Introduzione
Network Information Flow
Network Coding
Alain Bindele
Corso di Reti Avanzate 2012/2013
14 giugno 2013
Alain B...
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Argomenti affrontati:
Il Network Information Flow ed il Network Coding
Soluzioni proposte: COPE
Funzionamento ...
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Problema del Network Information Flow
“In una rete in cui un insieme di nodi sorgenti devono trasmettere
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Un esempio tipico:
(a) (b)
Figura: Configurazione “Alice and Bob” senza network coding (a) e con network
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Un altro esempio tipico:
A B
D E
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Il protocollo COPE: L’importanza di essere opportunisti...(in senso
buono)
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Il problema della scelta.
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Idea!! Perch´e allora non utilizzare i protocolli broadcast??
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Soluzione Pseudo-Broadcast
ossia: come implementare un meccanismo broadcast su flussi
unicast.
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Codifica dei pacchetti: Obiettivi
Nessun Ritardo!
Pacchetti Omogenei
Differenti Destinazioni
Massima probabilit...
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Decodifica dei pacchetti
Niente di pi´u semplice:Una hashlist ed uno Xor.
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L’algoritmo di ricezione e di invio.
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Prestazioni del protocollo COPE (2)
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Interazione tra MAC e COPE (Topologia a stella)
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Miglioramenti per la fairness
Coda del nodo codificante
Sequenza pacchetti inviati
Sequenza inviata
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Coding-Aware Routing
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Le euristiche:
SPATH: Routing interference-aware su singolo percorso senza
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Interferenze vs. Opportunit´a di codifica
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Coding-Aware vs. opportunistic listening
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  1. 1. Introduzione Network Information Flow Network Coding Alain Bindele Corso di Reti Avanzate 2012/2013 14 giugno 2013 Alain Bindele Network Information Flow
  2. 2. Introduzione Argomenti affrontati: Il Network Information Flow ed il Network Coding Soluzioni proposte: COPE Funzionamento del protocollo Struttura dell’header Prestazioni Interazione con il MAC layer Miglioramenti proposti Coding-Aware routing Sviluppi futuri Alain Bindele Network Information Flow
  3. 3. Introduzione Problema del Network Information Flow “In una rete in cui un insieme di nodi sorgenti devono trasmettere informazioni ad una serie di nodi di destinazione attraverso un insieme di nodi ripetitori, qual’´e il massimo flusso informativo raggiungibile?” Alain Bindele Network Information Flow
  4. 4. Introduzione Un esempio tipico: (a) (b) Figura: Configurazione “Alice and Bob” senza network coding (a) e con network coding (b) Alain Bindele Network Information Flow
  5. 5. Introduzione Un altro esempio tipico: A B D E x x C x,y x,y (a) (b) Figura: Rete di comunicazione “a farfalla” senza l’uso del network coding (a) e con network coding (b) Alain Bindele Network Information Flow
  6. 6. Introduzione Il protocollo COPE: L’importanza di essere opportunisti...(in senso buono) Alain Bindele Network Information Flow
  7. 7. Introduzione Il protocollo COPE: Ascolto Opportunistico Coding Opportunistico Pseudo-Broadast Riscontri Asincroni Reception Reports Alain Bindele Network Information Flow
  8. 8. Introduzione Il problema della scelta. P1 P2 P3 P4 Pacchetti A Dest. C C D 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 D C BA P1P2P3P4 P4 P3 P1 P4 P3 P1 P1+P2 (a)HopsuccessivideipacchettiincodanelnodoB (b)Sceltapessima 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 D C BA P1P2P3P4 P4 P3 P1 P4 P3 P1 P1+P3 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 D C BA P1P2P3P4 P4 P3 P1 P4 P3 P1 P1+P3+P4 (c)Buona Scelta (d) Miglior scelta (C può decodificare, A no) (A e C possono decodificare) (A, C e D possono decodificare) Figura: Coding opportunistico: nella situazione (a) le diverse scelte portano diversi fattori di miglioramento sulle prestazioni.Alain Bindele Network Information Flow
  9. 9. Introduzione Idea!! Perch´e allora non utilizzare i protocolli broadcast?? Quasi... Alain Bindele Network Information Flow
  10. 10. Introduzione Soluzione Pseudo-Broadcast ossia: come implementare un meccanismo broadcast su flussi unicast. Alain Bindele Network Information Flow
  11. 11. Introduzione Codifica dei pacchetti: Obiettivi Nessun Ritardo! Pacchetti Omogenei Differenti Destinazioni Massima probabilit´a di ricezione Alain Bindele Network Information Flow
  12. 12. Introduzione Decodifica dei pacchetti Niente di pi´u semplice:Una hashlist ed uno Xor. Alain Bindele Network Information Flow
  13. 13. Introduzione L’algoritmo di ricezione e di invio. Encoded? Can send yes no Schedule retransmissions Add reception reports To wireless device Add acks to header Dequeue head of Output Queue Encode if possible Encoded? Packet arrival yes no Decode and schedule acks Extract acks meant for me Update retransmission events yes no Enqueue in Output Queue Deliver to host Extract Reception Reports Update Neighbor’s State Am I nexthop? Decodable? Am I destination? yes yes Add to Packet Pool Add to Packet Pool (a) Sender side (b) Receiver side Alain Bindele Network Information Flow
  14. 14. Introduzione Struttura dell’header COPE Figura: Struttura dell’ Header del protocollo COPE. Alain Bindele Network Information Flow
  15. 15. Introduzione Prestazioni del protocollo COPE 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 1 1.5 2 2.5 3 TCPGoodputinMb/s Carico offerto in Mb/s COPE senza COPE 0 1 2 3 4 5 6 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 ThroughputdireteinMb/s Carico offerto in Mb/s con COPE senza COPE (a) (b) Figura: a)Prestazioni del protocollo COPE in una rete TCP senza casi di hidden terminal. b)Prestazioni del protocollo COPE con flussi UDP in una rete wireless ad-hoc. Alain Bindele Network Information Flow
  16. 16. Introduzione Prestazioni del protocollo COPE (2) 0 10 20 30 40 50 60 1 2 3 4 5 6 Percentuale N°. pacchetti codificati insieme Pacchetti Codificati 0 20 40 60 80 100 0 4 8 12 16 20 24 Percentuale Carico offerto in Mb/s Pacchetti codificati probabilisticamente (a) (b) Figura: a) Distribuzione del numero di pacchetti codificati nel punto di picco relativamente all’esperimento della slide precedente. b)Percentuale dei pacchetti codificati tramite considerazioni probabilistiche nel punto di picco relativamente all’esperimento della slide precedente (parte b). Alain Bindele Network Information Flow
  17. 17. Introduzione Prestazioni del protocollo COPE: altre considerazioni Effetto Cattura Hidden Terminal Confronto fra le prestazioni teoriche e pratiche Alain Bindele Network Information Flow
  18. 18. Introduzione Interazione tra MAC e COPE 0 0.5 1 1.5 2 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Carico Offerto ThroughputTotale COPE Routing Figura: Funzioni del throughput teoriche con e senza NC Alain Bindele Network Information Flow
  19. 19. Introduzione Interazione tra MAC e COPE (Topologia a stella) A B C D r Figura: Esempio di topologia a stella Alain Bindele Network Information Flow
  20. 20. Introduzione Miglioramenti per la fairness Coda del nodo codificante Sequenza pacchetti inviati Sequenza inviata Code virtuali del nodo codificante a) b) Figura: Esempio: Code dei pacchetti con e senza tecnica di round-robin Alain Bindele Network Information Flow
  21. 21. Introduzione Coding-Aware Routing a) b) c) Figura: a) Routing semplice. b) Routing che massimizza le opportunit´a di codifica c) Topologia di esempio Alain Bindele Network Information Flow
  22. 22. Introduzione Le euristiche: SPATH: Routing interference-aware su singolo percorso senza codifica. MPATH: Routing interference-aware su percorso multiplo senza codifica. SPATH-CODE: Routing non coding-aware su singolo percorso con codifica. CA-SPATH-CODE: Routing coding-aware su singolo percorso con codifica. CA-MPATH-CODE: Routing coding-aware su percorsi multipli con codifica. Alain Bindele Network Information Flow
  23. 23. Introduzione Confronto tra le euristiche: Interferenze vs. Opportunit´a di codifica MPATH: buono a basso carico, ad alti carichi soffre l’interferenza SPATH-CODE: buone opportunit´a di codifica ma su singolo percorso CA-MPATH-CODE: miglior throughput Alain Bindele Network Information Flow
  24. 24. Introduzione Confronto tra le euristiche: Coding-Aware vs. opportunistic listening SPATH-CODE + L: +10% rispetto a SPATH-CODE, +30% rispetto a SPATH. CA-MPATH-CODE -L: migliore del SPATH-CODE + L Alain Bindele Network Information Flow
  25. 25. Introduzione Confronto tra le euristiche: Banda vs. Throughput SPATH-CODE: 17% di risparmio rispetto a SPATH MPATH: 17% peggiori rispetto a SPATH Le migliori performance si ottengono tramite codifica e ascolto opportunistico. Alain Bindele Network Information Flow
  26. 26. Introduzione Confronto tra le euristiche: a) b) c) d) Alain Bindele Network Information Flow
  27. 27. Introduzione Confronto tra le euristiche (2): e) Alain Bindele Network Information Flow
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