Summer
2009

Wireless Mesh Network Technologies
[xx xxx] Halbkurs (PI)

VL: Monday+Wednesday, 09:00 -11:00, RUD 2x, x.xxx; Lecturer:  Dipl.-Inf. Anatolij Zubow
PR: xx:xx - xx:xx, RUD 2x, x.xxx; Dipl.-Inf. Mathias Kurth

Computer Science Department
Systems Architecture Group

   src:wikimedia.org

Problems of TCP in Wireless Mesh Networks

TCP ist ein bedeutendes Protokoll im Internet und auch in WMNs, wenn diese beispielsweise Internet-Zugang bereitstellen. Allerdings leidet die Leistung von TCP im Besonderen unter den veränderten Bedingungen in WMNs. In diesem Praktikum wollen wir die Probleme von TCP in WMNs mit Hilfe eines Netzwerksimulators näher beleuchten und Lösungsansätze diskutieren.

Das Praktikum soll das Verständnis von folgenden Verfahren, Methoden, Protokollen und Werkzeugen vertiefen:

• TCP, TCP in Wireless Networks
• Wireless Medium Access in WMNs, IEEE 802.11
• Modelle der Signalausbreitung in Paket-Simulatoren
• Routing in WMNs, Open Link State Routing (OLSR)
• Leistungsbewertung mittels Netzwerksimulatoren auf Paket-Basis
• Ns-3 & Network Simulation Cradle
• Wireshark, TcpTrace

Voraussetzungen

• Ns-3 (Trunk oder 3.4, in VMWare Image schon enthalten, sonst www.nsnam.org)
• Nsc (0.5.0, in VMWare Image schon enthalten, sonst www.wand.net.nz/~stj2/nsc)
• Wireshark, TcpTrace
• Python & C++ IDE (Empfehlung: Eclipse oder Netbeans)

Aufgaben

1. Informieren Sie sich (sofern erforderlich) über TCP und die Probleme von TCP in drahtlosen Netzwerken (siehe dazu Abschnitt „Weiterführende Literatur“). Informieren Sie sich zusätzlich, welche TCP Varianten im ns-3 und im nsc verfügbar sind.
    

2. Vorbereitung: Ermitteln Sie die charakteristische Distanz-PER Kurve (siehe dazu das Beispiel-Programm “wifi-adhoc.cc”). Realisieren Sie ein Rician Fading Model im Simulator nach Punnoose et al. (siehe Literaturhinweise) und wiederholen Sie die Messung mit den Parametern K=6 [dB] und MaxVelocity=2.5 [m/s].
   Hinweis: Die aktuellen Konfiguration können Sie mit dem GtkConfigStore einsehen.
    

3. Im ersten Schritt wollen wir die Probleme von TCP in drahtlosen Netzwerken reproduzieren. Richten Sie dazu die folgenden Szenarios mit Hilfe von ns-3 ein. Es soll jeweils eine große Datei zwischen Sender(n) und Empfängern ausgetauscht werden. Als Routing-Protokoll soll OLSR zum Einsatz kommen (soweit erforderlich). Bedenken Sie, dass das Routing-Protokoll einige Zeit zum Stabilisieren der Routingtabellen braucht. Es soll keine Bitraten-Adaption stattfinden (6 Mbps). Achten Sie darauf, dass auf MAC Ebene nicht Fragmentiert wird und kein RTS/CTS Austausch stattfindet. Erhöhen Sie die Maximum Segment Size auf die für das Internet typische Größe. Setzen Sie den CCA Mode 1 (Energy) Threshold auf den im IEEE 802.11g spezifizierten Wert. Heben Sie zusätzlich den Energy DectectionThreshold um 5 dB über den für IEEE 802.11a/g typischen Wert für thermisches Rauschen. Verwenden Sie obiges Fading-Modell. Analysieren Sie die Ausgaben mit den Werkzeugen Wireshark und TcpTrace. Entscheiden Sie, welche Größen für Aussagen über die Performance aussagekräftig sind.
   Szenarios:

   1. Single Hop mit fester (aber parametrisier-barer) Entfernung zwischen den Knoten, ein Sender und ein Empfänger.

   2. Kette von n Knoten (Parameter n) mit gleicher Entfernung(Parameter). Sender und Empfänger sitzen jeweils an den Enden der Kette.

   3. Analog zu b, nur dass der Empfänger ein mobiler Knoten ist, der in der Nähe des Senders startet und entlang der Kette zu deren anderen Ende fährt (mit parametrisier-barer Geschwindigkeit).

   4. Analog zu b, allerdings mit einem zusätzlichen TCP-Fluss zwischen Knoten im Inneren der Kette.
       

4. Messen Sie die Performance der ns-3 TCP-Implementierung und des Linux 2.6 Stacks in allen Szenarios in Abhängigkeit der Parameter und stellen Sie der Ergebnisse grafisch dar. Welche Probleme im Zusammenhang mit der Leistung des TCP können Sie in Ihren Ergebnissen ausmachen, und wo liegen deren Ursachen?
   Hinweis: Zur Erfassung von Messwerten können Sie das Statistical Framework des Simulators verwenden (http://www.nsnam.org/wiki/index.php/Statistical_Framework_for_Network_Simulation).
    

5. Ein Ansatz zur Leistungssteigerung von TCP in drahtlosen Netzwerken ist Westwood+. Dieses Protokoll ist im Linux-Stack implementiert. Bewerten Sie anhand von Simulationen analog zu Aufgabe 2, ob und in wie weit diese Erweiterung die Probleme lösen kann.
    

Zusatz

Mit dem Berlin RoofNet steht uns ein reales Maschennetzwerk auf IEEE 802.11 Basis zur Verfügung. Sie können Ihre Simulationsergebnisse zusätzlich im Berlin RoofNet validieren. Nehmen Sie dazu Kontakt mit Ihrem Praktikumsleiter auf, der Ihnen einen Zugang bereitstellt.

Abzugeben sind

• Ein Bericht, der die durchzuführenden Messungen protokolliert und auswertet (HTML oder PDF). Der Versuchsaufbau und die Durchführung soll reproduzierbar beschrieben werden (Topologie, Parameter, etc.).

• Den finalen Quellcode aus Aufgabe 6 als ein ZIP-Archiv.

Literatur

	Stevens. TCP/IP Illustrated.
	Tian, Xu, Ansari. TCP in wireless environments: problems and solutions.
	Fu, Zerfos, Luo, Lu, Zhang, Gerla. The impact of multihop wireless channel on TCP throughput and loss.
	Ns-3. http://www.nsnam.org/
	Ns-3 Documentation. http://www.nsnam.org/doxygen, file://home/user/Projects/ns-3/doc
	Workshop on ns-3. http://www.nsnam.org/wiki/index.php/Wns3-2009.
	Network Simulation Cradle. http://research.wand.net.nz/software/nsc.php
	Matthew Gast. 802.11 Wireless Networks: The Definitive Guide, Second Edition. O'Reilly, 2005.
	Walke. IEEE 802 Wireless Systems: Protocols, Multi-Hop Mesh/Relaying, Performance and Spectrum Coexistence. Wiley & Sons, 2006.
	RFC3626: Optimized Link State Routing Protocol (OLSR). http://portal.acm.org/citation.cfm?id=RFC3626
	Lacage. Yet Another Network Simulator, 2006.
	Punnoose. Efficient simulation of Ricean fading within a packet simulator, 2000. Quellen:  http://www.winlab.rutgers.edu/~zhibinwu/html/ns_fading_error.html
	IEEE 802.11abg Standards.
	Koukoutsidis. TCP over 3G links: Problems and Solutions, 2009.