performance enhancing proxy for satellite...

Performance Enhancing Proxy for Satellite Communications

2015. 11. 05.Jae-Hyun [email protected]

Wireless Internet aNd Network Engineering Research Lab.http://winner.ajou.ac.kr

Department of Electrical and Computer Engineering Ajou University, Korea

Contents

2

Introduction of PEP

Approach in Application Layer

Approach in Transport Layer

Approach in Network Layer

Summary

Introduction of PEP

3

Introduction of PEP

PEP (Performance Enhancing Proxy) [1]네트워크 에이젼트로 종단 간 통신 성능을 향상시키기 위해 사용일반적으로 PEP는 WAN 게이트웨이 기지국이나 위성 모뎀에 적용

적용 기술 Application layer: 데이터 압축, 캐싱 Transport layer: TCP 최적화, TCP/IP헤더 압축 Network layer: IP 라우팅 최적화

관련 표준 [1-4] RFC 3135, 3449 SCPS-TP PEP Negotiation Protocol (DVB-RCS2)

4

[1] J. Border et al., "Performance Enhancing Proxies Intended to Mitigate Link-Related Degradations", RFC 3135, 2001.[2] H. Balakrishnan et al., "TCP Performance Implications of Network Path Asymmetry", RFC 3449, 2002.[3] Space Communications Protocol Specification (SCPS)—Transport Protocol (SCPS-TP), CCSDS 714.0-B-2, 2006.[4] Digital Video Broadcasting (DVB); Second Generation DVB Interactive Satellite System (DVB-RCS2);Part 3: Higher Layers Satellite Specification, ETSI TS 101 545-3 2012.

Environments of Satellite Communication

Challenge제한된 대역폭 위성에서 제공할 수 있는 대역폭이 제한됨

• Ex) 위성 단말에 할당될 수 있는 자원이 제한됨 (RCS 단말: 최대 4Mbps, RCS2 단말: 최대 20Mbps)

긴 전파 지연 시간 Round trip delay: 500ms (mesh 구조)

패킷 손실 강우감쇄, On-the-move (OTM), 재밍, etc.

5

패킷 손실 (전파 감쇄, 재밍)

긴 전파 지연 시간패킷 손실 (OTM)

125ms

제한된 대역폭t

f

RCS: Return Channel via Satellite

Reference model of PEP

Splitting connection [5-6]위성링크를 따로 분리해서 PEP 기술 적용 위성 링크에 최적화 된 파라미터 적용

6

Source Destination(PEP) (PEP)

Classical TCP

ApplicationsTransport

NetworkData linkPhysical


Modified TCPClassical TCP Classical TCP



Data linkPhysical

Network NetworkData linkPhysical

Classical TCPModifiedTCP

Data linkPhysical

Network

PEP PEP

Satellite linkWired link Wired link

•Data compression•Data Caching•Header compression•TCP optimization

[5] C. Caini, et al.,"PEPsal: A Performance Enhancing Proxy for TCP Satellite Connections",IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, 2007.[6] P. Davern et al.,"HTTPEP: a HTTP Performance Enhancing Proxy for Satellite Systems",International Journal of Next-Generation Computing, 2011.

Application layer

Transport layer

Commercial Products

7

상용 제품의 제공 기능

<Cisco 1841 >

< Comtech Turbo IP G2 >

< XipLink >

TCP optimization Optimal initial window size Large maximum window size Selective acknowledgments Advanced congestion control Acknowledgment spoofing Fast retransmit

Data bundling and header optimization Caching Header compression Packet packing Lossy transcoding of JPEG image Compression of HTTP data

<Newtec EL 820 PEP-Box Terminal >

< ViaSat Compact XPEP > < Rockwell Collins IPTM-2050 >

< Advantech wireless PEP> < MediaSputnik 2402 series>< Riverbed skipware>

Commercial Products

제품 기능 비교

8

CiscoComtech

Xiplink NewtecRiverbed

ViasatAdvantech

Rockwall

Mediasputnik

SCPS-TP X O O X O O X X O

OptimizedTCP

O O O O O O O O O

DataCompression

X O O O O X X O X

Header Compression

O O O X O X O X X

Caching O O O O O X O X X

Approach in Application LayerData CachingData Compression

9

Overview

Data Caching Data caching : 데이터나 명령어를 캐시 기억 장치에 일시적으로

저장하는 것 네트워크 내에서 자주 쓰이는 데이터를 프록시 서버에 저장

Data caching을 통해 종단간 네트워크에 부하되는 데이터 양 감소

Data Caching 관련 기술Web/FTP/DNS Caching SDR (Scalable Data Referencing) : Riverbed

Data Compression데이터를 더 작은 저장 공간에 효율적으로 저장하기 위한 기술 데이터 트래픽을 압축하여 전송

Data Compression 관련 기술MSR(Molecular Sequence Reduction) : Juniper

10

Data Caching

DNS caching자주 사용되는 domain과 IP

주소 정보를 캐싱효과 DNS 정보와 IP 주소를 매핑

하는 시간을 단축하여 응답시간 단축

Web/FTP caching네트워크에서 자주 사용되

는 웹페이지 정보나 FTP 데이터를 프록시 서버에 캐싱

효과 네트워크에 부하되는 데이

터를 감소하여 WAN performance 향상

11

Data Caching

캐싱 정책 [7] Prefetching 정책 사전 인출을 수행하는 위치에 따른 분류

• Server-initiated prefetching• Client-initiated prefetching• Proxy-initiated prefetching

사전 인출 될 웹문서의 선정 방법에 따른 분류• Statistical prefetching • Deterministic prefetching

Replacement 정책 LRU(Least Recently Used) LFU(Least Frequently Used) SLRU(Size-adjusted LRU) GD(Greedy Dual) LUV(Least Unified Value) CW(Criteria Weighted)

12[7] H. Ahlehagh, et al, “Video Caching in Radio Access Network: Impact on Delay and Capacity,” in Proc. WCNC, April 2012.

Data Caching

모바일 네트워크에서 Caching시 고려사항 [8] Where to cache?

EPC, RAN, D2D

What to cache? Only a small amount of popular content is accessed by a large portion of users

How to cache? Web caching, Redundancy elimination (Chunk-level, TCP-level, Packet-level)

13[8] X. Wang, et al., “Cache in the Air: Exploiting Content Caching and Delivery Techniques for 5G Systems,” IEEE Comm. Mag., Feb. 2014.

Data Caching

모바일 네트워크에서 Caching시 고려사항 Where to cache?

Cooperative caching policies for EPC and RAN caching

14

Data Caching

SDR (Scalable Data Referencing)[9] Riverbed 상용 제품의 핵심 기능 중복되는 데이터를 제거함으로 WAN Traffic을 획기적으로 감소

SDR 알고리즘 네트워크에서 자주 사용되는 데이터를 캐시에 저장 캐시에 저장된 데이터 중 변경된 부분이 있는 경우 변경된 데이터만

추가 전송

15[9] Riverbed SDR, http://aramidesign.com/portfolio/flash/riverbed/flashDemo.swf

Data Caching

Performance of SDR [10]평균 15~20배 네트워크 처리율 향상

16[10] Riverbed WAN Optimizer Performance, http://www.riverbed.com/assets/media/documents/briefs/PerformanceBrief-Riverbed-Solidworks.pdf

Data Compression

MSR(Molecular Sequence Reduction)[11] Juniper Networks사 WX Framework의 주요 기술 반복되는 데이터 패턴을 압축하여 낭비되는 네트워크 자원 감소 Lempel-Ziv 압축 알고리즘 : IEEE Trans. on Info. (1977,1978)

MSR algorithm Data stream 내의 반복되는 데이터 패턴에게 index를 부여 데이터 전송 시 해당 데이터 패턴의 index를 전송하고 수신단에서 복조

17[11] Juniper Network MSR, http://forums.juniper.net/jnet/attachments/jnet/wx/19/1/analyzing_msr_techbrief.pdf

Data Compression

Performance of MSRMSR을 이용한 주요 Application 별 데이터 감소율

18

Application MSR Data Reduction

E-mail 75%MS SQL 80%File Sharing 81%HTTP servers 96%Search servers 84%Image servers 70%

Approach in Transport LayerSCPS-TPHeader CompressionTCP Optimization - Wireless TCPResearch Issues

19

Overview of SCPS

20

CCSDS [12] Consultative Committee for Space Data Systems 1982년도에 세계 여러 나라들의 우주개발기구에서 공동으로 설립 미국 (NASA), 러시아 (RFSA), 일본 (JAXA)등 총 11개국 멤버로 참여 우리나라 (KARI) 외 28개국에서 참여(Observer) 규모: 145개 회사 참여, 552개 mission에 참여, 표준이 반영된 143개의

제품 출시 Scope 미래지향적 우주 정보 시스템 표준 개발 다양한 우주 기관 및 우주 체계 간의 협력 체계 증진 및 상호운용성 지

원

SCPS Space Communications Protocol Specification목적 위성에서 IP 통신 시 발생하는 문제점 극복 지상 Internet(FTP/TCP/IP) 지원을 위한 프로토콜 개발

[12] OVERVIEW OF SPACE COMMUNICATIONS PROTOCOLS, CCSDS 130.0-G-2, 2007.

CCSDS SCPS-TP

21

SCPS-FPSCPS-TPSCPS-SPSCPS-NP

SCPS-FPSCPS-TPSCPS-SPSCPS-NP

주요 기능 [13] Full/best-effort/minimal reliability

통신 지원 대역폭, 전송지연, 에러율의 다변화

속에서 효율적인 동작 멀티케스팅의 UDP(Connectionless

통신) 지원 우주 기반 동작환경에서 효율적인

동작 서비스의 우선순위 지원 패킷 기반의 어플리케이션 지원

적용 기술 Selective NACK/ACK TCP Vegas ECN-Echo Window Scaling Header compression

[13] SPACE COMMUNICATIONS PROTOCOL SPECIFICATION (SCPS)-TRANSPORT PROTOCOL(SCPS-TP), CCSDS 714.0-B-2, 2006.

ECN: Explicit Congestion NotificationFP: File transfer ProtocolTP: Transport ProtocolSP: Security ProtocolNP: Network Protocol

CCSDS SCPS-TP

22

Selective NACK Error Hole 크기 Bit-Vector

SNACK Bit-Vector1st Hole

CCSDS SCPS-TP

TCP Vegas [14]네트워크 혼잡 회피를 RTT에 의해

서 수행 (RTT 무선 단 채널 에러와거의 무관)

Define & update every RTT Expected throughput(ET) =

W(i) / RTTmin

Actual throughput (AT) = W(i) / RTT(i)

diff = ET – AT (note diff>0) Congestion control of TCP-Vegas

based on diff If diff < α increase CWND linearly If diff > β(>α) decrease CWND

linearly If α < diff < β unchange CWND

23[14] L. Brakmo, S. O’Malley, and L. Peterson, “TCP Vegas: New Techniques for Congestion Detection and Avoidance,” ACM SIGCOMM, 1994

cwnd cwnd/2 + 3

time

cwnd

SS CA SS CA CA

Duplicate ACK CA

cwnd 1

Timeout SS

SS time

cwnd

CA

Reno

Vegas

SS: Slow startCA: Collision avoidanceCWND: Congestion window

α < diff

diff < β

CCSDS SCPS-TP

ECN-Echo [15] Congestion 발생 예상되면 라우터에서 ECN-Echo를 TCP 송신자에

게 전달 네트워크 혼잡과 무선단에서 패킷 손실을 구별 가능

Window Scaling [16] CWND를 최대 1 gigabyte까지 증가하여 사용 가능 (default:

2~65,535 bytes) 최대 TCP 처리율을 높일 수가 있음

24

CWND: Congestion window

. .

[15] V. Jacobson et al., "TCP Extensions for High Performance", RFC 1323, 1992.[16] K. Ramakrishnan et al.,"The Addition of Explicit Congestion Notification (ECN) to IP" RFC 3168, 2001

ECN: Explicit Congestion Notification

CCSDS SCPS-TP

25

헤더 압축연속되는 데이터그램은 50%이상의 중복된 헤더 정보를 가짐

특정 헤더를 사용할지안 할지 결정

헤더압축

Header Compression

Van Jacobson의 알고리즘[17] 이전에 전송한 TCP/IP 헤더에서

변화한 부분만 전송 무손실 링크 단(유선 망)에서만

적용 가능

Perkins 알고리즘 [18] Frame 의 첫번에 전송한 TCP/IP

헤더에서 변화한 부분만 전송 손실 있는 링크단 (무선 망) 고려

CRTP [19] Van Jacobson 알고리즘 기반 Twice 알고리즘을 사용하여 헤

더 에러 복구 가능 Sequence number 와 UDP

checksum 사용

26

[17] V. Jacobson, "Compressing TCP/IP Headers", RFC 1144, 1990.[18] S. J. Perkins et al.,"Dependency Removal for Transport Protocol Header Compression over Noisy Channels," in Proc. IEEE ICC 1997, 1997[19] S. Casner et al., "Compressing IP/UDP/RTP Headers for Low-Speed Serial Links", RFC2508, 1999.

<Van jacobson 알고리즘>

<Perkins 알고리즘>

Frame

CRTP: Compressed Real-time Transport Protocol

Header Compression

Robust Header Compression (ROHC) [20] Introduced RFC3095 and RFC 4815 Increase channel efficiency by reducing overhead Robust at unreliable link Three different mode : Unidirectional mode(U-mode), Bidirectional

Optimistic mode(O-mode), and Bidirectional Reliable mode(R-mode) Compression example VoIP (in the active period)

• payload 5,11~32 bytes ([email protected]~12.2kbps)+ header 40/60 bytes (RTP 12+UDP 8+IPv4 20/IPv6 40) payload 32 bytes + header 4~6 bytes

27Wireless Link

Payload RTP UDP IP

CompressorDe-Compressor

Framing/Error Detection

RoHC Context

Payload H

CompressedHeader

RoHC Context

PayloadIP RTP UDP

CompressorDe-Compressor

Framing/Error Detection

Sender Receiver

[20] G. Pelletier et al., "RObust Header Compression Version 2 (ROHCv2): Profiles for RTP, UDP, IP, ESP and UDP-Lite ", RFC5225, 2008.

Header Compression

Header Fields Classification

28

Type DescriptionInferred” They are never sent and they can

be known by other component in the header

Static* Send only once, their valuesnever change during the stream

Static-def**

Send only once, they give the definition of the stream

Static-known^

They are never sent and their values are known

Changing< Header fields with a changing value. The change can be periodic or randomly. They are always send

Ver*

ToS< Flow ID**Length” Next

Header* Hop Limit<

Source Address**

Destination Address**

Source Port** Destination Port**Length” Checksum<

Ver^ P* E* CCnt< M< P.Type< Sequence Number<

Timestamp<

Source Synchronization Indentification(SSRC)**

Source Contribution Identification (1st)<

Contributing source (CSRC)<

Source Contribution Identification (last)<

Application Data

0 15 31

IPv6

UDP

RTP

Header Compression

Header Fields Classification

29

Type DescriptionInferred” They are never sent and they can

be known by other component in the header

Static* Send only once, their valuesnever change during the stream

Static-def**

Send only once, they give the definition of the stream

Static-known^

They are never sent and their values are known

Changing< Header fields with a changing value. The change can be periodic or randomly. They are always send

Static Info

ROHC header

Application Data

1 byte

3~5 bytes

Header Compression

ROHC compression with U,O,R operation mode

30

TCP Optimization - Wireless TCP

Wireless TCP 개요 [21]

31

Wireless TCP(TCP 가속기술)Wireless TCP(TCP 가속기술)

Connection management related

approaches

Connection management related

approaches

Wireless loss related

approaches

Wireless loss related

approaches

Split connection

Split connection

End-to-end connectionEnd-to-end connection LocalizationLocalization

Explicit notification

Explicit notification

[21] B. Sardar and D. Saha, "A survey of tcp enhancements for last-hop wireless networks," Communications Surveys & Tutorials, IEEE, vol. 8, pp. 20-34, 2006.


위성 환경에서 TCP 성능 (아주대)긴 전송 지연과 패킷 손실에 의해 TCP 처리율 크게 감소됨

32

시뮬레이션 환경• Metric: 위성 링크로 연결된 소스 노드와 목적 노드 사이의 TCP Throughput 측정• Max. Contention window size: 65,535bytes• Segment size: 1500bytes

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 110

1

2

3

4

5

6x 106

RTT

TCP

Thro

ughp

ut (b

its/s

ec)

10-5 10-4 10-3 10-2 10-10

2

4

6

8

10

12 x 105

PER (Satellite link)TC

P Th

roug

hput

(bits

/sec

)

<RTT에 따른 TCP 처리율, PER = 0%> <PER에 따른 TCP 처리율, RTT = 500ms>

(sec.)


Split connection [22-23]유선망 부분과 무선 망 부분을 분할하여 서로 다른 TCP 세션을 사용

33

TCP

Network

Link

PHY

Application

TCP

Network

Link

PHY

Application

Modified TCP

Network

Link

PHY

Application

Modified TCP

Network

Link

PHYData Data

ACKACK

Wired Wireless

FH BS MH

※ FH: Fixed hostBS: Base stationMH: Mobile host

Split connection

장점

• FH와 BS 사이에는 기존 TCP 사용 FH 수정 불필요

• 무선단에 최적화된 TCP 방식 적용 가능 TCP Peach, TCP Veno, TCP Hybla (End-to-

end connection)

단점

• 기존 TCP의 End-to-End semantic 위배• 기지국에서 세션마다 버퍼 필요• Forward 링크와 Reverse 링크가 서로 다르면 적용

어려움

[22] A. Bakreand B. Badrinath, “I-TCP: Indirect TCP for Mobile Hosts,” IEEE ICDCS 1995.[23] K. Brown, S.Singh, “M-TCP: TCP for Mobile Cellular Networks,” ACM Comp. Commun. Rev., 1997.


Split connection 관련 연구[22-23] Indirect TCP [22] 유선망에서는 표준 TCP 사용, 무선망에서는 무선 TCP 사용

M-TCP [23] 유선망에서는 표준 TCP 사용, 무선망에서는 패킷 해더 압축 사용 무선망에서 패킷 손실이 발생하면 유선망 TCP를 persist 모드로 동작

• 수신 버퍼 크기를 0으로 설정하여 패킷 전송 잠시 중지• 전송률은 유지

34[22] A. Bakreand B. Badrinath, “I-TCP: Indirect TCP for Mobile Hosts,” IEEE ICDCS 1995.[23] K. Brown, S.Singh, “M-TCP: TCP for Mobile Cellular Networks,” ACM Comp. Commun. Rev., 1997.


End-to-end connection [24-28] TCP congestion avoidance 알고리즘 수정

35

장점

• 무선단에서 발생한 패킷 손실이 전송률에 영향을 주지 않음 전송률 측정에 RTT (TCP Vegas), ACK 수신 inter-

arrival time (TCP Westwood), dummy 패킷 (TCPPeach) 활용

Congestion에 의한 패킷 손실과 무선 채널에러에 의한패킷 손실을 차등하여 Congestion Control (TCP Veno)

• 무선 환경에 적합하게 TCP CWND tuning TCP Hybla

단점

• 기존 소스 노드의 TCP 수정 필요 기존 시스템의 교체 필요

[24] I. F. Akyildiz, et al., "TCP-Peach: a new congestion control scheme for satellite IP networks,” IEEE/ACM Transactions on Networking, vol. 9, pp. 307-321, 2001.[25] M. Gerlaet al., “TCP Westwood: Congestion Window Control Using Bandwidth Estimation,” IEEE GLOBECOM 2001[26]E. H. K. Wu and M. Z. Chen, “JTCP: Jitter-Based TCP for Heterogeneous Wireless Networks,” IEEE JSAC 2004.[27] C. P. Fu and S.C. Liew, “TCP Veno: TCP Enhancement for Transmission Over Wireless Access Networks,” IEEE JSAC 2003.[28] C. Caini and R. Firrincieli, “TCP Hybla: a TCP enhancement for heterogeneous networks,” International journal of satellite communication and networking, 2003.

TCP

Network

Link

PHY

Application

TCP

Network

Link

PHY

Application

TCP

Network

Link

PHY

Application

Data Data

ACKACK

Wired Wireless

FH BS MH

E2E connection

Wireless

E2E connection


End-to-end connection 관련연구 (1/2) TCP-Vegas [14] 가용 가능한 패킷 전송률을 패킷 왕복 시간(RTT)의 변화율을 이용하여 측

정하여 사용 TCP-Peach [24] Dummy 패킷 전송을 통하여 최대 패킷 전송률에 도달하기까지의 시간을

감소함 패킷 손실이 발생하면 Dummy 패킷 전송을 이용한 fast recovery

TCP-Westwood [25] ACK 패킷을 수신하는 inter-arrival 시간을 이용하여 사용 가능한 패킷 전

송률을 측정 JTCP [26] 패킷 전송 지터를 이용하여 사용 가능한 패킷 전송률 측정

TCP-Veno [27]• Congestion에 의한 패킷 손실과 무선 채널에러에 의한 패킷 손실을 차등하여

Congestion Control» Minimum RTT보다 일정 수준 (N) 이상의 RTT이면서 패킷 손실Congestion, 이외의 경우

무선 채널 에러

36


End-to-end connection 관련연구 (2/2) TCP Hybla [28] RTT가 매우 긴 위성 통신에서 성능을 향상하기 위해 reference RTT

(RTT0)의 기준에 맞춰 Max. Congestion Window증가 및 Congestion Control 파라미터 수정

37

0/

H

H

H

RTT RTTMCWS MCWSICWS ICWSssthresh ssthresh

Slow StartCongestion Avoidance

ICWS: Initial Congestion Window SizeMCWS: Maximum Congestion Window Size


Localization (TCP Snoop) [29-31] BS에서 TCP의 중복 ACK를 감지하면 빠른 재전송

38

장점

• 소스노드와 목적노드에서 기존 TCP 사용• 무선단에서 발생한 패킷 손실 빠르게 복구 가능 중복 ACK에 의한 TCP 전송률 감소 없음

• 기존 TCP의 End-to-End semantic 유지

단점

• TCP-aware 링크 단 구현 필요• 기지국에서 세션마다 버퍼 필요• Forward 링크와 Reverse 링크가 서로 다르면 적용

어려움

TCP

Network

Link

PHY

Application

TCP

Network

Link

PHY

Application

TCP

Network

Link

PHY

Application

Data Data

ACKACK

Wired Wireless

FH BS MH

Snooping

[29] B. S. Bakshiet al., “Improving Performance of TCP over Wireless Networks,” ICDCS, 1997.[30] N. Vaidyaand M. Mehta, “Delayed Duplicate Acknowledgments: A TCP-Unaware Approach to Improve Performance of TCP over Wireless,” Texas A&M University, Tech. Report, 1999.[31] S. Vangalaand M. Labrador, “The TCP SACK-Aware-Snoop Protocol for TCP over Wireless Networks,” IEEE VTC 2003.


Localization 관련 연구 SNOOP [29] 링크 단에서는 TCP 데이터 패킷을 감지하여 버퍼에 저장 중복 TCP ACK를 감지하면 링크단에서 재전송 수행 중복 ACK 전달하지 않고 삭제

Delayed Duplicate ACK [30] TCP의 delayed duplicate ACK를 감지하여 재전송 수행

TCP-SACK-Aware SNOOP [31] Selective ACK를 사용하는 TCP에도 재전송 기능 지원

39

[29] B. S. Bakshiet al., “Improving Performance of TCP over Wireless Networks,” ICDCS, 1997.[30] N. Vaidyaand M. Mehta, “Delayed Duplicate Acknowledgments: A TCP-Unaware Approach to Improve Performance of TCP over Wireless,” Texas A&M University, Tech. Report, 1999.[31] S. Vangalaand M. Labrador, “The TCP SACK-Aware-Snoop Protocol for TCP over Wireless Networks,” IEEE VTC 2003.


Explicit notification [32-33] BS에서 중복 ACK 수신 시 무선 단에서 손실된 패킷에 대한 중복

ACK에 무선 단 패킷 손실 비트를 마킹하여 전송

40

장점

• 무선 단에서 발생한 패킷 손실에 의한 TCP 전송률감소가 없음

단점

• TCP-aware 링크 단 구현 필요• 기지국에서 세션마다 버퍼 필요• Forward 링크와 Reverse 링크가 서로 다르면 적용

어려움

TCP

Network

Link

PHY

Application

TCP

Network

Link

PHY

Application

TCP

Network

Link

PHY

Application

Data Data

ACKACK

Wired Wireless

FH BS MHExplicit notification

[32] Hari Balakrishnan and Randy H. Katz, “Explicit Loss Notification and Wireless Web Performance”, IEEE Globecom1998.[33] S. Biazand et.al, “TCP over wireless Networks using multiple acknowledgements”, Tech. report of Texas A&M Univ. 1997.


TCP 가속 기술 비교

41

Categories Split Connection End-to-End Connection Localization Explicit

NotificationDistinction Between Congestion and Link Error

Supported Supported Supported Supported

Deployment Easy Difficult Easy Difficult

End-to-End Semantic Not Maintained Maintained Maintained Maintained

Very long RTT (SatelliteCommunication)

Supported Supported Not supported Not supported

PEP 적합 PEP 적합


성능 분석 모델 (아주대) [34] Splitting connection Localization (TCP Snoop)

42

TCP Sender TCP ReceiverPEP PEP

Satellite LinkWired Link Wired Link

Conventional TCP Conventional TCPModified TCP for satellite network<Splitting connection>

TCP Sender TCP ReceiverPEP

Satellite LinkWired Link Wired Link

Conventional TCP<Localization>

[34] 노홍준,고광춘,이규환,김재현,임재성,송예진, "차기군위성통신체계를위한자원할당및 IP 네트워킹", 한국통신학회논문지, 제 38권 11호, 939-954, 2013년 11월


성능 분석 모델 (Splitting connection) MCWS(Maximum Congestion Window Size) 증가 위성 링크에서 발생하는 긴 전송지연을 MCWS를 증가 시켜서 TCP 최대

네트워크 처리율을 높임 ICWS(Initial Congestion Window Size) 증가 Timeout이나 Fast Retransmission 발생 시 Congestion Window가 MCWS

에 도달 하는 시간이 단축됨 평균 CW 크기가 증가되어 TCP의 평균 네트워크 처리율을 높임

Selective ACK (SACK) 다수의 패킷 에러 정보를 SACK을 이용하여 전달 하여 재전송 가능

TCP Veno [27] Congestion에 의한 패킷 손실과 무선 채널에러에 의한 패킷 손실을 차등하

여 Congestion Control• Minimum RTT보다 일정 수준 (N) 이상의 RTT이면서 패킷 손실Congestion, 이외

의 경우무선 채널 에러

TCP Hybla [28] RTT가 매우 긴 위성 통신에서 성능을 향상하기 위해 reference RTT (RTT0)

의 기준에 맞춰 MCWS 증가 및 Congestion Control 파라미터 수정

43[27] C. P. Fu and S.C. Liew, “TCP Veno: TCP Enhancement for Transmission Over Wireless Access Networks,” IEEE JSAC 2003.[28] C. Caini and R. Firrincieli, “TCP Hybla: a TCP enhancment for heterogeneous networks,” International journal of satellite communication and networking, 2003.


성능분석 (Splitting connection)긴 전송 지연과 패킷 손실에 의한 성능저하를 극복 가능

44

10-5 10-4 10-3 10-2 10-10

5

10

15 x 105

PER (Satellite link)

TCP

Thro

ughp

ut (b

its/s

ec)

TCPLICWLICW & SACKLMCWTCP HyblaTCP Veno

LICW: Large Initial Congestion WindowLMCW: Large Maximum Congestion Window

시뮬레이션 환경• Metric: 위성 링크로 연결된

소스 노드와 목적 노드 사이의 TCP Throughput 측정

• Segment size: 1500bytes• RTT: 500ms• LMCW: 90 kbytes• LICW:45 kbytes• RTT0(TCP Hybla): 350ms

Error가 적을 때, CW 최대값 증가

Error가 많을 때, CW 일정 값 유지


성능분석 (Splitting connection)

45

기술 특징 Trade-off FactorLarge MCWS • 긴 RTT에 의해 TCP Throughput이 낮아지는

현상을 극복 가능• PER이 일정 수준 높아지면 기존 TCP와 비슷

한 성능을 나타냄

• MCWS값이 증가할수록 PEP에서 최대 지원할 수 있는session 수 감소

Large ICWS • PER에 의해서 TCP Throughput이 낮아지는 현상 완화 가능

• ICWS값이 증가할수록 TCP의congestion control성능 저하

SACK • 기존 TCP에서는 PER이 높아지면 평균 CW크기도 줄어들기 때문에 큰 효과가 없음

• PER이 높은 환경에서도 ICWS 증가 등으로 평균 CW 크기가 증가하면 효과 상승

TCP-Veno • 무선 패킷 손실에 의한 TCP 성능 저하 완화

TCP-Hybla • 긴 RTT 및 무선 패킷 손실에 의한 TCP 성능저하 극복 가능

• 다수의 session이 존재할 때,RTT0값이 감소할수록congestion 발생할 확률이 증가


성능분석 (TCP Snoop)성능향상이 미미함(RTT: 500 msec.) 위성링크의 긴 전송지연 때문에 PEP에서 빠른 재전송이 거의 무의미함 Snooping 기법은 유선링크에서 전송 지연 길고 무선 링크에서 전송 지

연이 짧은 환경에 적합함

4610-5 10-4 10-3 10-2 10-10

2

4

6

8

10

12 x 105

PER (Satellite link)

Thro

ughp

ut (b

its/s

ec)

TCPTCP with Snoop


Open Source (PEPsal) [5] The open source TCP splitting solution for the GNU/Linux

operating systems TCP Splitting connection

• Enhanced TCP : TCP Hybla 적용

47[5] C. Caini, et al.,"PEPsal: A Performance Enhancing Proxy for TCP Satellite Connections",IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, 2007.


PEPsal 테스트베드 구성 (아주대) Program 설치환경

48

Iperf PEPsalMultiTCP

DummyNet Iperf

FreeBSD Ubuntu 12.04, Linux Kernel 3.0.0

Windows

Client PEP client Satellite emulator

PEP server Server

Ubuntu 12.04, Linux Kernel 3.0.0

PEPsalMultiTCP

Windows


PEPsal 성능검증 결과 (아주대)

49

0

5

10

15

20

25

0 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4

Thro

ughp

ut (M

bps)

BER (Bit Error Rate)

BW = 1Gbps, RTT = 500msRenoCTCPCubicPEPsal w/ CTCP

10 10 10 10 10 10 10 10

• PEPsal이위성환경에서기존기법보다좋은성능을보여줌


위성 실증 테스트 (아주대, ETRI 2014년 12월)테스트베드 구성

성능분석 결과 PEPsal의 TCP 처리율 성능이 기존 기법보다 향상됨

50

Client PEP client PEP server Server

천리안 위성

미적용(세션 1개)

적용(세션 1개)

미적용(세션 4개)

적용(세션4개)

TCP 처리율 0.858Mbits/s 3.48Mbits/s 0.387Mbits/s 1.2295Mbits/s

Ground station (Hub)

Satellite Ternimal

Bandwidth: 6Mbps

Research Issues –TCP performance degradation in lossy environment

NC-PEP [35] (아주대)목적 패킷 전달 신뢰성을 향상하고 기존의 전송 제어 프로토콜과 호환되어동작하는 네트워크 코딩이 적용된 PEP 기술을 제안• PEP에서 랜덤 선형 네트워크 코딩 (RLNC: Random Linear Network Coding)을 이용하여 TCP 세그먼트에서 Redundancy 세그먼트를 생성하여 전송

51

<NC-PEP의 시스템 모델>

[35] 이규환, 김재현 "위성통신에서신뢰성향상을위한랜덤선형네트워크코딩기술," 한국통신학회논문지, 제 38권 B호, pp.700-706, 2013년 9월.

Research Issues –TCP performance degradation in lossy environment

성능 평가 Segment 손실률, TCP 처리율

52

/RF R B<네이티브 세그먼트 손실률> <TCP 처리율>

B: RLNC 의묶음개수R: redundancy packet 수

• NC-R 세그먼트전송으로네이티브세그먼트손실률이낮아지고, 그에의해 TCP 처리율이향상됨

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.250

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

The segment loss probability (p)

p NC

Conv.NC-PEP (B = 16, RF = 1/8)NC-PEP (B = 16, RF = 1/4)NC-PEP (B = 16, RF = 1/2)NC-PEP (B = 8, RF = 1/2)NC-PEP (B = 4, RF = 1/2)

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.250

20

40

60

80

100

The segment loss probability (p)

Ave.

TC

P th

roug

hput

(TN

C )

Conv.NC-PEP (B=16, RF=1/8)NC-PEP (B=16, RF=1/4)NC-PEP (B=16, RF=1/2)NC-PEP (B=8, RF=1/2)NC-PEP (B=4, RF=1/2)

Research Issues –PEP with cross-layer design

53[36] K. H. Lee, and J. H. Kim, "Cross-layer Design for TCP Splitting Connections with Network Coding in DVB-RCS Networks," in Proc. ICTC 2014, Busan, Korea, 22-24. Oct. 2014.

Cross-layer design for PEP [36] (아주대)

<Cross-layer architecture in the proposed protocol.>

A Cross-layer Architecture

A Cross-layer Architecture

TCP CWND Tuning

Algorithm

TCP CWND Tuning

Algorithm

•DVB-RCS 네트워크에서 PEP를위하여 TCP와 링크계층 자원할당 간 Cross-layer 정보교환 구조제안

•DVB-RCS 네트워크에서 PEP를위하여 TCP와 링크계층 자원할당 간 Cross-layer 정보교환 구조제안

•자원할당정보와 Redundancy NC 패킷 전송률을 고려한 TCP 혼잡제어윈도우 튜닝기법

•자원할당정보와 Redundancy NC 패킷 전송률을 고려한 TCP 혼잡제어윈도우 튜닝기법

TCP requests resource allocation of Rate RD

Generation of TCP splitting connection

Generation of TCP splitting connection

Source STFeeder/

Gateway/NCC Destination

TCP SYN

TCP SYN

TCP SYN

Request message of resource allocation

Resource allocation of Rate RA

Rate RA is notified to TCP and TCP tunes

CWND

Decision of resource allocation for STs

<Procedure in the proposed protocol.>

RA is the capacity decided by the DAMA controller

α and β are the ratios of the overhead and the redundancy

10-6 10-5 10-4 10-3 10-250

60

70

80

90

100

110

120

130

140

Packet loss rate

Thro

ughp

ut (K

byte

s/se

c.)

System o/w NCSystem o/w NC (Static)System o/w NC (Prop.)

Research Issues –PEP with cross-layer design Cross-layer design for PEP

54

0 5 10 150

100

200

300

400

500

Elapsed Time (sec.)

Con

gest

ion

Win

dow

(Kby

te)

TCP RenoTCP HyblaProp.

• 위성자원정보를활용하기때문에지연없이사용가능한 TCP 혼잡제어윈도값을정할수있음

<CWND in DVB-RCS networks> <TCP throughput with NC in DVB-RCS networks>

• 패킷손실이발생하는환경에서제안기법이좋은성능을보여줌

Research Issues –PEP with cross-layer design Cross-layer design for PEP (실증실험) TCP CWND값에 위성 단말의 Bandwidth값 적용

55

<단일세션일때 TCP 처리율비교 >

10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-40

1

2

3

4

5

6

7

8

BER, in logarithm scale

Thro

ughp

ut, M

bps

ProposedCUBICHyblaReno

171%

19%16%

196%

493%

10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-40

0.5

1

1.5

2

2.5

3

BER, in logarithm scaleTh

roug

hput

, Mbp

s

ProposedCUBICHyblaReno

19%

174%

18%

63%

284%

<다중세션일때평균 TCP 처리율비교 (세션수=5)>

[37] 김종무, Nathnael Gebregziabher W., 이규환, 김재현 "위성통신에서 Cross-layer 기반 TCP 연결분할방식 PEP 구조및 TCP CWND 크기조절기법," in Proc. 한국통신학회하계종합학술발표회, 라마다프라자제주호텔 2층, 2015년 6월.

Research Issues –UDP tunneling in PEP UDP tunneling

56

TCP Sessions

UDP buffer

Aggregation & SchedulingUDP

encapsulation

UDP tunnelTX

UDP tunnel

UDPdecapsulation

UDP tunnelRX

Mapping

TCP Sessions

UDP buffer

Connectionmanagement

Connectionmanagement

Data Control

UDP

Client Server(Client PEP) (Server PEP)

Classical TCP




UDPClassical TCP Classical

TCP



Data linkPhysical

Network NetworkData linkPhysical

Data linkPhysical

Network

PEP PEP

Satellite linkWired link Wired link

• Connection managementbetween Client/Server PEPs

• Management of TCP sessions

Classical TCP• UDP Tunneling

<PEP 전체 구조>

TCP S

plit

ting

TCP S

plit

ting

다 세션 관리

Tunneling 기능

Splitting Connection

Splitting Connection

Research Issues –UDP tunneling in PEP UDP tunneling UDP와 간단한 Rate control 기능으로

효율적으로 tunneling 기능 구현 가능

57

Receiving buffer UDP

coin

Token bucket

위성 단말의Bandwidth 가

8Mbps인 경우

Research Issues - SOTM

SOTM 단말의 이동에 따른 위성 링크 단절 [37-38]

58

링크 단절

터널

터널 이동

[38] T. F. Sewell et al.,"Implementing SATCOM-on-the-move in the land environment - Relating technical solutions to operational reality", IEEE MilCIS2011, 2011.[39] V. Weerackody et al., "Technical Challenges and Performance of Satellite Communications on-the-Move Systems", JOHNS HOPKINS APL TECHICAL DIGEST, 2011.

SOTM: SATCOM-on-the-move

안테나 위치 보정 에러

안테나 위치 보정 에러

LOS간섭

현재 통신하는 위성근접 위성


세션 단절 해결 방안 (파라미터 tuning) TCP [39] TCP Connection failure 탐지 두가지 threshold 이용 (R1, R2)

• R1 > 3회 재전송, R2 > 100 sec.

R1 초과dead-gateway 진단 트리거R2 초과TCP connection close

RTCP (UDP) [40] RTCP: RTP flow의 세션 시작, 유지, 종료를 담당 RTCP 세션 유지

• 주기적으로 Keep-alive 전송 (Default value: 5 sec.)• Keep-alive가 timeout되면 세션 종료 (Default value: 60 sec.)

59

세션 단절을 고려한 파라미터 설정으로 TCP/RTCP 세션 유지

[40] L. Eggert et al.,"TCP User Timeout Option", RFC 5482, 2009.[41] H. Schulzrinne et al.,"RTP: A Transport Protocol for Real-Time Applications", RFC 3550, 2003.


세션 단절 해결 방안 (Bundle 프로토콜) 파라미터 Tuning의 한계 세션이 종료되게 되면 자동으로 복

구 불가 Bundle 프로토콜 [34] 지속적인 세션 유지를 위한 Bundle

layer 추가• 링크 단절을 감지하면 전송계층(TCP)

의 세션 강제 종료• 링크 이용 가능 감지하면 세션 초기화

하여 데이터 전송 재개

60[42] C. Caini, et al., "BDTN bundle layer over TCP: Retransmission algorithms in the presence of channel disruptions",J. Commun., vol. 5, no. 2, pp. 106–116, Feb. 2010.


SOTM 환경에서 AL-FEC 기법 (아주대)

61<시스템 모델>

[43] K. H. Lee, J. M. Kim, and J. H. Kim, "Transfer Time Analysis of Reliable AL-FEC Mechanism in SOTM Networks," Eurasip Journal on Wireless Communications and Networking, Oct. 2015.

AL-FEC [41] Application 계층에서 적용되는 FEC 기법으로 Erasure coding(RaptorQ Code)을 사용 코딩을 적용하는 데이터 블록 크기나 코딩율이나 시간 다양성을 자유롭게 조절 가능 재전송 지연이 발생하지 않음

(bit)


SOTM 환경에서 AL-FEC 기법성능분석 (city environment, blockage fraction = 33%) File delivery ratio, Goodput

62

• AL-FEC with UDP + ACK 교환기법으로파일전송신뢰성을보장

• 제안된 AL-FEC 기법이기존기법보다우수한 Goodput성능을나타냄 (재전송지연이발생하지않기때문)

106 107 108 1090

0.5

1

File size (bits)

File

del

iver

y ra

te

TCP RenoProp.AL-FEC (Fixed CR)AL-FEC (Fixed PP&CR)

106 107 108 1090

0.2

0.4

0.6

0.8

1

File size (bits)G

oodp

ut (M

bit/s

ec.)

TCP RenoProp. (Analysis)Prop. (Simulation)AL-FEC (Fixed CR)AL-FEC (Fixed PP&CR)

<File delivery ratio> <Goodput>

Approach in Network LayerRouting

63

군 위성 연동망 구조 및 특징

위성/타체계 연동망 참조망 구조(1/2)

64

타체계연동

육군 작전 사령부 공군 작전 사령부 해군 작전 사령부

합참

TICNLink-16

Link-11

위성망

군단

함대사

타체계: TICN, Link-16, Link-11, 각 군의 지휘통제체계 및 정보처리시스템 (ex. KJCCS, MIMS, KNCCS, KNTDS, AFCCS, MCRC, etc.), C4I 체계

iBGP (AS 내부)

위성망관리구조

위성링크

eBGP(AS↔AS)

OSPF

BGP

비행단

군 위성 연동망 구조 및 특징

위성/타체계 연동망 참조망 구조(2/2)운용국(합참) 중심의 Hub/Spoke 구조

65

운용국(합참)

분산망

통합망

Hub분산망 Hub

Hub/Spoke

분산망

망관리/제어

트래픽

군 위성 연동망 운용 방안

네트워크 계층 관련 연구 이슈차기 위성망 및 연동망 구조 상위 설계 타체계 특성 및 상호운용성에 대한 고찰 필요

위성망 IP 주소 체계 연구 타체계와 연동 및 경로선택 용이한 주소체계 망 내 가입자 수 증가에 따른 효율적 주소 할당 Broadcast, Multicast 등에 따른 IP 주소 할당

위성 연동망 라우팅 프로토콜 적용 방안 이동성 보장을 위한 Dynamic 라우팅 적용

라우팅 프로토콜 Cost Metric 설정 위성 운용 방안(Load balancing, Back-up link)에 따른 Cost metric 사

용 방안

66

연구 이슈

경로 정보 유지 및 업데이트단말 간 연결 유지를 위한 라우팅 제어 메시지 전송단말의 이동에 따른 동적 경로 정보 업데이트 메시지 전송

67

- Case 1: 주기적인 제어 메시지 전송 OSPF: Hello 메시지 (44bytes) BGP: Keepalive 메시지 (19bytes)

- Case 2: 단말의 이동 및 채널 state 변경 OSPF: LSU 메시지

OSPF 메시지 역할

Hello - 인접 라우터와의 링크 연결 상태 확인- 주기적으로 교환: Default 10초

Data Description - AS 또는 area에 대한 구조 정보 제공- Master device에 의해 slave device에 전달

Link State Request (LSR) - Link state 정보를 업데이트 요청

Link State Update (LSU) - Link state에 대한 정보 제공

Link State Acknowledgement (LSA) - LSU의 수신에 대한 ACK

BGP 메시지 종류

Open - BGP 라우터 간 TCP 연결을 설정하기 위한 파라미터 전송

Keepalive - BGP 연결 유지- 주기적으로 교환: Default 60초

Update - BGP 라우터 간 오류 발생 시, 오류 원인전달

Notification - 라우팅 정보 전송

<OSPF 제어메시지종류 [34]> <BGP 제어메시지종류 [35]>

[44] J. Moy, “OSPF Version 2,” RFC 2328, Apr. 1998.[45] Y. Rekhter, T. Li, and S. Hares, “A Border Gateway Protocol 4 (BGP-4),” RFC 1771, Jan. 2006.

연구 이슈

단말 이동성에 따른 경로 정보 업데이트 및 IP 주소 할당경로 정보 관리를 위한 제어 메시지 교환 (아주대)

68

성능분석환경 채널모델: AWGN 변조방식: 4-QAM, 16-QAM, 64QAM, 256QAM Hello packet size: 44bytes (최소크기)* Hello packet 전송주기: 10초 Hello packet 최대전송횟수: 4회 군단내라우터수: 200 대

0 5 10 15 20 25 3010

15

20

25

30

35

40

Eb/No (dB)

Am

ount

of e

xcha

nged

Hel

lo p

acke

ts (M

B)

M=4M=16M=64M=256

•나쁜채널환경: 35MB•좋은채널환경: 14MB

제어 메시지 교환 양 (10초)

• 제어 메시지 전송량 감소• 위성 링크 자원 할당 방안

연구 이슈

[44] J. Moy, “OSPF Version 2,” RFC 2328, Apr. 1998.

연구이슈

연구 이슈 별 성능 향상 예상 지표라우팅 제어 메시지 감소 방안 연구 제어 메시지 발생량 경로 정보 신뢰성

라우팅 제어 메시지 전송을 위한 위성 채널 자원 할당 Channel utilization 전송 신뢰성

유효 경로 유지 방안 연구 경로 정보 신뢰성

69

Summary

70

Summary

71

Application layer필요 기술 (Optional) : 데이터 압축, 데이터 캐싱

Transport layer필요 기술 (Mandatory) : TCP 최적화, 헤더 압축연구 이슈 Lossy 환경에서 TCP 성능 저하 PEP with Cross-layer design UDP tunneling in PEP SOTM 단말 지원 기술

Network layer필요 기술 (Mandatory) : 라우팅 제어 메시지 최적화

Thank you !

Q & A72

References

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performance enhancing proxy for satellite...

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