Nicolas KUHN le jeudi 21 novembre 2013

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1 Institut Supérieur de l Aéronautique et de l Espace(ISAE) Nicolas KUHN le jeudi 21 novembre 2013 Interactions inter-couches et liens à long délai et discipline ou spécialité ED MITT: Réseaux, télécom, système et architecture Équipe d'accueil ISAE-ONERA MOIS M. Jérôme LACAN(directeur de thèse) M. Emmanuel LOCHIN(co-directeur de thèse) Jury : M. Jean-Jacques PANSIOT- Professeur d'université- Rapporteur M. Thierry TURLETTI- Docteur- Rapporteur M. Patrick GELARD- Ingénieur-Chercheur- Examinateur M.DavidROS-Docteur-Examinateur M. Jérôme LACAN- Enseignant-Chercheur ISAE- directeur de thèse M. Emmanuel LOCHIN- Enseignant-Chercheur ISAE- co-directeur de thèse

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3 Acknowledgements, Remerciements Ce manuscrit est le résultat de trois années d études et d investissement personnel. Mais une thèse n aboutit que rarement quand le doctorant est seul. Je tiens donc particulièrement à remercier mes directeurs de thèse toulousains, Emmanuel Lochin et Jérôme Lacan, de l ISAE, et ma co-directrice de thèse du NICTA, Roksana Boreli. Sans leurs aides, leurs questions pertinentes et discussions intéressantes, je n aurais probablement pas pu fournir l ensemble des résultats présentés dans ce manuscrit de thèse. Sans directeurs de thèse, il n y a pas de thèse. Je remercie Jérôme de m avoir sorti de la couche physique où j errais en fin d école d ingénieur, et pour m avoir élevé vers le monde des couches hautes de la couche OSI. Mes directeurs ont toujours été là, pour que mon environnement de travail soit agréable, et pour préparer mon avenir de jeune chercheur. Bref, Merci. Une aventure à suivre, je l espère (mais dans un autre contexte qu une thèse!). J ai eu la chance de travailler avec mes directeurs de thèse pour une mission de R&T pour le Centre National d Etudes Spatiales (CNES), en collaboration avec Nicolas Van Wambeke et Mathieu Gineste de Thales Aleania Space (TAS). Nous avons ensemble contribué à la réussite d une mission de R&T pour Laurence Clarac, Caroline Bes et Emmanuel Dubois représentant le CNES. Je tiens donc à remercier l ensemble des équipes, avec qui j ai eu l occasion de parfaire mon éducation scientifique et mon aptitude à appréhender les difficultés liées à la réalisation d un projet. Entre deux lignes de codes et lectures de traces NS-2, discuter de tout et de rien permet un retour au travail avec un esprit reposé. Je tiens à remercier l ensemble de l équipe du Département Mathématique Informatique et Automatique (DMIA) de la formation ENSICA de l ISAE. Je ne souhaite pas faire de listes exhaustives des personnes que j ai eu la chance de cotoyer dans les deux laboratoires (de peur d oublier une personne), mais j espère sincèrement pouvoir continuer à collaborer avec un maximum d entre eux. Les techniques qu Olivier m a transmises (INTELLIPHONE!), la motivation sans limite de Yan et les pauses chocolats avec Guillaume m ont beaucoup aidé lors de mon séjour au NICTA. Je remercie particulièrement ma famille, mes amis et Laura, dont les soutiens m ont permis de continuer pendant les moments où ma productivité était mise à l épreuve. Je remercie infiniment mes directeurs de thèse, et l ensemble des personnes que j ai pu rencontrer durant les diverses réflexions qui ont permis la rédaction de ce manuscrit de thèse. iii

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5 Abstract Network providers offer services in line with users requests, even though the challenges introduced by their mobility and the download of large content are crucial. Mobile video streaming applications are delay sensitive and the increasing demand for this service legitimate extensive studies evaluating transmission delays. On top of physical transmission delays, accessing a resource or recovering data from lower layers should not be neglected. Indeed, recovery schemes or channel access strategies variously introduce end-to-end delays. This document argues that those cross-layer effects should be explored to minimize the transmission delays and optimize the use of network resources. Also, understanding the impacts of low layers protocols on the end-to-end transmission will enable better dimensioning of the network and adapt the traffic carried on. In the context of satellite 4G links, we measure the impact of link layer retransmission schemes on the performance of various transport layer protocols. We develop Trace Manager Tool (TMT) and Cross Layer InFormation Tool (CLIFT) to lead realistic cross layer simulations in NS-2. We show that, for all target TCP variants, when the throughput of the transport protocol is close to the channel capacity, using the ARQ mechanism is most beneficial for TCP performance improvement. In conditions where the physical channel error rate is high, Hybrid-ARQ results in better performance. In the last specifications for DVB-RCS2, two access schemes (random and dedicated) are presented and can be implemented to manage the way home users access to the satellite link for Web browsing or data transmission. We developed Physical Channel Access (PCA) that models in NS-2 the behaviour of those link layer level access methods. We measure that, even though dedicated access methods can transmit more information data, random access methods enable a faster transmission of short flows. Based on these results, we propose to mix random and dedicated access methods depending on the dynamic load of the network and the sequence number of the TCP segments. As a potential exploitation of cross layer information, we explore the feasibility to introduce low priority traffic on long delay path. The rationale is to grab the unused 4G satellite links capacity to carry non-commercial traffic. We show that this is achievable with LED- BAT. However, depending on the fluctuation of the load, performance improvements could be obtained by properly setting the target value. v

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7 Contents 1 Synthèse en français Introduction Contexte Contribution Notations Organisation G par satellite: mécanismes de retransmission de la couche liaison et TCP Définition d un réseau 4G et des protocoles évalués Fiabilisation de la couche liaison Fiabilisation au niveau transport Cross Layer InFormation Tool (CLIFT) Scénario Résultats Discussion Lien retour DVB-RCS2 : TCP et méthodes d accès Méthodes d accès au canal de DVB-RCS Physical Channel Access (PCA), un module pour NS Dimensionnement de la trame Utilisation du canal avec les méthodes à accès dédié Temps de transmission et flots courts Une solution potentielle: mixer les accès aléatoire et dédié Discussion Introduction d un trafic non perturbateur sur lien satellite avec le contrôle de congestion Low Extra Delay Background Transport (LEDBAT) vii

8 1.4.1 Le protocole LEDBAT LEDBAT pour transmission sur lien 4G satellite LEDBAT sur réseau long délai chargé Discussion Conclusion Introduction Context Contribution and organization Chapter 4: Link layer reliability schemes and TCP for 4G Chapter 5: Channel access methods and TCP for DVB-RCS Chapter 6: Exploit queuing delays to introduce less-than-best-effort traffic on satellite path State of the art Protocol stack OSI Model of a protocol stack Error-control codes Router buffering, queue management and congestion Transport layer congestion control protocols On the need for cross-layer simulations in the context of high BDP paths Evaluation of the performance of satellite networks Satellite networks and testbeds Network simulators On the difficulty to simulate the protocol stack Sublayer fragmentation in NS Link layer reliability schemes and TCP for 4G networks From 3.9G to 4G MAC/PHY considerations Simulate the impact of PHY/MAC on transport layers Impact of MAC layer on transport layer performance Solutions to improve the performance of TCP Benefits of our approach: realistic cross-layer measurements viii

9 3.4 On the need for evaluations of the impact of channel access methods on TCP for DVB-RCS2 links Notations Channel access on the return link Existing proposals to simulate the DVB-RCS2 link Existing studies on the impact of access methods on TCP Benefits of our approach: flexible access methods Router queuing delays and Less-than-Best-Efforts (LBE) traffic on satellite links Using extra bandwidth for traffic with LEDBAT on satellite links LEDBAT Algorithm Realistic cross-layer evaluations in 4G : on the impact of link layer reliability schemes on the performance of TCP Cross-Layer Information Tool (CLIFT): link layer reliability schemes on physical layer trace and integration in NS CLIFT main internal components Physical layer traces format Trace Manager Tool (TMT) and link layer reliability schemes NS-2 module inside CLIFT Tcl scripts for CLIFT Limits and extendability of CLIFT Physical layer for 4G satellite links Distribution scenario Interleaved Internet scenario Non Interleaved Internet Scenario Discussion Channel access methods and TCP: on the choice of a channel access method for the home users of the return satellite channel of DVB Physical Channel Access (PCA): modeling diverse link layer channel access methods in NS Model the access NS-2 module implementation details ix

10 5.1.3 Tcl scripts for PCA Limits and extendability of PCA Access methods Parameters Access methods Enabling random access methods for data traffic Problem presentation Traffic generation Throughput and datagram loss rate Discussion Transmission times of short flows TCP sessions HTTP traffic with Packmime Short flows and errors Mixing random and dedicated access methods Discussion Leveraging queuing delays to introduce less-than-best-effort traffic on satellite path LEDBAT versus TCP Vegas for LBE transmissions LEDBAT over a 4G Satellite Network G Satellite Network Configuration Simulation Results LEDBAT performance in a loaded satellite network Network configuration Presentation of the results: few users in the network Presentation of the results: fully loaded network Discussion Conclusion 144 A List of Publications 148 Bibliography 152 x

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13 List of Figures 1.1 Validation croisée de TMT et du modèle Fonctions enque() et deque() dans NS Débit de différentes versions de TCP en fonction du mécanisme au niveau de la couche liaison (voie montante) Impact de HARQ et ARQ quand Es/N0 décroît sur les performances de TCP Mesure des bénéfices de l entrelacement au niveau de la couche physique Taux d erreur paquet pour les méthodes d accès aléatoire à 5 db Allocation de capacité: enque() et deque() Nombre moyen de datagrammes transmis en 20 s Nombre moyen de datagrammes perdus en 20 s Existence de N U Réception des segments TCP Temps de réception moyenné Switch entre méthodes d accès aléatoire et dédié Architecture du réseau Partage de la capacité sans le Groupe A (charge du réseau peu élevée) Partage de la capacité avec le Groupe A (charge du réseau élevée) Upper and lower layers: illustration of fragmentation and recovery time One example of FEC, ARQ and HARQ Queuing time and buffer overflow enque() and deque() methods in NS Times Frequency block description Structure of software Physical layer traces: transmission and decoding times xiii

14 4.3 An overview of TMT states Markov chain Bursty errors and bursty erasure models Validation of efficiency throughput Validation of recovery delay Illustration of TMT Two datagrams sharing channel in NS Adaptation of the transmission date of the datagram Performance of physical layer codes in LTE context Throughput of different versions of TCP depending on link layer retransmission schemes (UP) Throughput of different versions of TCP depending on link layer retransmission schemes (DOWN) Transport layer performance: impact of HARQ-II and ARQ when Es/N 0 decrease Transport layer performance, without physical layer interleaving Capacity allocation: enque() and deque() enque() method flowchart adaptbitnextframe() function flowchart, used in the deque() method Packet loss rate for random access methods at 5dB Average number of datagrams sent per TCP sessions in 20 s Average number of datagrams lost per TCP sessions in 20 s Transmission efficiency Illustration of N U Evolution of TCP segment sequence number reception Cumulated reception time Datagrams errors and short flows Switch from random to dedicated access Network architecture Capacity sharing depending on the target value and the number of flows (without Group A) Capacity sharing depending on the target value and the number of flows (with Group A) xiv

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17 List of Tables 1.1 LEDBAT sur 4G Satellite Génération du trafic OSI Model Different versions of TCP Random access method performance Distribution scenario: transport layer retransmissions with CUBIC Average delay of IP packets (UP) Time needed to transmit 0.1 Mb Use case simulation parameters Transmission times of 30 kb HTTP request transmission times Retransmission probabilities Comparison of LEDBAT and Vegas fairness to CUBIC LEDBAT over 4G Satellite Simulation Parameters xvii

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19 Chapter 1 Synthèse en français 1

20 1.1 Introduction Contexte L Internet offre un service dit au mieux et supporte une augmentation croissantes des applications multimedia telles le video streaming, la VoIP ou les vidéo-conférences. Ces applications ont une forte contrainte en délai et l augmentation du nombre d usagers utilisant ce service légitime les études étendues qui tendent à évaluer le temps de transmission de l information. En effet, en plus du temps de transmission au niveau physique, il faut compter le délai d accès à la ressource et le délai nécessaire à la récupération de l information venant des couches inférieures. Les satellites prennent une part toujours plus importante dans les réseaux, comme dans le projet BATS 1, le délai de transmission de l information transportée sur ces liens est bien plus important que si le lien était filaire. En fonction de la technologie employée pour transmettre l information, des mécanismes de fiabilisation et des stratégies d accès au canal, le délai de transmission de bout-en-bout varie fortement. Bien que la pile protocolaire OSI ait été contestée, la constante évolution des demandes d accès à Internet impose que les modifications soient intégrées dynamiquement pour convenir aux besoins des utilisateurs. Implémenter une architecture différente serait, à ce jour, trop cher et les nouveaux besoins imposent une amélioration des protocoles au niveau de chacune des couches et une meilleure communication entre elles. Ce document insiste sur le fait que les impacts des protocoles des différentes couches doivent être étudiés avec attention dans le contexte des liens à long délai. Comprendre l impact des protocoles des couches basses sur la transmission de bout-en-bout permet un meilleur dimensionnement du réseau, une adaptation du trafic émis, ou l introduction d un service à faible priorité Contribution Dans cette thèse, nous avons mesuré l impact des mécanismes des couches liaison et réseau sur les performances de divers protocoles de congestion de la couche transport. Dans le contexte des liens 4G par satellite, nous proposons un ensemble d outils, Trace Manager Tool (TMT) et Cross Layer InFormation Tool (CLIFT), pour simuler de manière 1 2

21 réaliste l ensemble de la couche OSI dans le simulateur de réseau NS-2 et ainsi évaluer l impact des mécanismes de fiabilisation de la couche liaison sur les performances de différents protocoles de transport. Nous avons montré que, pour l ensemble des variantes de TCP considérées, quand le débit au niveau transport est proche de la capacité de canal, utiliser ARQ au niveau liaison est optimal. Dans le cas où le taux d erreur au niveau de la couche physique est plus élevé, HARQ permet d obtenir un meilleur débit au niveau transport. Les dernières spécifications concernant la voie retour du lien satellite DVB-RCS2 présentent deux méthodes d accès (aléatoire et dédié) qui peuvent être implémentées pour permettre aux utilisateurs d accéder à Internet ou de transmettre des données. Nous avons développé un module pour NS-2, Physical Channel Access (PCA), qui modélise l accès au canal pour chacune de ces méthodes afin de comparer leur impact sur les performances de bout-en-bout. Nous avons mesuré que les méthodes d accès dédié permettent un débit plus important et les méthodes d accès aléatoire une transmission rapide des flots courts. Nous avons donc proposé de mixer ces méthodes d accès, en fonction de l évolution dynamique de la charge du réseau et de la taille du flot de données transmis. Finalement, nous avons étudié s il était possible d exploiter les données de la gateway du satellite pour introduire un trafic à priorité basse. Nous avons montré qu il était possible avec Low Extra Delay Background Transport (LEDBAT) comme protocole de la couche transport d introduire un trafic en tâche de fond. Cependant, en fonction de la variation de la charge du réseau, paramétrer correctement son mécanisme interne est nécessaire Notations Pour des raisons de clarté, nous définissions les termes qui vont être utilisés dans ce document: Flot: transmission d information au niveau de la couche transport; Datagramme: fragmentation au niveau de la couche réseau d un flot; Trame: ensemble de paquets d informations répartis sur un bloc temps fréquence entre les utilisateurs et la gateway satellite, générée tous les T F ; Link Layer Data Unit (LLDU ): N data octets d un datagramme; 3

22 Physical Layer Data Unit (PLDU ): LLDU avec N repair octets de redondance optionnels (N = N data + N repair ); Blocs: les PLDUs peuvent être répartis en N block blocs si la méthode d accès en a besoin; Timeslots: élément d une trame où un bloc peut être inséré Organisation La Section 1.2 présente CLIFT et TMT ainsi que nos résultats de mesures et interprétations dans le cadre de notre étude sur l impact des mécanismes de fiabilisation de la couche liaison sur les performances de TCP. Nous détaillons PCA et les mesures relatives aux méthodes d accès et performances de bout-en-bout dans le contexte de DVB-RCS2 en Section 1.3. La Section 1.4 rassemble les résultats de nos expérimentations sur le protocole LEDBAT afin d évaluer sa capacité à supporter du trafic en tâche de fond dans le contexte de liens satellitaires. Nous proposons une conclusion de l ensemble de ces travaux en Section G par satellite: mécanismes de retransmission de la couche liaison et TCP Dans le contexte des liens satellite pour la 4G et des canaux Land Mobile Satellite (LMS), les auteurs de [1, 2] mesurent les variations importantes du rapport signal-à-bruit du canal. Des longs paquets d erreurs au niveau de la couche physique résultent en perte massive de données utiles que les mécanismes de correction d erreur ne peuvent pas récupérer. L implémentation de codes correcteurs d erreur de la couche physique est souvent liée à un matériel spécifique, ce qui les rend peu modifiable une fois le produit déployé. Des mécanismes de fiabilisation peuvent être introduits au niveau de la couche liaison pour corriger les données non reconstruites par la couche physique. Ainsi, dans les systèmes cellulaires définis par LTE-Advanced, des mécanismes de type HARQ peuvent être introduits au niveau de la couche liaison [3, 4]. Il existe également de nombreux autres mécanismes qui ont été évalués en modélisant les erreurs pouvant se produire sur le canal de transmission [5, 6]. 4

23 L étude des interactions entre les protocoles des couches transport et liaison ont fait l objet de plusieurs études [7, 8, 9], toutefois, la spécificité du lien satellite avec un récepteur mobile (taux d erreur bit plus important) et les évaluations de performance avec les protocoles de contrôle de congestion les plus récents, amènent à penser que des travaux supplémentaires sont nécessaires. Les auteurs de [10] prouvent que, dans la plupart des cas, introduire ARQ au niveau de la couche liaison, permet d améliorer les performances d une version basique de TCP. Ce résultat a été vérifié en simulation NS-2 par [11], où les auteurs suggèrent qu un simple mécanisme de retransmission est suffisant, et que l introduction de redondance est trop coûteux en bande passante. Toutefois, les auteurs de [12] montrent un avantage inhérent au mécanisme HARQ quand il y a un lien satellite dans le réseau. Nous proposons donc des études supplémentaires sur l impact des mécanismes de la couche liaison avec une considération réaliste des performances des codes de la couche physique et du modèle du canal. Pour ce faire, nous avons développé Cross Layer In- Formation Tool [13, 14] (CLIFT) qui (1) implémente les mécanismes de fiabilisation de la couche liaison sur des traces issues de la couche physique à l aide d un autre outil développé Trace Manager Tool (TMT) et (2) charge ces traces de la couche liaison dans le simulateur de réseau NS-2. Ces résultats sont publés [15] Définition d un réseau 4G et des protocoles évalués Dans cette section, nous définissons les spécifications derrière l appellation 4G et les mécanismes de fiabilisation de la couche liaison dont les impacts sur différentes versions de TCP seront évalués par la suite Réseau 4G Le terme 4G désigne le standard pour la quatrième génération de communication mobile. Les applications considérées qui utilisent la 4G incluent l accès à Internet, la téléphonie sur IP, les jeux en lignes ou la télévision haute définition. Toutes ces applications nécessitent une important bande passante et une réactivité directe. En 2008, le International Telecommunications Union-Radio communications sector (ITU-R) a défini les standards pour définir ce qu est un réseau 4G, détaillés dans [16]. Les spécifications indiquent que, pour être qualifié de 4G, un accès doit garantir aux usagers rapides (voitures, trains) un 5

24 débit de 100 Mbps et aux usagers plus lents un débit de 1 Gbps. Il y a eu plusieurs problèmes quant à la détermination du terme 4G 2, tant des fournisseurs commercialisaient des services 4G sans pour cela répondre aux critères de la spécification. C est dans ce contexte que nous proposons d évaluer l impact des mécanismes de fiabilisation de la couche liaison sur les performances de TCP. Nous détaillons donc dans les prochaines sections les protocoles utilisés au niveau des couches liaison et transport Fiabilisation de la couche liaison Cette section rassemble les mécanismes de fiabilisation qui peuvent être implémentés au niveau de la couche liaison, la compréhension de leur fonctionnement permettant une meilleure appréhension de leur impact respectif sur les performances de TCP. Nous considérons des Link Layer Data Unit (LLDU ) comme unité de données de la couche liaison. Nous proposons de détailler le fonctionnement des mécanismes de fiabilisation de la couche liaison dont les impacts sur les protocoles de transport seront étudiés. Au niveau de la couche liaison des retransmissions et/ou de la redondance peuvent être introduits [17, 6], dont nous proposons la classification suivante: Forward Error Correction (FEC) Forward Error Correction est un schéma dans lequel l émetteur envoie une combinaison de données utiles et de redondance. Notons par N D (resp. N R ) le nombre de données utiles (resp. de redondance), et N = N D + N R. La récupération des N D blocs de données utiles est possible si au moins N D blocs ont été reçus. Si il y a plus de N R effacements, aucune correction n est possible. Avec ce schéma, il n y a aucune retransmission. Automatic Repeat request (ARQ) La famille des Automatic Repeat request peut être découpée en différentes sousfamilles: Stop-and-Wait ARQ, Go-Back-N ARQ ou Selective-Repeat ARQ. Nous considérons, dans ce document, uniquement le mécanisme SR-ARQ qui consiste en la retransmission des LLDUs qui ont été perdus lors de la transmission. Nous notons SR-ARQ par ARQ. 2 6

25 Hybrid-Automatic Repeat request (HARQ) Hybrid-Automatic Repeat request mécanisme est une combinaison des mécanismes FEC et ARQ décrits ci-dessus. Après la transmission d un premier bloc FEC, avec des LLDU utiles et de redondance, HARQ autorise l émetteur à transmettre des LLDUs de redondance supplémentaires pour le cas où la récupération de l ensemble des LLDU utiles n a pas été possible du côté récepteur. Bien qu il existe un nombre important de mécanismes de fiabilisation, nous focalisons notre attention sur FEC, ARQ et HARQ, tant leur généricité nous suffit pour obtenir une mesure réaliste des impacts des mécanismes de fiabilisation de la couche liaison sur les performances de TCP (dont les versions choisies sont présentées dans la prochaine section) Fiabilisation au niveau transport Les fonctionnalités de références du protocole TCP sont définies dans la RFC de TCP NewReno [18]. TCP a été défini dans un premier temps dans un contexte où la couche physique récupère une très grande partie de l information. L introduction de canaux sans fil et long délais ont amené à effectuer des modifications dans le fonctionnement de base du protocole. Les différentes variantes du protocole TCP étudiées sont TCP NewReno [18], TCP Westwood [19], TCP Vegas [20], TCP Hybla [21], TCP CUBIC [22] et TCP Compound [23] Cross Layer InFormation Tool (CLIFT) Ne disposant pas de testbed nous permettant de mesurer l impact des mécanismes de la couche liaison sur ces versions de TCP, nous avons développé Cross Layer InFormation Tool qui repose sur des traces issues de la couche physique et NS-2. Nous présentons la logique de développement dans cette section Structure de CLIFT L idée générale de CLIFT est de déterminer les temps de transmission de datagrammes de TCP en fonction des caractéristiques des couches basses: CLIFT implémente les mécanismes de fiabilisation de la couche liaison sur des traces issues de la couche physique pour produire des traces équivalentes à la sortie de la couche liaison. Ensuite, CLIFT fragmente 7

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