-
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA PS-GRADUAO EM REDES DE
COMPUTADORES E COM. DE DADOS
DEPARTAMENTO DE COMPUTAO
DESEMPENHO DO PROTOCOLO TCP EM REDES WIRELESS
Londrina - PR 2005
-
1
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA PS-GRADUAO EM REDES DE
COMPUTADORES E COM. DE DADOS
DEPARTAMENTO DE COMPUTAO
JOO PAULO ALVES
DESEMPENHO DO PROTOCOLO TCP EM REDES WIRELESS
Monografia apresentada ao curso de Especializao em Redes de
Computadores e Comunicao de Dados, da Universidade Estadual de
Londrina, como requisito parcial para obteno do ttulo de
especialista.
Orientador: Prof. Msc. Fbio Czar Martins
Londrina PR 2005
-
2
Alves, Joo Paulo Desempenho do Protocolo TCP em Redes
Wireless Local: Universidade Estadual de Londrina, 2005. 69
pginas
Trabalho (Ps-Graduao) Universidade Estadual de Londrina UEL:
Londrina PR, 2005.
-
3
JOO PAULO ALVES
DESEMPENHO DO PROTOCOLO TCP EM REDES WIRELESS
Esta monografia foi julgada adequada para obteno do ttulo de
Especialista, e aprovada em sua forma final pela Coordenao do Curso
de Especializao em Redes de Computadores e Comunicao de Dados, do
Departamento de Computao da Universidade Estadual de Londrina.
Banca Examinadora:
____________________________________________
____________________________________________
____________________________________________
-
4
AGRADECIMENTOS
Agradeo a Deus, pelas grandes maravilhas realizadas em minha
vida.
-
5
DEDICATRIA
Dedico este trabalho a todos que contriburam durante o
desenvolvimento.
-
6
D eus quer, o hom em sonha, a obra nasce.
F ernando Pessoa
-
7
RESUMO
O objetivo deste trabalho demonstrar o impacto negativo no
desempenho, provocado pelo uso do protocolo de transporte
Transmission Control Protocol (TCP) sobre redes sem fios. Esta
reduo significativa de desempenho se d principalmente pela grande
perda de pacotes ocasionada pelas condies de transmisso neste
ambiente de rede, uma vez que suscetvel a diversos tipos de
interferncias, dentre outros fatores. Este problema ocorre no TCP
devido ao seu mecanismo de congestionamento, o qual interpreta
erroneamente a alta taxa de erros presentes nestas redes como
situaes de congestionamentos, o que faz com que o mecanismo
especfico para a situao seja ativado, reduzindo assim
consideravelmente o desempenho. Neste contexto, se faz necessrio o
entendimento das caractersticas do protocolo bem como da tecnologia
de transmisso em redes sem fios para compreenso do problema.
Existem atualmente algumas propostas para otimizao do desempenho
nestas condies, as quais tambm esto abordadas neste estudo.
Palavras-chave: TCP. Desempenho. Wireless. Congestionamento.
-
8
ABSTRACT
The goal of this paper is to show the negative impact in the
performance by the use of transmission control protocol on nets
without wires. This reduction significative in the performance
happens meanly by the big loss of packages caused by conditions of
transmission in this surrounding net, once it is susceptible to
some kinds of interferences, among other factors. This problem
happens in the TCP because of mechanism of congestion, that expound
falsely the high tasc of errors presents in these nets as
situations of congestion that make the specific mechanism to the
situation to be activated, reducing so considerably the
performance. In this context, it is necessary the understanding of
characteristics of protocol how the technology of transmission in
nets without wires so that we can understand the problem. There are
nowadays some offers for better performance in these conditions,
that are related in this application.
Palavras-chave: TCP. Performance. Wireless. Congestion.
-
9
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Transmisso
FHSS....................................................................
33
Figura 2 - Transmisso
DSSS....................................................................
35
Figura 3 - Modulao
OFDM......................................................................
37
Figura 4 - Basic Service Set (BSS)
........................................................... 38
Figura 5 - Extended Service Set (ESS)
...................................................... 39 Figura 6
- Independent Basic Service Set
(IBSS)....................................... 40 Figura 7 - Mbile
Ad Hoc Networks (MANET)
............................................ 41 Figura 8 - IEEE
802.11...............................................................................
41
Figura 9 - Estrutura do Protocolo M-TCP
................................................... 57
-
10
SUMRIO
CAPTULO 1 -
INTRODUO..............................................................
12
CAPTULO 2 PROTOCOLO DE TRANSPORTE TCP ......................
14
2.1
Introduo...................................................................................................
14 2.2 Confiabilidade na Transmisso dos
Segmentos............................................ 16 2.3
Estabelecimento e Encerramento de Conexes TCP
.................................... 19 2.4 Portas de Comunicaes
...............................................................................
19 2.5 Tratamento de Dados Urgentes
.....................................................................
20 2.6 Determinao do Tamanho dos
segmentos................................................... 21 2.7
Confirmao e
Retransmisso.......................................................................
22 2.8 Tratando o Timeout e
Retransmisso............................................................
23 2.9 Reao ao congestionamento
........................................................................
25
CAPTULO 3 TECNOLOGIAS DE REDES SEM FIOS......................
29
3.1
Introduo......................................................................................................
29 3.2 O padro IEEE 802.11
..................................................................................
30 3.3 Tcnica de Transmisso Spread Spectrum (Espalhamento
Espectral) ......... 31 3.4 Spread Spectrum com Salto de
Freqncia................................................... 33 3.5
Spread Spectrum com Seqncia Direta
....................................................... 34 3.6
Orthogonal Frequency Division Multiplexing
(OFDM)............................... 36 3.7 Modos de
Operao.......................................................................................
37 3.8 Controle de Acesso ao Meio
.........................................................................
41 3.9 Caractersticas de transmisso em redes sem
fios......................................... 42 3.10 Avaliando o
desempenho
............................................................................
45
CAPTULO 4 PROPOSTAS EXISTENTES PARA OTIMIZAO DO PROTOCOLO TCP
SOBRE REDES SEM FIOS .................................. 48
4.1 Protocolos de Camada Inferior ao TCP
........................................................ 48 4.1.1
Protocolo Snoop
................................................................................................48
4.1.2 Protocolo Snoop
Otimizado............................................................................50
4.2 Protocolos com quebra de
conexo...............................................................
51 4.2.1 Mecanismos de Notificao
Explcita..........................................................52
4.2.2 Tcnicas de Reconhecimentos Mltiplos
....................................................54 4.2.3 TCP
Indireto (Indirect
TCP)...........................................................................55
4.2.4 Mbile Transmission Control Protocol (TCP Mvel)
.............................56
4.3 Protocolos com conexo
fim-a-fim...............................................................
58 4.3.1 Freeze
TCP..........................................................................................................59
4.3.2 TCP com reconhecimento seletivo
...............................................................60
-
11
4.3.3 TCP WestWood
.................................................................................................61
5 - CONCLUSES
................................................................................
63
5.1 Proposta de trabalho futuro
...........................................................................
65
REFERNCIAS
.....................................................................................
67
-
12
CAPTULO 1 - INTRODUO
As redes sem fios, ou wireless, como tambm so conhecidas,
caracterizam
uma forma de acesso complementar em ambientes corporativos, alm
de solues
domsticas. Tudo isso se d principalmente pela mobilidade
oferecida, onde em
apenas alguns instantes so montadas redes estruturadas ou ad hoc
capazes de
oferecer acesso atravs da transmisso de rdio freqncia,
dispensando assim a
utilizao de cabos.
A diferena entre redes sem fio (wireless) e redes cabeadas
(wired) se d basicamente no meio fsico, onde em uma a transmisso
feita por meio do spectro
(wireless), e na outra direcionada atravs de cabos metlicos ou
de fibras ticas (wired).
A utilizao do spectro como meio de transmisso, possibilita que
os
equipamentos dispensem a utilizao de cabos, o que favorece a
mobilidade. Em
contrapartida, traz uma srie de problemas no presentes nas redes
cabeadas,
principalmente no que tange em relao ao desempenho.
A transmisso realizada atravs do spectro sofre uma srie de
interferncias
e perdas de potncia do sinal causadas por diversos fatores,
dentre eles a presena
de paredes e outros equipamentos utilizando a mesma faixa de
freqncia. Isto
causa grande perda de pacotes, o que afeta drasticamente o
desempenho da rede.
Ainda existe o problema da desconexo e handoff dos equipamentos
causados pela
mobilidade, o que caracteriza uma pausa temporria na
transmisso.
Junto a estes problemas, surge um outro derivado do protocolo de
transporte
da rede, o TCP (Transmission Control Protocol). Neste caso, a
rede interpreta as perdas de pacote da rede wireless, sejam
causadas por erros de transmisso ou por
-
13
desconexes, como congestionamentos, pois a verso padro do
protocolo no
consegue distinguir estas situaes.
O objetivo deste trabalho estudar a queda de desempenho em redes
wireless, causada pelo mecanismo de congestionamento do protocolo
TCP. Para
isso, no captulo 2 sero abordadas as caractersticas do
protocolo, a fim de
entender os princpios bsicos de transmisso, principalmente do
mecanismo de
congestionamento.
No captulo 3 ser dada uma viso geral das redes sem fio,
procurando
estabelecer diferenciais com as tecnologias existentes de redes
cabeadas. J no
captulo 4 sero demonstradas as solues existentes para otimizar o
desempenho
sobre redes wireless. Ao final sero apresentadas as concluses
sobre o estudo e
apresentada uma nova proposta para otimizao do protocolo.
-
14
CAPTULO 2 PROTOCOLO DE TRANSPORTE TCP
2.1 Introduo
Em alguns modelos de referncia utilizados por protocolos de
rede, como por
exemplo no Open Systems Interconection (OSI), existe uma srie de
camadas com funes distintas, mas que empregam um objetivo final
nico, prover a transmisso de pacotes entre dois pontos
caracterizados como transmissor e receptor,
interligados por um meio fsico.
Algumas camadas, geralmente de nvel mais baixo, aplicam o
conceito de
transmisso no confivel, tendo a obrigao apenas de enviar o
pacote, deixando
de se preocupar se este foi ou no entregue, ou como foram as
condies de
entrega. Neste caso, atrasos, congestionamentos da rede, perdas,
duplicidades, ou
at mesmo rompimento do pacote devem ser considerados, porm, no
so
tratados, o que no possibilita confiana na transmisso.
Do outro lado, em camadas superiores, aplicativos necessitam
de
mecanismos para controlar o fluxo da transmisso, uma vez que h
grande volume
de dados a serem transmitidos. Uma soluo para isso implementar
meios no
prprio aplicativo, mas com a grande diversidade de sistemas
clientes/servidor, se
torna uma tarefa rdua e redundante.
Neste contexto, se torna essencial o uso de um protocolo que
oferea
principalmente controle de fluxo e confiabilidade na transmisso.
O Transmission
Control Protoco (TCP) emprega uma srie de mecanismos para
oferecer estas funes, dentre eles est o controle de fluxo atravs do
gerenciamento do tamanho
-
15
de segmentos e janelas, alm da confiabilidade alcanada pela
utilizao da tcnica de confirmao positiva com retransmisso.
Todas estas caractersticas fazem do TCP atual um excelente
protocolo de
transporte, o qual foi projetado para se adaptar aos mais
variados tipos de redes, com diferentes taxas de erros e capacidade
de transmisso. Alm disso, o TCP
suporta diversas tecnologias, tais como conexes por linha
discada, rede local com
par tranado, redes de fibra tica e redes wireless.
Segundo TANENBAUM (1997), a primeira implementao do TCP foi
definida atravs da RFC 793. Conforme erros foram detectados e as
tecnologias de redes
evoluram, outras verses como a definida na RFC 1122 surgiram.
Outras extenses
do protocolo foram definidas na RFC 1323. Derivadas destas
definies surgiram
tambm verses como o TCP Tahoe e TCP Reno.
Atualmente existem diversas verses do protocolo, muitas delas
com
caractersticas especficas para operar sob uma determinada
tecnologia de rede,
como por exemplo em redes wireless. A verso mais utilizada no
mundo atualmente
a TCP Reno, por apresentar melhor desempenho e adaptao nos mais
variados
tipos de redes.
No decorrer do captulo, sero apresentadas algumas caractersticas
do
protocolo TCP, para fim de melhor entendimento dos mecanismos
que envolvem
todo o processo de controle de fluxo e confiabilidade, os quais
so os objetos de estudo deste trabalho por afetar drasticamente o
desempenho de uma rede sem fio
ou heterognea. O principal ponto em estudo o mecanismo de
controle de
congestionamento, o qual ser apresentado em maiores
detalhes.
-
16
2.2 Confiabilidade na Transmisso dos Segmentos
Como visto anteriormente, o TCP um protocolo que oferece
confiabilidade
na transmisso. Para que isso seja possvel, so empregadas algumas
caractersticas que tambm so comuns a outros protocolos de
transporte, so elas:
- Orientao de Stream
- Circuito Virtual
- Transmisso buferizada
- Stream Desestruturado
- Conexo Full Duplex
A orientao pode ser resumida como o sincronismo dos dados, ou
seja, os servios de transmisso de ambas as partes so sincronizados
de forma que a
seqncia de envio e recebimento dos dados seja a mesma para o
transmissor e receptor. Assim, o problema do recebimento de
segmentos desordenados
resolvido.
J a conexo atravs de circuito virtual tenta estabelecer, de
forma lgica, um
circuito ponta a ponta, ou seja, entre o transmissor e receptor.
A funo bsica do circuito controlar a transmisso, desde o
estabelecimento at o encerramento, por
meio de mensagens de controle. Inicialmente, informaes so
trocadas de forma a
estabelecer o circuito. Posteriormente, outras mensagens
informam tanto o
transmissor quanto o receptor sobre o estado da conexo. Isso se
d at a
finalizao do circuito, seja com consenso de ambas as partes ou
por falha de algum hardware.
No caso da transmisso buferizada, os aplicativos passam os dados
ao
protocolo e este se encarrega de dividi-los em segmentos de
tamanho variado,
-
17
sempre buscando a eficincia na transmisso. Assim, mesmo que o
aplicativo envie
um octeto por vez ou um conjunto elevado de octetos, o protocolo
poder ajust-lo em um tamanho de segmento que proporcione maior
eficincia na transmisso dos
dados.
Uma outra caracterstica a desestruturao dos segmentos de dados,
onde
no possvel identificar particularidades nos dados transmitidos.
Diante disso, os
aplicativos que devem entender o formato e se adaptar, e no o
contrrio.
O mecanismo de conexo permite tambm ao TCP implementar conexes
do
tipo full duplex. Assim, existe na verdade duas conexes fluindo
dados
simultaneamente, o que permite que haja maior throughput na
rede. O TCP implementa ainda uma tcnica de transmisso conhecida
como
confirmao positiva com retransmisso, juntamente com o protocolo
de janela deslizante. Com estes recursos, a transmisso deixa de ser
realizada por pacotes
isolados e passa a ser composta por um conjunto de pacotes, o
que forma a idia de uma janela. Desta forma, a capacidade da rede
pode ser melhor utilizada, uma vez que o throughput aumenta devido
reduo ou extino do tempo de inatividade da
rede.
O funcionamento do protocolo de janela deslizante do TCP segue a
idia inicial apresentada sobre janelas TCP. O que se pode acrescer
em relao ao tamanho da janela, a qual varivel dependendo do tamanho
do buffer disponvel no lado do receptor. O tamanho definido atravs
das confirmaes que chegam do
receptor, as quais possuem um campo denominado notificador de
janela, o qual informa o tamanho atual do buffer do receptor.
Muitas vezes estas confirmaes chegam juntamente com segmentos de
dados, utilizando-se de uma tcnica conhecida como Piggyback
(carona). O TCP se
-
18
utiliza desta tcnica para enviar confirmaes e o tamanho do
buffer. Na realidade
esta tcnica utilizada nos casos onde os aplicativos no trafegam
dados em full
duplex, ou seja, atravs de conexo simultnea. Em um momento
crtico, em que o buffer do receptor se encontra totalmente
cheio, o notificador de janela que enviado para o receptor pode
conter o valor zero (ZWA Zero Window Advertisement) para que a
transmisso seja encerrada momentaneamente. Enquanto se mantm com a
transmisso interrompida, sinais de
controle ZWP (Zero Window Probles) so enviados pela rede, na
medida em que o buffer vai se esvaziando, o valor do notificador
aumenta para possibilitar o reincio da
transmisso.
Este mecanismo de controle possibilita ao TCP empregar
eficientemente o
controle de fluxo e a transferncia confivel. importante que haja
este controle de fluxo para permitir que aplicativos rodando em
mquinas de diferentes portes, como
por exemplo um computador pessoal e um outro com grande poder
de
processamento, consigam estabelecer uma comunicao eficiente e
confivel.
Outro ponto fundamental do controle de fluxo est na interao com
mquinas
intermedirias, como por exemplo roteadores. Neste caso, estas
mquinas devem
ser capazes de se comunicar com o transmissor quando tiverem em
sobrecarga,
informando assim uma possvel situao de congestionamento.
A situao de congestionamento tratada pelo TCP atravs do
mecanismo
de janelas deslizante, simplesmente causando uma reduo no trfego
atravs da diminuio do tamanho da janela. Maiores detalhes sobre
este controle sero apresentados em sesses seguintes.
-
19
2.3 Estabelecimento e Encerramento de Conexes TCP
O estabelecimento de conexes no protocolo TCP realizado atravs
de
handshakes de trs vias. Esta tcnica utiliza-se de apenas trs
mensagens para
estabelecer uma conexo entre o transmissor e receptor.
Durante o estabelecimento, mensagens so trocadas para que
ambos
conheam que a conexo est sendo iniciada, bem como a seqncia dos
octetos
que sero transmitidos. Para que a conexo seja iniciada, um
segmento com o campo SYN marcado e com um nmero de seqncia gerado
aleatoriamente
enviado pela mquina solicitante da conexo, informando o pedido
de conexo. Ao
receber o segmento SYN, o receptor tambm envia um segmento SYN
informando
sua seqncia, alm da confirmao do pacote SYN recebido da
mquina
solicitante, atravs do nmero de seqncia recebido acrescido de
um, informado
atravs do campo ACK.
Aps o recebimento do pacote de SYN/ACK na mquina origem, o TCP
envia
novamente um segmento, agora contendo a confirmao de recebimento
informada
atravs do nmero de seqncia do prximo octeto que espera receber
do destino.
Assim, a conexo efetuada e a seqncia passa a ser conhecida tanto
pelo
transmissor como pelo receptor.
2.4 Portas de Comunicaes
A exemplo do User Datagram Protocol (UDP), o protocolo TCP tambm
utiliza o conceito de portas, porm, utiliza um sistema mais
complexo para identificar uma
conexo. Segundo TANENBAUM (1997), o TCP utiliza pontos
terminais, tambm conhecidos como sockets para identificar o
circuito virtual, uma vez que em uma
-
20
porta pode-se ter diversas conexes, todas identificadas atravs
dos circuitos
virtuais. Os pontos terminais, ou sockets, so nmeros compostos
pelo nmero IP
de ambas as mquinas, acrescido o nmero das referidas portas de
comunicao.
Atravs deste modelo, completamente possvel que diversas
mquinas
compartilhem simultaneamente uma mesma porta em um determinado
servidor.
No momento do estabelecimento da conexo, os programas
aplicativos das
partes solicitam aos seus respectivos sistemas operacionais,
atravs de opens
passivos (no receptor) e ativos (no transmissor), os nmeros de
portas que sero utilizados para formar o conjunto de pontos
terminais da conexo.
2.5 Tratamento de Dados Urgentes
Mesmo utilizando o conceito de stream para troca de dados, s
vezes se faz
necessrio a transmisso urgente de determinados dados. Para isso,
o TCP
implementa um mecanismo para controle de dados urgentes, ou
seja, os dados que precisam ser enviados sem que o tamanho do
segmento seja atingido.
Neste caso, o TCP indica que os dados so urgentes,
identificando-os
atravs de um bit localizado no campo Bit de Cdigo do cabealho
TCP. Quando
marcado como 1, os dados so enviados imediatamente no momento
que chegam
para ser transmitidos. No lado do receptor, o TCP interrompe sua
operao normal e
trata os dados urgentes, identificando assim seu respectivo
aplicativo e o entregando
o pacote. Aps o tratamento de todos os dados urgentes, o TCP
volta a sua
operao normal.
Este tratamento importante para aplicaes como sesses remotas,
onde
os comandos de controle devem ser transmitidos para executar ou
parar uma
-
21
determinada aplicao. Em casos onde a rede apresenta altas taxas
de erros, como
no caso de redes sem fios, a perda de um segmento transportando
dados urgentes
pode causar um atraso significativo na aplicao.
2.6 Determinao do Tamanho dos segmentos
O TCP emprega como forma de transmisso o conceito de stream de
dados,
o qual refere-se a uma seqncia de dados a ser transmitida. Esta
seqncia
formada por um conjunto de octetos recebidos dos programas
aplicativos e constitui um segmento TCP.
Conforme descrito por TANENBAUM (1997), um segmento TCP consiste
de um cabealho fixo de 20 bytes seguido de zero ou mais octetos de
dados. O
tamanho do segmento definido pelo TCP no momento da conexo,
atravs de uma
negociao por ambas as partes. Para ser eficiente, no deve ser
nem pequeno e
nem grande, pois ambas as situaes oferecem vantagens e
desvantagens
significativas.
No caso de segmentos pequenos, a utilizao para trafego de dados
na rede
passa a ser mal utilizada, uma vez que o overhead muito
alto.
No caso de segmentos grandes, o primeiro problema uma limitao,
ou
seja, o segmento deve caber na carga til do IP, que de 65.535
octetos. Segundo TANENBAUM (1997), um outro problema est
relacionado a perda de segmentos, uma vez que dependendo do Mximum
Transfer Unit (MTU) da rede, o que limita o tamanho mximo de um
segmento na rede, o Internet Protocol (IP) forado a fragmentar os
segmentos para que possa ser transmitido. Neste caso, no h em
-
22
caso de perda, como retransmitir apenas um fragmento,
necessitando assim uma
retransmisso completa do segmento.
Esta questo do tamanho do segmento tambm deve ser bem definida
no
estabelecimento da conexo, pois tem que permitir uma situao onde
uma mquina
de baixo poder de processamento se conecte a uma outra de alto
poder de
processamento, ajustando assim os segmentos para que caibam no
buffer. Existe grande dificuldade de se estabelecer um tamanho
ideal de segmento,
uma vez que isso depende das condies fsicas da rede envolvida no
caminho do
transmissor ao receptor, e do tamanho mximo dos datagramas IP, o
que varia de
rede para rede. A dificuldade de se estabelecer se d
principalmente porque nem
sempre a rota estabelecida entre a origem e o destino a mesma, o
que submete a
rede a diversos tamanhos de datagramas IP. Em COMMER (1998) diz
que, um tamanho de segmento geralmente utilizado de 536 bytes, o
que corresponde ao
tamanho do datagrama IP (576) menos os cabealhos.
2.7 Confirmao e Retransmisso
Segundo COMMER (1998), as confirmaes no TCP funcionam de forma
cumulativa, ou seja, enviada ao transmissor a posio do stream
referente ao maior octeto que espera receber na seqncia. Isso
significa que o TCP no
identifica os segmentos bem recebidos, o que nos levam a algumas
vantagens e
desvantagens.
Uma das vantagens identificadas em relao confirmao no gerar
necessariamente uma retransmisso. Isto ocorre porque uma vez
informado o
nmero do maior octeto a ser recebido, no necessariamente obriga
o transmissor a
-
23
retransmitir um determinado segmento. Outra vantagem em relao ao
tratamento
de confirmaes perdidas, pois so facilmente substitudas pela
retransmisso da
posio atual referente ao octeto a ser recebido.
Como desvantagem se tem o fato do protocolo no identificar um
conjunto de segmentos recebidos, e sim, o maior octeto a ser
recebido em seqncia. Isso nos
leva a um problema onde um determinado nmero de octetos enviado
por meio de
alguns segmentos, os quais nem sempre chegaro ao seu destino.
Neste caso,
pode-se ter uma situao onde o primeiro segmento se perde, e os
demais so
recebidos com sucesso pelo receptor.
Assim, a confirmao enviada ao transmissor refere-se posio
antes
informada, uma vez que aguarda um octeto que foi transmitido no
primeiro segmento
que se perdeu. Neste caso, aps o timeout no temporizador do
transmissor, ele
poderia enviar apenas o primeiro segmento, uma vez que os demais
j foram recebidos. O problema est em identificar se os demais
pacotes realmente foram ou
no recebidos.
2.8 Tratando o Timeout e Retransmisso
O timeout em uma conexo refere-se ao fim do tempo de espera por
uma
confirmao de um segmento enviado. No TCP, como um protocolo
desenvolvido
para operar nos mais variados tipos de redes, as quais possuem
tempos de
respostas variados, o controle deve ser eficiente para evitar
retransmisses
constantes ou demora na retransmisso.
Para que este controle seja feito da melhor forma possvel, o TCP
utiliza um algoritmo adaptvel de retransmisso. O clculo neste
algoritmo considera os
-
24
valores referentes hora de envio do segmento e hora de
recebimento da
confirmao, isto caracteriza o tempo de amostra de ida e volta
(sample round trip time). O tempo estimado de ida e volta resultado
de uma mdia ponderada dos valores, e identificado como Round Trip
Time (RTT), o qual atualizado conforme os segmentos so
transmitidos.
Em COMMER (1998) tambm diz que, um problema apresentado para a
composio do RTT em relao a identificao do segmento transmitido. Uma
vez
que o TCP devolve confirmaes referente a posio do ltimo octeto
esperado, e
no de um segmento especfico, no caso de segmentos que tenham
sido
retransmitidos, h uma dificuldade em identificar se a confirmao
refere-se ao
segmento original ou retransmisso. Para solucionar este caso o
TCP emprega o
algoritmo de Karn, o qual prev que pacotes retransmitidos no
faam parte da
estimativa RTT.
Isto leva a um novo impasse, pois com a aplicao do Algoritmo de
Karn, o
temporizador corre o risco de nunca ser atualizado em casos onde
ocorre grande
elevao do tempo de transmisso. Assim, se faz necessrio a tcnica
de backoff do
temporizador. Com isso, a cada retransmisso, o timeout
aumentado, evitando
assim constantes retransmisses.
O clculo do valor do backoff do temporizador geralmente dado por
um fator
multiplicativo representado pela seguinte frmula:
Novo_timeout = Y * Timeout, onde Y geralmente dois.
A eficincia desta tcnica em uma rede com grande ndice de perdas
de
pacotes pode ser afetada, uma vez que a cada retransmisso
causada pela perda, e
-
25
no por atraso na rede, o timeout ser ajustado, causando assim
maior demora em casos de retransmisso.
2.9 Reao ao congestionamento
Segundo COMMER (1998), o congestionamento pode ser definido como
uma condio de retardo longo causado por uma sobrecarga de
datagramas em um ou
mais pontos de comutao. Na prtica, isso ocorre quando algum
ponto
intermedirio entre o transmissor e o receptor, como por exemplo
um roteador, se
encontra em sobrecarga, ou seja, com excesso de pacotes em sua
fila de processamento.
Geralmente estes pontos de comutao possuem determinado poder
de
processamento de pacotes e um buffer de armazenamento, o qual
utilizado para
enfileirar os pacotes que chegam e aguardam pelo
processamento.
Em dado momento, a quantidade de pacotes que chega neste ponto
pode ser
superior capacidade de armazenamento do buffer, o que
imediatamente causa a
eliminao dos pacotes. Como o transmissor no informado sobre a
situao, por
motivo de eficincia, o TCP deve ser capaz de tratar a situao
para evitar um
colapso da rede, pois poderiam ser geradas retransmisses
contnuas, o que
agravaria mais ainda a situao.
Para resolver o problema foram empregadas duas tcnicas, as quais
so
conhecidas como incio lento (slow start) e reduo multiplicvel
(multiplicative decrease).
Alm do tamanho da janela do receptor, a qual enviada juntamente
com cada segmento transmitido, surge agora uma nova informao
importante para o
-
26
controle do trfego injetado na rede, o tamanho da janela de
congestionamento. Este valor, em condies normais da rede, o mesmo
do tamanho do buffer do
receptor. Conforme h perdas de pacotes, ele reduzido de acordo
com a tcnica
de reduo multiplicvel.
Para definio do tamanho da janela que ser enviada, o TCP aplica
a seguinte lgica sobre as informaes da janela do receptor e janela
de congestionamento:
Tamanho Janela = mnimo (Janela Receptor, Janela
Congestionamento)
A tcnica de reduo prev que a cada perda de pacote, o tamanho da
janela de congestionamento seja reduzido pela metade. Caso seja uma
perda isolada, causada por um fato isolado na rede, a janela se
mantm no novo valor e imediatamente inicia o processo de incio
lento. Em caso contrrio, onde as perdas
passam a ser freqentes, a janela reduzida exponencialmente at o
limite de um segmento, o que causa uma reduo significativa no
trfego.
Em COMMER (1998, p.237): Reduo Multiplicativa para Preveno do
Congestionamento: com a perda de um segmento, reduzir a janela de
congestionamento pela metade (at um mnimo de pelo menos um
segmento). Para aqueles segmentos que permanecem na janela
permitida, fazer um backoff exponencial do temporizador da
retransmisso.
Como se no bastasse a reduo da janela de congestionamento, a
qual diminui a quantidade de segmentos a ser enviados em uma janela
de transmisso, o TCP aplica ainda o backoff do temporizador, o que
faz com que os pacotes que
permaneam na janela tenham o timeout elevado em relao ao tempo
anterior. Com isso, o trfego reduzido drasticamente, e o problema
do congestionamento
solucionado com muita eficincia.
-
27
Para que a transmisso volte ao seu estado anterior, o TCP aplica
o incio
lento (slow start) para que no haja oscilao brusca no trafego de
dados, o que poderia retornar a situao de congestionamento. Neste
caso, a janela de congestionamento aumentada em um segmento para
cada transmitido e
confirmado. Embora aparente uma reduo lenta, esta tcnica muito
eficiente, pois
cresce proporcionalmente ao nmero de pacotes confirmados.
Uma restrio desta tcnica de incio lento aplicada quando o valor
da
janela de congestionamento atinge metade de seu valor original,
ponto tambm conhecido como threshold (limite de congestionamento),
antes do incio do congestionamento. Neste momento, o aumento da
janela passa a ser de um segmento somente se todos os segmentos da
janela atual forem confirmados.
Uma outra tcnica, proposta por Jacobson, aplicada em conjunto ao
slow start, conhecida como fast retransmit. O principal objetivo
resolver ou ao menos amenizar o problema ocasionado em uma situao
onde uma seqncia de
segmentos enviada, porm o primeiro perdido e os demais
recebidos
normalmente pelo receptor.
Neste caso, utilizando a tcnica fast retransmit, imediatamente
so enviados
segmentos contendo ACKs confirmando o ltimo segmento recebido na
ordem.
Assim, ao perceber confirmaes duplicadas, mais precisamente ao
receber quatro
confirmaes sobre um mesmo segmento, o TCP do transmissor ativa o
slow start e
retransmite o segmento faltante, sem esperar atingir o timeout.
Com isso, tido um
ganho significativo no tempo de resposta da rede.
Em complemento a esta tcnica, tambm foi proposto por Jacobson o
fast
recovery, que na verdade prev que, se os ACKs confirmando o
segmento
duplicado esto chegando rapidamente ao transmissor, ento os
segmentos a
-
28
serem transmitidos tambm conseguiro atingir o destino da mesma
forma. Assim, a
fast recovery prope que o valor da janela aps uma retransmisso
utilizando o fast retransmit, inicialmente seja o valor do
tshreshold, ou seja, metade do valor original. Neste caso, o slow
start no utilizado, o que prope um ganho ainda maior de
desempenho na resoluo do problema de recuperao.
Segundo TANENBAUM (1997), antigamente era difcil para
identificar se um timeout havia ocorrido por problemas ocasionados
na rede, como por exemplo perda
de um segmento, ou se era por congestionamentos. Isso ocorria
porque as
condies das redes eram precrias, e ambas as situaes ocorriam
com
freqncia. Hoje em dia, a maioria das redes de grande vazo so
constitudas por fibras ticas, o que praticamente elimina os
problemas causados por perdas.
A ausncia de um mecanismo especfico para o controle de
congestionamento levou a esta soluo, a qual se demonstra
eficiente para a
finalidade. Porm, problemas ocasionados por perdas de pacotes,
hoje so tratados como congestionamento, e nestes casos, agravam a
situao da rede. Esta um
dos principais pontos negativos desta tcnica, e ela passa a ser
um ponto crucial em
redes onde a taxa de erros elevada.
Em uma rede sem fio, existem diversos problemas com o meio fsico
que
favorecem esta perda, alm claro das perdas ocasionadas pelas
freqentes
desconexes, ocorridas principalmente em momentos de handoff.
-
29
CAPTULO 3 TECNOLOGIAS DE REDES SEM FIOS
3.1 Introduo
Devido a grande expanso das redes sem fio em ambientes locais,
motivada
principalmente pela sua facilidade de uso e praticidade,
cresceram os esforos
aplicados para alcanar melhorias em aspectos como segurana e
desempenho,
quesitos que so cruciais nesta tecnologia de redes, alm de
buscar uma
padronizao mundial no desenvolvimento de equipamentos.
Atualmente, o mais conhecido padro de redes sem fio para
ambientes locais
(Wireless Lans) o IEEE 802.11 (Institute of Electrical and
Eletronics Engineers), tambm conhecido como Wi-Fi (Wireless
Fidelity).
Existem tambm diversas outras tecnologias proprietrias para
redes sem
fios, porm, muitas delas j aderiram ao padro IEEE motivadas
pelas diversas vantagens de se utilizar este padro aberto, sendo
entre elas a interoperabilidade,
baixo custo e principalmente demanda do mercado.
Neste trabalho, devido s vantagens acima apresentadas e sua
marcante
presena no mercado, foi adotado o padro IEEE como a tecnologia
de rede sem fio
a ser apresentada, atuando em um ambiente local (WLAN). Ao longo
do captulo sero apresentadas algumas caractersticas desta
tecnologia de redes, padres
existentes e principalmente caractersticas tcnicas que
identifiquem os problemas
causados pela grande perda de pacotes, o que um fator marcante
nestas redes.
Todos os pontos a serem discutidos sero apresentados atravs de
um
comparativo entre redes wireless e cabeadas, isso para destacar
os principais
pontos que as diferenciam, justificando assim o propsito do
trabalho.
-
30
3.2 O padro IEEE 802.11
Nos ltimos anos, a tecnologia de transmisso de dados por meio
de
conexes sem fio tem deixado de fazer parte apenas de comunicaes
de longa
distncia atravs de satlites, para fazer parte tambm de conexes
em redes
locais. Esse avano despertou interesse de muitas corporaes para
desenvolverem
solues e investirem em pesquisas.
Segundo SANTANA (2003, p.24), em 1990 o Institute of Electrical
and Eletronics Engineers (IEEE) constituiu um grupo de pesquisas
com o intuito de criar padres abertos que pudessem disseminar a
tecnologia wireless para redes locais
sem fios (WLANS). Com isso, a primeira especificao surgiu em
1997, e foi denominada como IEEE 802.11.
O objetivo da especificao era principalmente estabelecer padres
para a camada de acesso ao meio Medium Access Control (MAC) e para
a camada fsica PHY (Physical). A primeira especificao estabeleceu
todas as necessidades estruturais para a utilizao de redes sem fio,
tendo como principais fatores o
protocolo de acesso ao meio (CSMA/CA), tipos de codificao
utilizados (FHSS e DSSS), sistemas de segurana como criptografia
atravs do Wireless Equivalent Protoco (WEP), alm de definies sobre
componentes.
Ao longo dos anos diversas outras especificaes derivadas do
802.11
surgiram, sempre visando melhorias em termos de velocidade e
segurana. No
Brasil, os padres mais utilizados atualmente so o 802.11b e
802.11g, ambos
operando na freqncia de 2,4 at 2,4835 Ghz, que uma faixa de
freqncia no
licenciada (ISM Industrial Scientific and Medical).
-
31
As tcnicas de transmisso empregadas pelo padro 802.11 so por
rdio
freqncia e infravermelho. No caso da transmisso por rdio
freqncia, a mais
utilizada, a tcnica utilizada a spread spectrum, que ser
apresentada na sesso
seguinte. J a transmisso por infravermelho, embora seja mais
segura em relao interceptao de dados, limitada por necessitar que o
sinal seja direcionado. Embora haja esta limitao, ela til em casos
onde a transmisso realizada entre aparelhos em redes pessoais.
3.3 Tcnica de Transmisso Spread Spectrum (Espalhamento
Espectral)
Em OLIVEIRA & FILHO diz que, o Spread Spectrum uma tcnica
de
codificao para a transmisso digital de sinais. Foi desenvolvida
pelos militares
durante a segunda guerra mundial, com o objetivo de fazer com
que as informaes a serem transmitidas fossem parecidas com um rudo
radioeltrico, evitando assim o
monitoramento por intrusos.
Nesta tcnica, o sinal codificado e modificado, sendo ainda
espalhado no
espectro de freqncias. O sinal espalhado ocupa maior banda para
ser transmitido,
porm, por possuir baixa potncia, apresenta baixa relao
sinal/rudo. Para
receptores convencionais, esta comunicao pode at ser
imperceptvel.
Esta tecnologia se apresenta muito eficiente para transmisso de
dados tanto
em redes locais (LANS) como em redes metropolitanas (MANS), pois
possibilita taxas de transmisso elevadas, porm baixas comparadas a
uma rede cabeada, e
alta confiabilidade.
-
32
A faixa de freqncia utilizada nas transmisses spread spectrum a
ISM. A
tabela abaixo demonstra as faixas de freqncia existentes e que
no exigem
licenciamento para utilizao, de acordo com o Federal
Comunications Comission
(FCC).
Faixa de Freqncia Utilizao
902 928 MHZ Telefones sem fio e outros
2.4 2.4835 GHZ Telefones sem Fio, Bluetooth, 802.11b e
802.11g
5.15 - 5.35 GHZ
5.725 5.85 GHZ
Satlite Mvel, 802.11a, outras tecnologias
de redes.
24 GHZ e 60 GHZ Outras Tecnologias
Tabela 1: Faixas de Freqncias Fonte:
http://www.teleco.com.br
A maioria dos equipamentos para redes sem fios comercializados
atualmente,
se utilizam desta tcnica de transmisso, alm de serem
desenvolvidos utilizando as
definies do padro IEEE 802.11 em suas derivaes.
Uma caracterstica das tcnicas de espalhamento espectral (spread
spectrum) ser de difcil rastreamento sem o prvio conhecimento da
seqncia ou cdigo
utilizado na comunicao. Embora o padro 802.11 empregue esta
tcnica, ele no
fornece privacidade na camada fsica, pois utilizam cdigo e
seqncia conhecidos.
Existem basicamente trs sistemas de codificao utilizados nesta
tcnica de
transmisso, que a codificao por salto de freqncia (Frequency
Hopping), por seqncia direta (Direct Sequence) e OFDM (Orthogonal
Frequency Division Multiplexing). Estas tcnicas sero apresentadas a
seguir.
-
33
3.4 Spread Spectrum com Salto de Freqncia
O salto de freqncia consiste em transmitir a informao por
diversos canais,
atravs de saltos determinados por uma seqncia denominada
pseudo-aleatria.
Esta seqncia determinada por um circuito gerador de cdigos
pseudo-
randmicos que na verdade trabalha num padro pr-estabelecido.
Tanto o
transmissor quanto o receptor entendem esta seqncia de saltos,
isso o que
pondera OLIVEIRA & FILHO.
Figura 1: Transmisso FHSS Fonte: OLIVEIRA & FILHO
O padro 802.11 utiliza a faixa de freqncia entre 2,4 GHZ e
2,4835 GHZ
para transmisses utilizando FHSS. Com isso, o FCC define que a
banda de 83,5
MHZ seja dividida em 83 subcanais de 1 Mhz, devendo ser
utilizados, no mnimo, 75 subcanais para o FHSS, isso diz SANTANA
(2003,p.31). O padro define tambm a modulao GFSK (Gaussian
Frequency Shift Keying) como a modulao padro para o sistema de
codificao FHSS.
Em CARVALHO (2004, p.9) diz que existem dois tipos de comunicao
utilizando o FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum). Estes tipos
se
-
34
diferenciam basicamente pela velocidade em que realizada a troca
de freqncias
durante a transmisso.
Um dos tipos conhecido como Fast Frequecy Hopping Spread
Spectrum
(FFH-SS), tambm conhecido como modo rpido. Neste modo, um smbolo
parcialmente transmitido numa determinada freqncia, sendo
finalizada a
transmisso do mesmo smbolo em uma freqncia diferente.
No caso do Slow Frequency Hopping Spread Spectrum (SFH-SS),
tambm conhecido como modo lento, a situao diferente, ou seja, um ou
mais smbolos so transmitidos em uma mesma faixa de freqncia.
O FHSS limitado a uma taxa de 2 Mbps, isso devido a limitao do
FCC que
impe que cada subcanal deve ter uma largura de banda de 1 MHZ.
Com isso,
forar o uso de toda a banda de 83,5 MHZ causa um grande overhead
pelos
freqentes saltos, o que limita a velocidade, afirma ABRAS &
SANCHES (2002, p.5).
3.5 Spread Spectrum com Seqncia Direta
O processo de espalhamento Direct Sequence Spread Spectrum
(DSSS) tambm chamado de modulao digital. Nesta tcnica, a informao a
ser
transmitida em forma de sinal multiplicado por um cdigo com
caractersticas
pseudo-randmica, gerando assim o chip code. Assim, os bits a
serem transmitidos
so representados em forma de smbolos.
No lado do receptor, o sinal de informao recuperado por um
processo
similar, ou seja, existe sincronizao entre o transmissor e o
receptor em relao ao cdigo utilizado.
-
35
Figura 2: Transmisso DSSS Fonte: SANTANA (2003,p.45)
De acordo com o padro, para se transmitir necessrio que seja
adotado uma seqncia de Baker (Baker Sequence), que consiste em 11
smbolos, definida como +1,-1,+1,+1,-1,+1,+1,+1,-1,-1,-1,
sinalizando assim uma taxa de chips
(smbolos) de 11 Mchips/s, quando se transmite a 1 Mbps. Nesta
tcnica, a banda de 2.4 Ghz, que tambm utilizada, dividida em 14
canais de 22 MHZ. Cada canal adjacente sobrepe um ao outro
parcialmente, com 3 dos 14 canais sendo totalmente no sobrepostos.
Os dados so enviados por um
destes canais de 22 MHZ, no havendo saltos para outras
freqncias. A velocidade
alcanada nesta tcnica pode chegar a 11 Mbps, segundo ABRAS &
SANCHES
(2002). Esta tcnica de representao dos bits a serem transmitidos
atravs de chips,
ajuda a resolver o problema de rudo do canal, pois mesmo que
alguns chips venham a ser perdidos ou corrompidos durante a
transmisso, tcnicas estatsticas
embutidas no rdio so capazes de recuperar os dados originais sem
a necessidade
de retransmisso.
A modulao utilizada nesta tcnica a BPSK (Binary Phase Shift
Keying) para velocidades de 1 Mbps e QPSK (Quadrature Phase Shift
Keying) para velocidades de 2Mbps.
-
36
Para que velocidades superiores a 2Mbps sejam alcanadas, a DSSS
emprega uma outra forma de codificao no lugar da Barker Sequence,
que a CCK
(Complementary Code Keying). Esta nova forma de codificao
emprega um conjunto de 64 palavras de 8 bits, sendo CCK com 4 bits
de dados representados em um smbolo para velocidades de 5 Mbps e
CCK com 8 bits para 11 Mbps.
3.6 Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)
O OFDM uma tcnica de modulao presente nos mais recentes sistemas
de
comunicao, inclusive em redes wireless. Isso se deve
principalmente pela sua
grande eficincia espectral apresentada. No padro 802.11, esta
tcnica
empregada pelas especificaes 802.11a e 802.11g, o que
possibilita que ambas
operem em uma velocidade nominal de 54 Mbps.
A idia bsica desta tcnica dividir um fluxo de transmisso de alta
taxas de
bits por um fluxo com baixa taxa, utilizando consequentemente
uma menor largura
de banda e empregando a sobreposio de canais, atravs da
transmisso paralela
com subportadoras.
Em um sistema onde so empregadas multiplexaes por freqncia,
como
por exemplo em um sistema FDM (Frequency Division Multiplexing),
a transmisso exige que entre as portadoras exista uma banda de
guarda, que funciona como um
espaamento entre as portadoras. No sistema OFDM isso diferente,
pois a banda
de guarda substituda pela sobreposio.
Com o uso do OFDM, a eficincia espectral pode chegar a at 50
%
comparados com outras tcnicas que empregam FDM. Observe abaixo
uma figura
que ilustra esta sobreposio de portadoras.
-
37
Figura 3: Modulao OFDM
Antes da transmisso, a informao dividida em uma grande
quantidade de
canais com baixa largura de banda e taxa de transmisso. Estes
canais auxiliam na
modulao das portadoras ortogonais de forma que a durao do
smbolo
correspondente se torne maior do que o atraso de propagao dos
canais de
transmisso.
Algumas das vantagens encontradas neste sistema de modulao
que
alm de proporcionar maior taxa de transmisso, apresenta alta
robustez aos
ambientes com desvanecimento seletivo em freqncia. Tambm
apresenta bons
resultados em ambientes com interferncia de freqncias e rudos
impulsivos.
Em contrapartida, algumas das desvantagens de sua utilizao que
a
dificuldade para sincronizar as portadoras maior, alm de exigir
maior ampliao
do sinal, uma vez que o sinal no apresenta uma natureza
constante durante seu
processo de transmisso.
3.7 Modos de Operao
Basicamente, os modos de operao de uma rede wireless so dois,
um
estruturado e o outro ad hoc. Cada um dos modos possui
particularidades que os
diferenciam e os fazem importantes para determinadas solues.
-
38
As redes estruturadas constituem uma forma de acesso atravs de
um ponto
centralizador, que o Access Point (AP). Nesta topologia, todas
as transmisses so realizadas atravs deste AP, o que pode realizar
papel tambm de roteador,
brigde, dentre outras funcionalidades.
Existem duas formas bsicas de operao em uma rede estruturada,
que a
Basic Service Set (BSS) e a Extended Service Set (ESS). Em uma
BSS, existe a presena de apenas um AP e diversas estaes. Assim, a
rea de abrangncia da
rede limitada rea coberta por este AP, o que limita bem as
caractersticas desta
rede.
Na figura abaixo pode-se observar graficamente a composio de uma
BSS:
Figura 4: Basic Service Set (BSS)
Uma outra forma de operao de uma rede estruturada em modo
estendido.
Neste caso, diversos APs so utilizados para formar um amplo raio
de cobertura,
atingindo assim uma rea de cobertura bem superior de apenas uma
BSS.
Alm de oferecer maior cobertura, um sistema ESS possibilita
ainda, dentre
outras coisas, o balanceamento de carga, o que diretamente afeta
no desempenho
da rede. A figura abaixo ilustra a composio de uma rede com
caracterstica ESS.
-
39
Figura 5: Extended Service Set (ESS)
Um outro conceito que surge com esta idia de servio estendido
o
roaming. Em ambientes formados por diversos APs, as estaes podem
se
locomover dentro da rea de cobertura e terem acesso a rede
normalmente, isso
porque a estao autorizada em todos os APs que compem o servio
estendido.
Uma caracterstica importante a ser observada neste processo de
roaming,
que a troca de AP pela estao, que no momento em que ocorre a
solicitao
por parte da estao, o processo de desassociao e reassociao
ativado.
Para acontecer o roaming, a estao deve notar, atravs de
mecanismos
prprios, que o sinal da conexo atual est se deteriorando. Neste
momento, feita
uma busca para localizar um sinal de melhor qualidade,
provavelmente proveniente
de um outro AP, pertencente ao ESS.
Encontrando um novo AP com sinal melhor que o atual, o processo
de
roaming entra em ao. Neste instante solicitada ao AP atual, pela
prpria
estao, a desassociao, e uma associao requerida imediatamente ao
novo
ponto de acesso. Com isso, o sistema de distribuio ESS informado
sobre a nova
localizao da estao.
-
40
No momento da troca efetiva de pontos de acesso, ocorre por
alguns
instantes, em questo de milisegundos, uma pequena interrupo na
transmisso,
que o perodo de troca entre os dois pontos de acesso. Este tempo
conhecido
como handoff, e um dos motivos que ocasionam perdas de pacotes
em redes sem
fios, pois a comunicao interrompida momentaneamente.
J o modo de operao ad hoc de uma rede funciona sem qualquer tipo
de
infra-estrutura, tendo apenas as estaes como membros da rede.
Neste tipo de
rede, as informaes so trocadas diretamente entre as estaes,
podendo estas
virem a fazer papel de roteadores, estabelecendo rotas para a
comunicao entre
estaes geograficamente distantes e fora de alcance direto.
Uma das grandes vantagens desta rede sua facilidade de
implantao, pois
em apenas alguns minutos pode-se formar redes para serem
utilizadas pelos mais
variados tipos de aplicaes. As formas bsicas de operao de uma
rede ad hoc
so duas, Independent Basic Service Set (IBSS) e Mbile Ad Hoc
Networks (MANET).
Em uma IBSS, a ligao feita apenas em duas estaes. A figura
abaixo
ilustra esta forma:
Figura 6: Independent Basic Service Set (IBSS)
A outra forma de uma rede ad hoc a MANET. As estaes que
constituem
uma MANET so capazes de estabelecer rotas para possibilitar a
comunicao entre
-
41
mquinas que diretamente entre si no conseguem estabelecer
comunicao,
geralmente pela distncia entre elas.
Figura 7: Mobile Ad Hoc Networks (MANET)
3.8 Controle de Acesso ao Meio
O IEEE define em suas padronizaes aspectos referentes camada
fsica e
de enlace de dados. Isto prev os mecanismos bsicos para controle
do meio fsico,
tendo como principal ponto o algoritmo de acesso ao meio.
Figura 8: IEEE 802.11
Em uma rede sem fio existem basicamente dois algoritmos para
controlar o
acesso ao meio, um sem e outro com conteno. A conteno refere-se
forma que
o acesso ao meio tratado, e principalmente quem estabelece o
controle sobre este
meio.
-
42
No algoritmo sem conteno, o qual tem como controlador do meio o
prprio
AP, as estaes solicitam autorizao de transmisso diretamente a
este, o qual
controla o momento no qual elas podero transmitir. Este tipo de
algoritmo s pode
ser utilizado em redes estruturadas, por depender exclusivamente
do AP.
No caso do algoritmo com conteno, amplamente utilizado por
diversos
padres, o controle do meio se d pela prpria estao atravs do
algoritmo
denominado Carrier Sense Multiple Access / Colision Avoidance
(CSMA/CA) . Neste caso, o algoritmo implementa um mecanismo para
evitar que as colises existam,
amenizando assim o problema da perda de pacotes.
Uma caracterstica que pode ser observada em qualquer tipo de
algoritmo
definido para atuar sobre redes sem fios o alto overhead, pois
so muitos os
controles necessrios para tratar o problema das altas perdas
ocasionadas por
diversos fatores, como a perda por deficincias no meio fsico
(interferncias, reflexos de ondas, dentre muitos outros). Um fator
adicional para resolver um problema especfico conhecido como n
escondido foi adicionado ao protocolo CSMA/CA, que o envio de
pacotes
RTS/CTS. Com isso, ns que antes no se enxergavam e provocavam
coliso pela
dificuldade de ler o canal com eficincia, agora empregam um
mecanismo funcional,
mas que diretamente adiciona mais overhead ao funcionamento da
rede.
3.9 Caractersticas de transmisso em redes sem fios
Algumas caractersticas bsicas podem ser definidas para redes sem
fios. Em
geral, a questo do desempenho pode ser colocada como um dos
fatores que as
-
43
diferenciam de uma rede cabeada. importante destacar estes
pontos para que se tenha compreenso das causas do problema em
estudo.
Em uma rede sem fio, os tempos de resposta (RTT), largura de
banda e taxa de erros (BER), dentre outros fatores, possuem valores
totalmente distintos de uma rede cabeada. Isso ocorre
principalmente pelas condies de transmisses no meio
fsico, o qual suscetvel a diversos tipos de interferncia,
causando assim elevadas
taxas de perdas de pacotes.
Algumas destas caractersticas so:
Bit Error Rate (BER): Devido ao uso do ar como meio fsico, as
condies podem variar de tempo para tempo, podendo ter perodos com
altas taxas de erros
ocasionados por interferncias de diversos tipos, alm de outras
incidncias
naturais. Esta taxa de erros em uma rede sem fio se aproxima dos
0,1% ou 10-3 ,
enquanto em uma rede cabeada gira em torno de 0,0001%, ou 10-6,
afirma
TANENBAUM (1997).
Largura de Banda: Segundo SANTANA (2003, p.46), a largura de
banda um outro ponto inferior se comparado a uma rede cabeada. Em
uma rede sem fio encontram-
se geralmente velocidades de at 54 Mbps, nos atuais padres IEEE
802.11a e
IEEE 802.11g. O padro mais utilizado atualmente no Brasil, o
IEEE 802.11b, opera
com uma velocidade de at 11 Mbps, o que bem inferior a uma rede
do padro
Fast Ethernet que opera com at 100 Mbps. Um outro ponto a
considerar a
quantidade de usurios vinculados ao ponto de acesso, o que faz
com que a
velocidade seja diminuda proporcionalmente a quantidade de
usurios conectados.
-
44
Round Trip Time (RTT): O RTT o tempo que o pacote gasta para ser
transmitido e confirmado. Em uma rede sem fio, o tempo do RTT em
mdia 20ms, enquanto em
uma rede cabeada no ultrapassa os 5ms, o que afirma SANTANA
(2003, p.46). Esse um ponto que prejudica consideravelmente o
desempenho da rede e um dos alvos indiretos do estudo, uma vez que
o TCP utiliza o RTT para controlar os
timeouts de retransmisso. Considerando um caminho onde um trecho
seja de rede sem fio, o RTT ser afetado, forando assim um tempo
maior para retransmitir um
pacote.
Interferncia nos Transmissores: Como a maioria dos equipamentos
utiliza a mesma
freqncia para transmisso, geralmente a faixa de freqncia entre
2,4 e 2,4835
GHz, podem ocorrer interferncias entre os mesmos, provocando
perdas de
pacotes.
Distncia do Ponto de Acesso: Quanto maior a distncia entre a
estao e o ponto
de acesso, pior a qualidade do sinal e maior a atenuao.
Mobilidade: Caracterstica inexistente em uma rede cabeada, mas
que para uma
rede sem fio, alm de oferecer uma srie de benefcios e
engrandecer a tecnologia,
traz tambm alguns problemas bsicos de funcionamento. Estaes
se
locomovendo podem ter momentos de desconexo (handoffs), o que
ocasiona a perda de pacotes. Assim, para o TCP, esse fato
considerado como
congestionamento.
-
45
Consumo de Energia: Um outro ponto fundamental para o sucesso de
qualquer
soluo sem fio o consumo de energia. Para transmitir informaes
pelo meio,
necessrio que o transmissor faa uso de energia, o que na maioria
dos
equipamentos fornecida por meio de baterias. Assim, caso haja
pouca potncia nesta bateria, o transmissor passa a ter dificuldades
para transmitir, provocando
assim aumento na taxa de erros (perdas). Com isso, mais uma vez
o TCP interpretar como congestionamento da rede e provocar uma
queda drstica no
desempenho.
3.10 Avaliando o desempenho
Para se avaliar o desempenho em uma rede, importante que seja
considerado o tipo de trfego presente. Basicamente podemos
identificar como tipos
de trfegos o interativo e em rajadas. No trfego interativo, os
dados a serem transmitidos geralmente no atingem
a limitao da rede, pois a fonte geradora dos dados geralmente
produz menor
quantidade de informaes do que a rede pode transmitir. Assim, so
praticamente
imperceptveis problemas de desempenho ocasionados nesta
situao.
Problemas de desempenho geralmente so notados em uma situao onde
o
trfego acontece em rajadas, ou seja, possui momentos de baixos e
altos volumes de dados a serem transmitidos. Isso porque a
quantidade de informaes a serem
transmitidas supera a capacidade de transmisso da rede, o que
utiliza assim o
conceito de buferizao, onde na maioria do tempo h informaes a
espera para
serem transmitidas.
-
46
Um dos principais motivos que causam a degradao do desempenho
do
TCP operando sobre uma rede sem fio o fato de no conhecer a razo
da perda
do pacote, sendo assim, todas as perdas so consideradas como
congestionamento
da rede.
Neste contexto, a vazo da rede diminuda, pois ao estouro do
timeout e
retransmisso de um determinado pacote, o tamanho da janela de
congestionamento da rede diminudo pela metade e o processo de incio
lento
ativado (slow start). Como apresentado em captulos anteriores, o
TCP se utiliza de duas janelas
para controlar o tamanho do segmento a ser transmitido, a janela
com o tamanho do buffer do receptor e a janela de congestionamento.
Em condies normais, as duas operam com o mesmo tamanho. No momento
da perda, a janela de congestionamento reduzida pela metade, e o
menor valor entre elas adotado na
transmisso.
Alm disso, o TCP ainda efetua o backoff do temporizador, que o
tempo
baseado no RTT (Round Trip Time) para controlar os pacotes que
devem ser retransmitidos. Neste caso, o valor do temporizador
dobrado, o que retarda ainda
mais o tempo para se retransmitir um pacote perdido.
Em casos onde o congestionamento realmente ocorre, isso se torna
um
mecanismo de muita eficincia, afinal, a vazo da rede diminuda
para possibilitar
que o ponto de comutao onde est ocorrendo o congestionamento
seja poupado e consiga processar todas as requisies no momento.
Um outro fator que influncia no desempenho do protocolo sobre
uma rede
sem fio o handoff, o qual um caso especfico desta tecnologia de
rede operando
em modo estruturado. O handoff caracterizado como a desconexo
presente
-
47
durante o processo de reassociao e desassociao de uma estao de
um
determinado ponto de acesso para um novo.
Neste caso, no tempo em que ocorre a desconexo, por mais breve
que seja, pacotes so perdidos e identificados pelo protocolo com
congestionamento,
diminuindo assim imediatamente a vazo da rede atravs do
mecanismo de
congestionamento.
Assim, fica claro que diante das freqentes perdas que ocorrem em
uma rede
sem fio, esperado que o desempenho seja bem inferior, pois na
maioria do tempo a rede estar operando com a janela de
congestionamento reduzida, o que ocasiona em menor vazo da
rede.
-
48
CAPTULO 4 PROPOSTAS EXISTENTES PARA OTIMIZAO DO PROTOCOLO TCP
SOBRE REDES SEM FIOS
Neste captulo sero apresentadas algumas das propostas
existentes
atualmente para amenizar o problema em questo. Para tanto, sero
apresentadas
as caractersticas de cada proposta, bem como aspectos que
favorecem ou limitam
sua utilizao.
Existem propostas que empregam caractersticas distintas entre
si, algumas
at fugindo dos princpios bsicos do protocolo, como as que
oferecem quebra de
conexo. Basicamente, podemos classificar as propostas de acordo
com trs
modalidades, que so os Protocolos de camadas inferiores ao TCP,
os Protocolos
com quebra de conexo e finalmente os Protocolos fim-a-fim,
afirma SANTANA
(2003, p.47).
4.1 Protocolos de Camada Inferior ao TCP
A principio existem duas verses do TCP que fazem parte desta
gama de
protocolos, um o Snoop e o outro uma verso modificada deste, o
Snoop
Otimizado. Os dois protocolos empregam a idia de buferizao
aplicada sobre os
pacotes que passam sobre um determinado ponto, que o AP.
4.1.1 Protocolo Snoop
-
49
A operao bsica do protocolo snoop consiste em analisar todos os
pacotes
que passam em ambas as direes entre um host mvel e um fixo, em
um
determinado ponto, armazenando assim um cache dos segmentos, at
que seja enviado um ACK confirmando o recebimento dos dados pelo
receptor, afirma
LABRADOR (2002). Neste protocolo, o AP ao qual um determinado
host mvel est conectado
encarado por este como forwarding, ou seja, l os pacotes que
passam e armazena at receber o ACK de confirmao, pois caso haja a
necessidade de retransmisso de um determinado pacote, a
retransmisso ser feita pelo prprio AP, e no pelo
host fixo. Para que a transmisso seja possvel pelo prprio AP, o
RTT estabelecido para a transmisso na rede sem fio deve ser menor
que o tempo estabelecido pelo
host fixo.
Uma outra tcnica empregada por este protocolo o conceito de
multicast,
onde todos os APs prximos ao host mvel so postos como buffering,
ou seja, armazenam os pacotes por um determinado instante de tempo.
Isto utilizado para
amenizar ou solucionar os problemas ocasionados pelo handoff,
pois neste caso, os
hosts mveis mesmo se associando a um novo AP prximo ao seu
atual, no haver
necessidade de retransmisso por parte do host fixo.
O controle se torna eficiente em casos onde no ocorrem perdas
com muita
freqncia, situaes presentes nos longos perodos de handoff e
desconexes
devido a mobilidade. Isso limita parcialmente a eficincia da
soluo, que pode ser
considerada uma boa sada em situaes em que no ocorrem erros por
longos
perodos.
-
50
Como grande vantagem pode-se citar o fato de no necessitar de
alteraes
no protocolo TCP da rede fixa, pois todo controle feito pelo AP.
Outro ponto
positivo que esta proposta mantm a semntica fim-a-fim do
TCP.
Uma desvantagem da proposta a falta de suporte a servios de
criptografia,
uma vez que necessrio que o AP faa a leitura dos dados de
endereamento
para fornecer resposta origem e retransmisses ao destino,
ficando este tipo de
servio limitado somente camada de aplicao.
De acordo com SANTANA (2003, p.70), em um ambiente onde a taxa
de erro de 10-4, o ganho em desempenho do protocolo snoop sobre o
TCP de 94%. Se o
BER for de 10-5, o ganho de 63% e finalmente, se o BER for de
10-6 o ganho
aproximadamente 26%. A medida que a taxa de erro diminui, a
medida de ganho
diminui proporcionalmente.
4.1.2 Protocolo Snoop Otimizado
A proposta de otimizao do protocolo TCP Snoop traz mais
eficincia na
transmisso atravs da utilizao de duas tcnicas em conjunto, a de
buferizao e de confirmao seletiva. A modificao fica restrita apenas
na rede sem fio, sendo
necessrias apenas mudanas no host fixo e no AP.
A tcnica de buferizao j est presente na verso Snoop do TCP. Como
mencionado anteriormente, est tcnica consiste em registrar todos os
segmentos
que passam pelo AP a fim de otimizar o processo de retransmisso
em casos de
perdas na rede sem fio, onde ao detectar uma perda, o prprio AP
retransmite o
segmento, evitando assim o estouro do timeout no
transmissor.
-
51
Nesta soluo, o AP desempenha o mesmo papel que desempenhava
na
verso Snoop, apenas adicionando algumas melhorias na forma de
retransmisso
dos segmentos perdidos.
No caso da confirmao seletiva, caracterstica adicional desta
soluo, a
confirmao dos segmentos pelo host mvel equivalente aplicada na
tcnica
utilizada pelo TCP Sack, ou seja, a confirmao de mltiplos
segmentos que foram recebidos. O funcionamento bsico desta tcnica
confirmar no apenas o ltimo
segmento recebido na ordem, como na verso padro, e sim, todos os
segmentos
recebidos, a fim de otimizar o processo de retransmisso.
No AP necessrio que sejam feitas modificaes para que este possa
interpretar os ACKs seletivos, tambm conhecidos como ACKw. Estas
modificaes
exigem que ele interprete quais foram os pacotes recebidos pelo
host mvel, e
reenvie em uma nica vez todos os pacotes faltantes, tendo assim
maior ganho de
eficincia no processo de transmisso.
A nica aplicao desta soluo para redes estruturadas, ou seja, com
a presena de um ponto de acesso, o qual faz o papel de mediador na
comunicao.
Os casos de handoffs e longas desconexes so tratados pela soluo,
onde so
amenizados pela transmisso seletiva dos segmentos, diminuindo
assim o tempo de
transmisso total.
Algumas caractersticas positivas desta proposta seria a manuteno
da
confiabilidade fim-a-fim e a no necessidade de alterao no
protocolo do host fixo.
4.2 Protocolos com quebra de conexo
-
52
A caracterstica de um protocolo com quebra de conexo a de
dividir a
conexo em duas, uma do host fixo at o AP e outra do AP at o host
mvel. Mesmo
estabelecendo esta diviso de conexo, algumas implementaes
conseguem
manter a semntica fim-a-fim do protocolo.
Algumas verses do TCP que empregam a quebra de conexo so
apresentadas abaixo.
4.2.1 Mecanismos de Notificao Explcita
O mecanismo de notificao explcita emprega a tcnica de feedback
para
reduzir o problema causado pelo mecanismo de congestionamento,
pondera
SANTANA (2003, p.74). Algumas variaes desta tcnica so o Explicit
Notification (EN), Explicit Congestion Notification (ECN), Explicit
Bad State Notification (EBSN) e Explicit Loss Notification (ELN). O
Explicit Congestion Notification (ECN) uma tcnica derivada de uma
outra empregada por roteadores, a Random Early Detection (RED).
Atravs desta tcnica, os roteadores, antes de entrarem em pleno
congestionamento, comeam a
descartar alguns pacotes aleatoriamente com fim de prevenir o
congestionamento.
A exemplo desta tcnica utilizada pelos roteadores, a ECN, em vez
de
descartar os pacotes, apenas faz uma marcao quando o estado da
fila encontra-
se em um estgio considerado de sobrecarga. Assim, em um prximo
ACK enviado
ao transmissor, a marcao enviada e o transmissor d incio ao
processo de
congestionamento.
J na proposta Explicit Bad State Notification (EBSN), no momento
da deteco de uma perda causada na rede sem fio, o AP comunicado e
este envia
-
53
uma notificao ao host fixo para o reincio do temporizador,
evitando assim um
estouro do tempo e o incio do procedimento de congestionamento,
o que seria
totalmente prejudicial para o desempenho nesta situao. Esta
tcnica, a EBSN, pode ser utilizada juntamente com o protocolo snoop
para otimizar mais ainda o desempenho deste, uma vez que ao
retransmitir do
prprio AP para o host fixo, uma notificao de perda seria enviada
ao host fixo,
alterando assim sem temporizador e evitando a retransmisso.
Na notificao explicita de perda (ELN), um flag ELN adicionado ao
ACK que enviado pelo receptor. Assim, ao detectar a perda no enlace
sem fio, o
prximo ACK a ser enviado pelo receptor indicado com o flag e
interpretado pelo
transmissor como um erro e no como congestionamento.
Tanto o ESBN como a ELN necessitam de um mecanismo especifico
para
identificar o problema causado no meio, tendo assim condies de
informar o
transmissor sobre as condies que causaram o erro.
A principal caracterstica desta soluo apenas identificar o
verdadeiro
motivo da perda, embora a maioria das implementaes de notificao
explicita no
consigam realizar esta identificao sozinha. Conseguem manter a
semntica fim-a-
fim em todas suas verses.
Um outro ponto marcante a questo do protocolo do host fixo, o
qual
necessrio ser modificado para possibilitar que o temporizador
seja ajustado a cada ACK recebido com as notificaes. Esta questo j
inviabiliza a soluo, uma vez que a verso Reno, que a padro, tem um
desempenho excepcional em redes
cabeadas, no vindo a ser necessria sua alterao, alm claro de sua
utilizao em
nvel mundial.
-
54
4.2.2 Tcnicas de Reconhecimentos Mltiplos
Uma outra tcnica encontrada para tentar uma soluo para o
problema foi
atravs da utilizao de mltiplos reconhecimentos (ACKs), ou seja,
os pacotes de confirmao de recebimento so diferenciados para
possibilitar que o transmissor
gerencie com mais eficincia a questo da retransmisso de pacotes
quando
ocorrerem perdas.
A idia principal criar um ACK provisrio (ACKp) que enviado do AP
ao transmissor para identificar o recebimento at o ponto de acesso,
e um outro ACK
(ACKc) para confirmar o recebimento pelo host mvel. Alm disso, o
temporizador do transmissor modificado, passando a ser composto por
quatro tipos de
temporizadores, que so os RTT, RTT(w), RTO, RTO(w). Para cada
segmento transmitido so ativados os quatro tipos de
temporizadores. O papel do Round Trip Time (RTT) controlar o
tempo total, como em outras verses, considerando o tempo de
transmisso e recepo do ACKc
vindo do receptor. O RTT(w) controla o tempo de espera pelo ACKp
vindo do AP. No caso do RTO, refere-se ao tempo mximo que o
transmissor espera por
um ACKc vindo do receptor. Por ltimo tem-se o RTO(w), que
controla o tempo mximo que o ponto de acesso (AP) espera por um
ACKc vindo do MH (Mbile Host), afirma SANTANA (2003,p. 78).
Assim, quando um segmento enviado pelo transmissor, este
armazenado
pelo AP e j confirmado atravs de um ACKp. Aps ter sido
confirmado pela estao mvel, um ACKc enviado para o transmissor. Em
caso de perda na rede sem fio,
os temporizadores do transmissor j esto ajustados atravs do ACKp
j enviado pelo AP, evitando assim a retransmisso desnecessria.
-
55
Uma caracterstica positiva desta soluo o suporte a longos
perodos de
desconexes devido ao seu controle de temporizadores. Assim, as
freqentes
desconexes causadas pelos constantes handoffs poderiam ser
amenizadas. Um
outro ponto positivo esta na retransmisso pelo prprio AP em caso
de perda na
rede sem fio.
Embora apresente estas caractersticas positivas, uma barreira
para sua
utilizao est na necessidade de modificao do protocolo tanto do
AP quanto do
host fixo, o que inviabiliza a soluo pela grande utilizao da
verso Reno, como
citado anteriormente em outras solues.
4.2.3 TCP Indireto (Indirect TCP)
A proposta do TCP Indireto de dividir a conexo entre um host
fixo e um
mvel em duas partes, fazendo com que no haja nenhuma relao entre
as mesmas. O ponto de diviso da conexo no AP, passando este a
coordenar toda a
comunicao entre os dois pontos.
A idia bsica de que o AP receba o segmento vindo do host fixo e
j devolva um ACK confirmando. Neste momento, o mesmo segmento
recebido
armazenado e retransmitido para o host mvel, sendo mantido at
que este confirme
o recebimento.
Em casos onde ocorre o handoff, a soluo prope que no ACK a
ser
devolvido ao host fixo pelo AP, seja alterado o tamanho de
janela do receptor, sendo esta informada com valor menor justamente
para desacelerar a transmisso, amenizando assim o problema.
-
56
Como existem duas redes distintas, o protocolo utilizado pelo
lado do host
mvel pode ser algum outro, no sendo necessariamente o TCP. Uma
outra
caracterstica particular desta soluo a exigncia de recompilao
nas aplicaes
do host mvel, para fim de acesso atravs de chamadas especiais
(via biblioteca), diz SANTANA (2003, p.76). Como vantagem desta
soluo pode-se citar o controle de fluxo
independente, pois as redes so tratadas como distintas,
permitindo assim identificar
e tratar as caractersticas de cada uma diferentemente. Alm
disso, as nicas
alteraes necessrias so no ponto de acesso e no host mvel, no
sendo preciso
alterar o host fixo.
Dentre as desvantagens esto a quebra da semntica fim-a-fim e
a
sobrecarga gerada no ponto de acesso.
4.2.4 Mbile Transmission Control Protocol (TCP Mvel)
A soluo proposta pelo TCP Mvel, ou M-TCP como tambm
conhecido,
prev uma estrutura hierrquica de trs nveis na rede sem fio, a
dos host mveis
(MH), dos pontos de acessos (MSS) e por fim em nvel mais
superior os SHs, que gerenciam todo o processo de conexo. A figura
a seguir ilustra esta hierarquia em
nveis:
-
57
MSS
SH
MH
Rede Wired
Figura 9: Estrutura do Protocolo M-TCP
Nesta hierarquia, a verso padro do protocolo TCP pode ser
utilizada at o
nvel do SH (primeiro nvel), que so equipamentos que fazem o
papel de pontes (bridges). A partir deste nvel o M-TCP utilizado. O
principal ponto desta soluo que ela emprega meios para resolver
o
problema das longas desconexes sejam causadas pela sada da estao
da rea de cobertura ou at mesmo pelos freqentes handoffs. Para
isso, ela cria toda esta
hierarquia e estabelece algumas funes especficas para os SHs,
que so os
gerenciadores das conexes dos hosts mveis.
Todo o controle de handoff realizado pelos SHs. O papel do SH
de
retransmitir o segmento vindo do host fixo para o host mvel, sem
sequer armazena-
lo. O mesmo procedimento ocorre com os segmentos de confirmao,
ou ACKs, que
so passados do host mvel ao host fixo.
O mecanismo utilizado pelo M-TCP para possibilitar melhor
desempenho na
rede, colocar o transmissor em estado persistente atravs da
janela do receptor
-
58
informada nos segmentos de ACK. Isto pode ser conseguido
informando que a
janela de recepo (tamanho do buffer do receptor) zero. Isso
ocorre no momento em que, ao retransmitir um segmento vindo do
host
fixo para o host mvel, o SH ativa um temporizador (RTO) para
controlar o recebimento do segmento pelo host fixo. Caso o receptor
no receba o segmento e
o temporizador (RTO) expire, o SH envia ao host fixo um segmento
ACK informando a janela do receptor como zero, forando assim uma
parada na transmisso. Isso apenas d uma pausa na transmisso,
evitando assim retransmisses
desnecessrias e diminuio da janela de congestionamento. Embora
haja esta hierarquizao proposta pelo protocolo, a semntica
fim-a-fim do protocolo TCP mantida, pois o SH apenas faz papel de
retransmissor. Um
outro ponto positivo nesta soluo o no caso dos handoffs, pois
como no h
armazenamento de informaes nos SHs, no momento da troca no
preciso trocar
muitas informaes.
Esta soluo realmente interessante para perodos longos de
desconexes,
mas no resolve os problemas causados pelas freqentes perdas
ocasionadas pelos
erros comuns das redes sem fios.
4.3 Protocolos com conexo fim-a-fim
Os protocolos com conexo fim-a-fim se baseiam no princpio de que
a
transmisso e confirmao se do diretamente entre dois pontos, sem
a
necessidade de qualquer tipo de ponto intermedirio. Neste
contexto, algumas
propostas para soluo do problema em questo foram criadas
mantendo
principalmente esta questo.
-
59
4.3.1 Freeze TCP
Uma proposta que tambm emprega a semntica fim-a-fim o Freeze
TCP. O
princpio bsico desta soluo no utilizar nenhum ponto intermedirio
na
conexo, sendo todo o controle realizado pelo prprio
receptor.
O funcionamento da proposta se d basicamente pelo envio de
pacotes de
confirmao (ACKs) com o tamanho da janela do receptor zerado,
forando assim que o transmissor entre em modo persistente. Depois
de entrar em modo
persistente, o transmissor constantemente verifica o estado do
receptor, confirmando
a continuidade da janela zerada (ZWP Zero Window Probe). Para
recomear a transmisso de forma mais otimizada possvel, a soluo
prope que sejam enviados pelo receptor trs ACKs seguidos,
informando o ltimo segmento recebido. Isto interpretado pelo TCP
padro, no transmissor, como uma
solicitao para inicializar o modo fast retransmit, a
retransmisso rpida, como
abordada em captulos anteriores.
O principal foco da soluo amenizar os problemas causados
pelas
freqentes desconexes e no pelos freqentes erros comuns em redes
sem fios.
Esta soluo possui muitas semelhanas com o M-TCP, s se
diferenciando pela
no utilizao de um ponto centralizador.
Um problema que pode comprometer todo o funcionamento da soluo
ocorre
no momento em que deseja-se que o transmissor interrompa a
transmisso. A estao pode tentar transmitir o pacote Zero Windows
Advertisement (ZWA) e no mais estar conectada, o que simplesmente
no chegaria at o transmissor e este
-
60
interpretasse como perda, ativando assim todo o procedimento
comum, que o
mecanismo de congestionamento.
4.3.2 TCP com reconhecimento seletivo
O TCP padro utiliza um mecanismo de confirmao cumulativo, ou
seja, ao informar o recebimento de um segmento, o receptor envia ao
transmissor um ACK
contendo o nmero do prximo segmento a ser recebido. Assim,
pacotes enviados
com nmero de seqncia superiores a este, mas que tiveram algum
perdido no
intervalo, acabam sendo retransmitidos.
A proposta do TCP Selective Acknowledgement (SACK) de fornecer
um mecanismo de confirmao seletiva, ou seja, mltiplos segmentos so
confirmados ao transmissor, e no apenas o ltimo como no
reconhecimento cumulativo. Assim,
o receptor pode informar ao transmissor quais os segmentos que
chegaram com
sucesso, e apenas retransmitir os que foram perdidos .
Em MATHIS (1996) diz que, o TCP SACK um protocolo definido pela
RFC 2018 para corrigir problemas de perda de desempenho quando
mltiplos segmentos
so perdidos. Chegou-se a cogitar sua utilizao no protocolo
padro, porm alguns
testes levaram dvidas sobre suas melhorias quando utilizado em
redes wired. Por
ser modificado apenas o processo de confirmao, toda a semntica
fim-a-fim e
outras caractersticas da verso padro so mantidas.
Para que o protocolo possa utilizar o mecanismo de confirmao
seletiva,
duas informaes devem ser trocadas, uma no estabelecimento da
conexo, que o
envio de um segmento com uma Sack permited no cabealho,
informando a
-
61
utilizado do SACK, e a outra trocada durante a conexo, que a
SACK, para
informar os segmentos confirmados.
Para isso, necessrio que sejam modificados tanto o TCP do host
fixo como o TCP da rede sem fio, pois ambos devem estar preparados
para entender e gerar
estes pacotes SACKs.
Embora apresente melhor desempenho em redes sem fio, esta soluo
no
trata especificamente do problema de congestionamento do TCP
sobre redes sem
fios, e sim, apenas de confirmaes seletivas. Isso no soluciona
os problemas
causados pela elevada taxa de erros presente na rede.
4.3.3 TCP WestWood
Uma outra soluo proposta para otimizao do desempenho o TCP
Westwood (Bandwidth Estimation for Enhanced Transport over
Wireless Links), ou TCPW. Esta proposta emprega modificaes apenas
no transmissor, mais
especificamente no controle de congestionamento.
O princpio bsico de funcionamento baseado no controle da janela
de congestionamento atravs de estimativas da taxa de transmisso
fim-a-fim, que
totalmente transparente para roteadores e o para o prprio
receptor. Com isso, se
torna compatvel com qualquer tipo de rede e com a verso original
do TCP no
receptor.
A estimativa do tempo de transmisso criada a partir do RTT, e
utilizada
para configurar o tamanho da janela de congestionamento e o
threshold, aps a ocorrncia de uma perda.
-
62
Dentre as vantagens desta soluo comparada com outras propostas j
existentes pode-se citar a no necessidade de pontos intermedirios,
a manuteno
da semntica fim-a-fim e bom desempenho em redes heterogneas.
Como desvantagem pode-se citar a necessidade de modificaes no
TCP
transmissor, o que inviabiliza a soluo pela grande utilizao a
nvel mundial da
verso Reno. Outro ponto negativo est na utilizao em redes com
altas taxas de
erros, o que afeta nos tempos de estimativas gerados,
prejudicando assim o desempenho final.
-
63
5 - CONCLUSES
A queda de desempenho provocada pelo mecanismo de
congestionamento
do protocolo TCP, operando sobre enlaces sem fios, apresenta
perdas significativas
de desempenho na transmisso se comparadas a outras redes onde o
meio
orientado, ou cabeado.
Atualmente grande a quantidade de pesquisas voltadas para esta
questo,
uma vez que as redes sem fios ainda esto em pleno processo de
desenvolvimento.
Isso faz com que muitas propostas de melhorias surjam, sempre
visando solucionar ou pelo menos amenizar o problema.
Como se pode notar na maioria das solues apresentadas, o
principal foco
a aplicao em redes heterogneas, ou seja, onde h presena de redes
sem fios e redes cabeadas, como em ambientes corporativos. As redes
ad hoc acabam por no
terem maior ateno pela sua baixa utilizao, sendo estas
consideradas apenas em
casos especficos.
O protocolo TCP mais utilizado atualmente, a verso Reno, est
presente em
diversos sistemas de rede espalhados por todo o mundo. Alteraes
nesta estrutura
apresentariam altos custos, o que inviabiliza qualquer soluo que
tem como
proposta a alterao do protocolo padro, o qual opera
eficientemente sobre redes
cabeadas.
Dentre as solues citadas, as que apresentam necessidade de
alterao do
protocolo padro so as de mecanismos de notificao explicita, a
tcnica de
reconhecimentos mltiplos (Multiple Acknowledgements), o TCP Sack
e o TCP
-
64
Westwood. Assim, fica evidente a total inviabilidade destas
solues, uma vez que a
alterao na verso Reno se torna invivel pelos motivos j
apresentados. Um outro ponto que deve ser considerado para avaliao
destas propostas
a questo da confiabilidade provida pela proposta do protocolo
TCP padro, o qual
emprega conceitos de conexo orientada e controle de fluxo para
prover segurana
na transmisso. A quebra destes conceitos implica em deficincias
e insegurana, o
que tambm descaracteriza a proposta.
Uma proposta cujo foco principal prover a quebra da conexo o TCP
Indireto (Indirect TCP). Nesta, cada segmento recebido pelo AP j
confirmado sem ao menos ser retransmitido ao seu destino,
descaracterizando assim a semntica
fim-a-fim.
Alm de propor solues para os problemas gerados pelas altas taxas
de
erros presentes em redes sem fios, a qual chega ser mil vezes
superior s das redes
cabeadas, segundo SANTANA (2003), qualquer soluo proposta deve
ainda oferecer mecanismos de solues para as freqentes desconexes,
sejam por handoffs ou at mesmo por desconexes causadas pelo no
alcance do sinal pela
estao.
Um outro ponto fundamental a ser considerado a questo de suporte
a
criptografia em camadas inferiores, pois muitas das solues, por
exigir um ponto
intermedirio entre o transmissor e o receptor, como o caso do
Snoop, impede
este tipo de servio e limita apenas camadas superiores, como de
aplicao.
A tabela abaixo ilustra algumas destas caractersticas
importantes e relaciona
com as respectivas solues propostas, identificando se oferecem
ou no suporte s
mesmas:
-
65
Critrios SNOOP Snoop
Otimizado
I-TCP Freeze
TCP
M-
TCP
TCP
Sack
TCP
Westwood
N Intermedirio Sim Sim Sim No No No No
Semntica fim-a-fim Sim Sim Sim Sim Sim Sim
Suporta Longas
Desconexes
No No Sim Sim Sim No Sim
Suporta Freq. Desconexes No Sim Sim Sim Sim Sim
Controla Altas Taxas de Erros Sim Sim Sim No Sim No Sim
Altera Protocolo Host Fixo No No No No Sim Sim
Altera Protocolo AP Sim Sim Sim No Sim No No
Altera Protocolo Host Mvel No Sim Sim Sim Sim Sim No
Suporta Criptografia via
IPSEC
No No Sim Sim Sim Sim
Custo Implementao Baixo Mdio Mdio Baixo Alto Mdio Alto
Tabela 2: Propostas de Otimizao do TCP Fonte: SANTANA (2003,
p.86)
5.1 Proposta de trabalho futuro
Uma nova soluo para o problema poderia ser estudada e avaliada.
Esta
seria uma evoluo do Snoop Otimizado, apenas acrescentando a idia
empregada
por uma outra tcnica, a Freeze TCP.
Como apresentado anter
