Novas metodologias AQM e TCP visando a eficiência de fluxos de controle UDP e dados TCP/IP compartilhados

Abstract

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.