 38 75 96

Fax : +33 (0) 4 92 38 79 78

Email : Chadi.Barakat@sophia.inria.fr

Web : http://www.inria.fr/planete/chadi


ATTESTATION
Je, soussigné Chadi BARAKAT, chargé de recherche dans le projet PLANETE de l’INRIA Sophia Antipolis, écris cette attestation en faveur de M. Alaeddine AL FAWAL, de nationalité libanaise, né le 29/10/1977. Cette attestation servira comme document d’évaluation du stage de DEA que M. AL FAWAL a effectué sous ma direction au sein du projet PLANETE entre 15/8/2002 et 15/12/2002.
Le stage de M. AL FAWAL a porté sur l’évaluation des mécanismes hybrides de correction d’erreur ARQ/FEC pour des liens sans fil en présence d’un trafic formé par des connexions TCP de longue durée. L’objectif principal du stage était l’optimisation de ces mécanismes hybrides dans le but de maximiser l’utilisation du lien sans fil. L’étude a été effectuée par modélisation analytique et par simulation. Elle a permis une bonne compréhension de la capacité des mécanismes hybrides ARQ/FEC et de la manière avec laquelle leurs paramètres doivent être choisis.
M. AL FAWAL a réussi à mener l’étude à ses fins. Il a vite compris le problème et les travaux de recherche qui y sont liés. L’étude a nécessité l’implémentation d’un mécanisme hybride de correction d’erreur ARQ/FEC dans le simulateur de réseaux « ns-2 ». Cette implémentation a été réalisée avec succès par M. AL FAWAL, malgré toutes les difficultés qui accompagnent en général une telle implémentation (maîtrise des langages C++ et OTCL, connaissance de la hiérarchie de classes de « ns-2 »). Le mécanisme implémenté a fonctionné correctement et a permis à l’étude d’aboutir.
La deuxième partie du stage a consisté en une modélisation de l’utilisation du lien sans fil en fonction des paramètres du mécanisme ARQ/FEC, des paramètres du lien sans fil, et du nombre de connexions TCP. La modélisation a été effectuée à l’aide des techniques de la théorie des probabilités et des processus stochastiques. Elle a permis l’obtention d’une expression pour l’utilisation du lien sans fil. Cette expression a ensuite été résolue numériquement par « matlab », le programme souvent utilisé par les scientifiques dans leur calcul.
La troisième partie du stage a été la simulation et la validation du modèle analytique. Un scénario de simulation a été en premier lieu défini. Après, plusieurs compagnes de simulation ont été tournées pour différentes valeurs des paramètres du modèle. Pour chaque combinaison des paramètres du modèle, l’utilisation du lien sans fil a été calculée par simulation et par modélisation. La première conclusion était que le modèle analytique donnait des résultats très proches de la simulation, ce qui avait constitué une validation de l’analyse effectuée. Les résultats ont ensuite été analysés dans le but de tirer des conclusions sur la manière avec laquelle il faut choisir les paramètres du mécanisme de correction d’erreur ARQ/FEC. Les résultats étaient très intéressants, parfois contre-intuitifs. Je citerais un des ces résultats, celui de l’avantage de ARQ sur FEC ; la retransmission de paquets erronés au niveau liaison aide les connexions TCP de longue durée beaucoup plus que la redondance envoyée par FEC, et ceci est de plus en plus prononcé lorsque le délai de propagation et le taux d’erreur baissent.
Cette description montre la diversité des problèmes auxquels M. AL FAWAL a été confronté pendant son stage : protocoles réseaux (TCP, liens sans fil), implémentation et simulation, modélisation. M. AL FAWAL a réussi à résoudre ces problèmes avec patience et rigueur. M. AL FAWAL a aussi montré une capacité à apprendre, à interpréter les résultats, et à communiquer ses idées. Son travail s’est achevé par la publication d’un papier de 8 pages en anglais titré « Simulation-based study of link-level hybrid FEC/ARQ-SR for wireless links and long-lived TCP traffic » dans les proceedings du congrès international WiOpt’03 : Modeling and Optimization in Mobile, Ad Hoc and Wireless Networks, Sophia Antipolis, France, Mars 2003. Le comité technique de WiOpt’03 a tenu à choisir un programme de haute qualité en acceptant seulement 33 papiers parmi les 102 soumis (un taux d’acceptation avoisinant les 30%). M. AL FAWAL a conclu son séjour à l’INRIA par une présentation des ses travaux aux membres du projet PLANETE, une présentation qui a été bien appréciée.
A tout ce qui précède, il faut ajouter le sens de responsabilité que M. AL FAWAL dispose et la capacité d’intégration et de travail en groupe qu’il a montrée.
Faite pour valoir à ce que de droit.
Chadi BARAKAT

SOMMAIRE






INTRODUCTION

INTRODUCTION

Les réseaux informatiques ont évolué très rapidement pendant les 20 dernières années. En même temps, les demandes sur ces réseaux ont augmenté : les gens veulent un accès rapide et de haute qualité à tout endroit. C'est pourquoi les utilisateurs sans fil feront une part substantielle (62,1 %) du nombre total des utilisateurs d'Internet (1,2 milliards) prévu pour 2005 [1].

D'autre part, les demandes sur les services disponibles dans les réseaux sans fil sont les mêmes que pour les réseaux câblés : Tout le monde veut web browsing, E-mail check, chat, file transfer¡K Ainsi, la prochaine génération de l’Internet est prévue de fournir un support pour ces diverses applications même dans les avions ou les bateaux en utilisant un réseau sans fil basé sur une pile TCP/IP appropriée. Cependant, les pertes sur les liens sans fil sont connues pour compromettre la performance de bout-en-bout de TCP [2], [3].

Pour TCP, la perte d'un paquet est une indication que le réseau est congestionné [4], [5]. Le paquet perdu est retransmis par la source TCP et la fenêtre est réduite afin d'alléger la congestion du réseau. Cette stratégie dans la détection de la congestion a comme conséquence une faible performance du protocole quand des paquets sont perdus dans le réseau pour autres raisons que la congestion [6], [7], [8], [9]. Les erreurs de transmission sur un lien bruyant, typiquement un lien sans fil, forment la source principale des pertes de non-congestion. Un paquet TCP corrompu sur le lien bruyant est jeté avant d'atteindre le récepteur, ce qu’il a comme conséquence une réduction inutile de la fenêtre à la source TCP. Dans ce rapport, nous nous concentrerons sur les erreurs de transmission ayant lieu sur les liens sans fil et nous les appellerons les pertes de non-congestion des paquets TCP.

Beaucoup de solutions sont proposées pour améliorer la performance de TCP lorsqu’il fonctionne sur des canaux présentants des pertes de non-congestion [6], [10], [7], [9], [11]. Nous étudions dans ce rapport la performance de TCP au-dessus d'un lien sans fil disposant d’un modèle de correction d'erreurs hybride qui combine au niveau de la couche liaison FEC, ARQ-SR (ARQ Selective Repeat) et une livraison en-ordre des paquets à IP.

Toutefois, ce travail a été divisé principalement en 5 grandes parties :

Une phase bibliographique.

Implémentation du modèle dans le simulateur NS-2.

Simulation.

Modélisation, vérification et optimisation.

L’étude d’un autre modèle hybride en repassant par les mêmes étapes que pour le premier mécanisme hybride.

Pour cela, ce rapport est organisé en 5 chapitres comme suit :

Chapitre 1 :

Ce chapitre montre brièvement les solutions qu’on peut trouver dans la littérature et qui visent à optimiser la performance de TCP sur les liens sans fil. Le chapitre est conclu par une petite comparaison entre les différents mécanismes de correction proposés.

Chapitre 2 :

Ce chapitre commence par une description détaillée du modèle hybride tout en définissant ses paramètres. Après, une modélisation complète de son comportement est developpé pour aboutir enfin du compte à l’écriture de l’expression de l’utilisation du lien sans fil en fonction des paramètres du lien sans fil et de l’hybride.

Chapitre 3 :

C’est dans ce chapitre que le simulateur et les simulations sont présentés. Il contient les résultats des simulations et une analyse du fonctionnement du modèle.

Chapitre 4 :

Ce chapitre porte sur la vérification de la modélisation en comparant ses résultats avec ceux des simulations. Il se termine par une optimisation du modèle.

Chapitre 5 :

Dans ce chapitre on a étudié 2 autres propositions : ARQ-SR-protégée-par-FEC et FEC/ARQ-Stop&Wait. Les résultats obtenus sont comparés avec FEC/ARQ-SR.
C

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T



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CADRE DU PROJET

CADRE DU PROJET


Introduction :

Les protocoles du transport fiables tels que TCP sont principalement conçus pour fonctionner dans les réseaux traditionnels où les pertes de paquets sont dues principalement à la congestion. Cependant, les réseaux contenant des liens bruyants tel que les liens sans fil souffrent aussi des pertes de non-congestion causées par d’autres raisons. TCP répond à toute perte en invoquant ses algorithmes de contrôle de congestion ce qui résulte en une performance de bout-en-bout dégradée dans les systèmes sans fil.

Dans la littérature, plusieurs solutions sont proposées pour améliorer la performance de TCP sur de tels liens. En particulier, en combinant l’ARQ à la FEC, on espère maximiser le débit moyen de TCP.


Performance de TCP et ses Problèmes :

TCP fournit une transmission fiable de données dans un environnement IP. TCP correspond à la couche transport (couche 4) du modèle OSI. Il est largement utilisé dans le monde Internet à cause de sa simplicité, la fiabilité qu’il assure et son contrôle de congestion. Son trafic constitue à peu prés 90 % de la totalité du trafic Internet. Il rend fiable le transport de données en maintenant des connexions de bout-en-bout entre l’émetteur et le récepteur. Afin d’aboutir à un partage équitable de la bande passante, il implémente des algorithmes de contrôle de congestion. En effet, TCP s’adapte au délai de bout-en-bout et aux pertes de paquets qui indiquent que le réseau est congestionné. L’émetteur TCP utilise les ACKs cumulatifs qu’il reçoit pour connaître les paquets bien reçus par le récepteur. Ainsi la fiabilité est assurée par la retransmission des paquets perdus. Pour cela TCP estime le temps moyen aller-retour (Round-Trip-Time) et son écart type. L’émetteur détecte la perte d’un paquet par l’arrivée de plusieurs ACKs dupliqués ou par l’absence de son ACK dans un intervalle de temps (RTO) égale à RTT + 4 fois son écart type [7]. TCP répond à une perte de paquet par une forte réduction de la fenêtre de congestion, il déclenche des mécanismes de recouvrement des paquets perdus (e.g. Fast Retransmit, Fast Recovery, etc.) et il recommence de nouveau son cycle de transmission (en se mettant dans la phase Slow Start ou Congestion Avoidance). Par suite, la charge dans les liens intermédiaires est réduite et de cette façon, le contrôle de congestion est achevé.


TCP a montré une efficacité dans les réseaux filaires. Par contre, il s’oppose à la convergence des réseaux vers la mobilité. En effet, les liens sans fil sont caractérisés par des taux de pertes très élevés dûs à la nature de ces liens et aux phénomènes de propagation (trajets multiples, interférences entre fréquences voisines, effet Doppler, etc.). Pour TCP, la perte est un synonyme de la congestion c.à.d. lors de la détection d’une perte, il annonce que le réseau est congestionné et il essaie de diminuer la charge dans le réseau. Cette stratégie résulte en une pauvre performance de TCP sur les liens sans fil où les paquets sont perdus par autres raisons que la congestion, ce qui provoque la réduction de la fenêtre de congestion tandis que le réseau n’est pas congestionné. Alors, sur de tels liens bruyants, la fenêtre de TCP est toujours réduite ce qui tue le débit de TCP malgré que le canal est vide.

Pour recouvrir ces points de faiblesse, plusieurs solutions sont proposées. Elles servent à aider TCP à améliorer sa performance sur des liens caractérisés par un taux de perte élevé comme le cas des liens sans fil.


Solutions :

La popularité croissante des réseaux sans fil indique que les liens sans fil joueront un rôle important dans le réseau futur [7]. Cependant, TCP, qui a été bien réglé pour le réseau filaire, sa performance se dégradent en présence de pertes de-non-congestion, dites pertes de non-congestion. Récemment, plusieurs méthodes ont été proposées pour alléger les effets de pertes de non-congestion sur la performance de TCP. Ces solutions peuvent être classées en trois catégories selon la couche à laquelle sont attachées :

Solutions au niveau transport.

Solutions au niveau liaison.

Solutions au niveau antenne.

Toutes ces solutions servent à aider TCP. Ici une question se pose : Pourquoi on a toujours recours à garder TCP en essayant de l’améliorer et on ne le remplace pas par un autre protocole plus adapté aux réseaux sans fil que les réseaux filaires? En fait, l’efficacité de TCP représentée par sa simplicité, sa fiabilité et son contrôle de congestion, a permis son déploiement dans le monde, il est maintenant installé sur des centaines de millions de machines et ce n’est pas évident de le substituer tout en seul coup.


Solutions au Niveau Transport :

Ces mécanismes sont implémentés au niveau transport. L’idée est de modifier plus ou moins TCP pour s’adapter aux liens bruyants. Parmi ce qui est proposé, on va citer 4 solutions.

La première solution consiste à utiliser les acquittements sélectifs (Selective ACK ; SACK) pour permettre à l'émetteur de recouvrir plusieurs paquets perdus dans une même fenêtre sans l’attente de l’expiration du temporisateur de TCP [7]. Cependant, TCP reste considérer toutes les pertes dans une fenêtre comme un indicateur de congestion et déclenche des mécanismes de contrôle de congestion comme la réduction de sa fenêtre.

La deuxième solution sert à distinguer entre les pertes causées par la congestion et celles causées par d’autres raisons. Ceci se fait en ajoutant l’option ELN (Explicit Loss Notification) à l’acquittement de TCP [7]. Si un paquet est jeté à cause du lien sans fil, le prochain acquittement cumulatif correspondant à ce paquet est marqué pour indiquer à l’émetteur que le réseau est non congestionné. Ainsi l’émetteur retransmet le paquet perdu sans réduire sa fenêtre.

La troisième solution est l’utilisation de TCP Vegas, une version de TCP plus adaptée aux liens sans fil. L’idée derrière cette version est de détecter la congestion par l’augmentation de RTT et non pas par l’apparition d’une perte. Ainsi, la fenêtre de TCP est une fonction de RTT. En effet, TCP Vegas calcule un débit moyen cible en fonction de RTT et il essaie de maintenir son throughput (débit moyen) égal à ce débit cible qui ne change tant que RTT est le même, malgré l’apparition de pertes [12]. Les premières simulations de cette version ont montré qu’elle fonctionne mieux que le TCP Tahoe ou la version Reno. Après, des expériences plus sérieuses ont donné que ce n’est pas toujours le cas.

TCP
TCP

STP

Figure I.1 : Division de la connexion TCP en deux connexions.


Dans la quatrième solution, on a décidé de couper la connexion TCP de bout-en-bout en deux connexions (e.g. I-TCP) [7], [12]. La première est une connexion TCP entre l’émetteur et l’entrée du lien sans fil. La deuxième est entre l’entrée du lien sans fil (station de base) et la destination, elle est maintenue par un autre protocole qui est plus adaptés au lien bruyant comme STP [13]. Cette méthode a présenté une amélioration de la performance de TCP mais elle viole la sémantique de bout-en-bout de TCP. Un paquet est acquitté avant qu’il arrive à sa destination.


Solutions au Niveau Liaison :

Au niveau liaison, on utilise souvent l’ARQ (Automatic Reapeat Request) et la FEC (Forward Error Correction) pour rendre fiable la transmission de données. Généralement, on applique ces deux mécanismes seulement sur la partie bruyante du réseau (e.g. lien sans fil).

L’ARQ consiste à retransmettre localement les paquets perdus, c.à.d. entre les deux extrémités du lien sans fil, d’une manière transparente par rapport à TCP. ARQ réussit à rendre fiable le transport, par contre, il augmente le RTT. On trouve dans [8], [14] que le débit moyen de TCP est inversement proportionnel à RTT. En outre, l’instabilité de RTT et le déséquencement des paquets IP causés par ARQ créent une interférence entre TCP et les retransmissions locales. Le déséquencement génère des ACKs dupliqués qui incitent l’émetteur à retransmettre le paquet au moment où il est en train d’être retransmis localement par ARQ. A cause de l’instabilité de RTT, le temporisateur de TCP peut expirer en provoquant une retransmission inutile du paquet.


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