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Título: Novas metodologias AQM e TCP visando a eficiência de fluxos de controle UDP e dados TCP/IP compartilhados
Autor(es): Sup, Luciano Mauro Arley
Orientador(es): Moraes, Renato Mariz de
Assunto: Sistema de controle
Redes de computação
Internet das coisas
TCP/IP (Protocolo de rede de computação)
Data de publicação: 27-Fev-2018
Data de defesa: 21-Jul-2017
Referência: SUP, Luciano Mauro Arley. Novas metodologias AQM e TCP visando a eficiência de fluxos de controle UDP e dados TCP/IP compartilhados. 2017. xvi, 198 f., il. Tese (Doutorado em Engenharia de Sistemas Eletrônicos e Automação)—Universidade de Brasília, Brasília, 2017.
Resumo: Na atualidade a Internet se tornou uma rede capaz de interconectar diversos tipos de usuários, dispositivos, casas, edifícios, plantas industriais, automóveis, hospitais, escolas, paradigma conhecido como Internet das Coisas (IoC). Convertendo-se assim em um meio que abriga fluxos de dados TCP/IP e fluxos UDP de sistemas de controle em rede denominados NCS (Networked Control Systems) utilizados em diversas aplicações, tais como, automação industrial, automação predial, telecirurgias, smart grid e smart city. Para estudar ambos os tipos de fluxos em uma abordagem concomitante, neste trabalho, primeiramente foi desenvolvida uma metodologia que admite modelar e simular topologias de redes de comunicação junto com seus protocolos e algoritmos usando o UPPAAL, uma ferramenta de software que admite modelar sistemas físicos e lógicos através de autômatos temporizados e também fazer simulações e verificações determinísticas e estatísticas do modelo. Então, foram modelados sistemas de controle através da Internet junto com outros fluxos TCP/IP genéricos, e foi observado e estudado como as características do sistema de comunicação afetam o desempenho do sistema de controle em diferentes cenários de simulações e com diferentes técnicas AQM (Active Queue Management) implementadas nos roteadores. Neste contexto, com o objetivo de corrigir esses efeitos, e visando à eficiência de ambos os tipos de fluxos (maior vazão para fluxos TCP/IP e menor ITAE (Integral Time-weighted Absolute Error) para a NCS) foi desenvolvida uma nova metodologia que combina ações AQM com ações TCP/IP, chamada ENCN (Explicit Non-Congestion Notification) cujo desempenho foi comparado com as técnicas AQM Drop Tail, RED, CoDel e PIE trabalhando em conjunto com TCP-Reno, e com os protocolos TCP-Jersey, DCTCP e E-DCTCP (todos modelados e simulados no UPPAAL). Resultados de simulações e verificações estatísticas mostraram que comparado com essas metodologias o ENCN melhorou tanto a vazão e a justiça dos fluxos TCP/IP quanto o ITAE da NCS (fluxo UDP). Porém, o ENCN utiliza alguns recursos tecnológicos (bits para notificar não congestionamento) que nem sempre estão disponíveis na prática. Para superar essa limitação do ENCN, foi desenvolvida uma metodologia chamada ANCE (Acknowledge-based Non- Congestion Estimation) a qual trabalha de forma análoga a ENCN, porém, utiliza o valor estimado do tamanho da fila ao invés de utilizar uma notificação explícita de não congestionamento advinda dos roteadores, o que torna essa técnica mais viável para implementação. Finalmente, para superar algumas limitações de ANCE, foi desenvolvido um protocolo de transporte de dados chamado TCP-Puerto-Londero que a diferença de ANCE faz um ajuste adaptativo da janela de transmissão de dados em função de um atraso relativo no caminho de ida, ao invés de utilizar o RTT. Resultados de simulações mostraram que apesar de não utilizar recursos para fazer notificações explícitas de não congestionamento, o TCPPuerto-Londero fornece um desempenho comparável ao ENCN, superando o TCP-Jersey em 12,03 % e o E-DCTCP em 4,21 % em termos de vazão para os fluxos TCP/IP, e reduzindo o ITAE da NCS em 36,84 %, 36,68 % e 4,16 % em relação ao TCP-Jersey, o E-DCTCP e o ENCN, respectivamente. Esse bom desempenho do TCP-Puerto-Londero também foi observado nas verificações estatísticas do modelo.
Abstract: Actually the Internet has become a network capable of interconnecting several types of users, objects, houses, buildings, industrial plants, automobiles, hospitals, schools, this paradigm is known as Internet of Things (IoC). Thus, the Internet has becoming a communication medium that hosts TCP/IP data flows and networked control systems (NCS) UDP flows used in several applications, such as, industrial automation, building automation, remote surgery , smart grid and Smart city. To study both types of flows in a concomitant approach, in this work, a modeling methodology was developed that supports modeling and simulation of communication network topologies along with their protocols and others algorithms using the UPPAAL, a software tool that admit modeling of physical and logical systems through timed automata and make simulations and statistical verifications. Thus, control systems over the Internet were modeled along with other generic flows on which we can observe and study how the communication network features affect control performance behavior for different simulation scenarios and with different AQM (Active Queue Management) techniques implemented in the routers. Then, in order to improve the tradeoff between TCP-throughput and ITAE (Integral Time-weighted Absolute Error) for the NCS that share de same network topology, we've developed a new AQM technique called ENCN (Explicit Non-Congestion Notification) whose performance was compared with TCP-Jersey, DCTCP and, E-DCTCP ECN based transport layer protocols, and with Drop Tail, RED, CoDel, and PIE schemes implemented joint with TCP-Reno protocol (all them modeled in UPPAAL). Simulations and statistical verifications show that the ENCN provides better throughput and fairness for TCP/IP flows, and ITAE for NCS UDP flow compared to other methodologies. However, the ENCN uses some technological resources (bits to notify non-congestion) that are not always available. In order to overcome this ENCN limitation we developed a methodology called ANCE (Acknowledge-Based Non- Congestion Estimation), which work like ENCN but making inferences about queue length instead to using explicit non-congestion notification coming from the routers, which makes this technique more feasible for implementation. Finally, in order to overcome some ANCE limitations we developed a new transport layer protocol called TCP-Puerto-Londero, which rather than using the RTT, makes an adaptive adjustment of the congestion window as a function of a relative delay in the forward path. Simulation results showed that TCP-Puerto- Londero provides performance comparable to ENCN, overcoming TCP-Jersey by 12.03 % and the E-DCTCP in 4.21 % in terms of throughput for TCP/IP flows and reducing the ITAE of the NCS UDP flow by 36.84 %, 36.68 % and 4.16 % in relation to the TCP-Jersey, E-DCTCP, and ENCN, respectively. This good performance of TCP-Puerto-Londero was also observed in the statistical verifications.
Informações adicionais: Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2017.
Informações de Acesso e Conteúdo: Texto parcialmente liberado pelo autor. Conteúdo restrito: Capítulo 5. TCP-Puerto-Londero.
Licença: A concessão da licença deste item refere-se ao termo de autorização impresso assinado pelo autor com as seguintes condições: Na qualidade de titular dos direitos de autor da publicação, autorizo a Universidade de Brasília e o IBICT a disponibilizar por meio dos sites www.bce.unb.br, www.ibict.br, http://hercules.vtls.com/cgi-bin/ndltd/chameleon?lng=pt&skin=ndltd sem ressarcimento dos direitos autorais, de acordo com a Lei nº 9610/98, o texto integral da obra disponibilizada, conforme permissões assinaladas, para fins de leitura, impressão e/ou download, a título de divulgação da produção científica brasileira, a partir desta data.
Agência financiadora: Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES).
Coorientador(es): Bauchspiess, Adolfo
Aparece nas coleções:ENE - Doutorado em Engenharia de Sistemas Eletrônicos e de Automação (Tese)



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