Análisis de políticas de scheduling multi-flujo en Quic sobre conectividad Leo

Abstract

Las Non-Terrestrial Networks (NTN) en general, y los satélites de baja órbita (Low Earth Orbit-LEO) en particular, desempeñarán un papel relevante en las próximas generaciones de comunicaciones móviles, las redes 5G y Beyond 5G (B5G), con mayor presencia que en los sistemas anteriores. A su vez, se están proponiendo y desarrollando protocolos en las capas superiores mejor adaptados a los requisitos de los nuevos servicios y aplicaciones, entre los que destaca QUIC, como alternativa a nivel de transporte. La presencia de este protocolo de transporte ha aumentado de manera notable desde que se propuso originalmente, pero su comportamiento sobre redes inalámbricas sigue siendo una cuestión abierta. En este trabajo se abordará el análisis y mejora del protocolo QUIC sobre redes no terrestres. Como primer paso, se implementa un conjunto de funcionalidades en el simulador de red ns-3 con el objetivo de emular escenarios LEO con diferentes topologías, utilizando modelos de capacidad de canal dinámicos definidos en la literatura. El enfoque propuesto de emulación permite analizar el comportamiento de protocolos y servicios reales ante diferentes situaciones de conectividad subyacente. Este entorno se ha utilizado para evaluar el comportamiento tanto del protocolo tradicional Transmission Control Protocol (TCP) como QUIC, bajo diversas configuraciones. Además, se ha prestado especial atención a la capacidad multi-flujo de QUIC, que es una de las ventajas más relevantes que incluye este protocolo para mejorar su rendimiento. Para ello se propone un shceduler basado en el retardo para la gestión de los flujos de datos, cuyo comportamiento se ha analizado, con el fin de compararlo con el exhibido por las soluciones por defecto y otras alternativas. Se lleva a cabo una extensa campaña de experimentos usando el entorno de emulación mencionado, combinado con técnicas de virtualización, para integrar aplicaciones reales, y ns-3, que permite modelar, de forma realista, los enlaces NTN. Los resultados muestran que las políticas de scheduling propuestas distribuyen equitativamente el retardo entre los flujos, sin perjudicar a la tasa de envío de datos, incluso en situaciones de carga muy alta.

Non-Terrestrial Networks (NTN) in general, and Low Earth Orbit (LEO) satellites in particular, will play a key role in the next generations of mobile communications, 5G networks and Beyond 5G (B5G), being more relevant than in previous systems. In addition, new upper layers protocols, better adapted to novel applications and services, have recently arisen, being QUIC one of the most relevant solutions. Although the presence of QUIC has continuously increased since it was originally proposed, its performance over different wireless technologies is still an open research issue. In this context, this thesis addresses its performance analysis over non-terrestrial networks. As a first step, a set of utilities is implemented in the ns-3 network simulator, with the aim of deploying LEO scenarios with different topologies, using dynamic channel capacity models from the literature. The proposed emulation approach allows us to conduct systematic analyses of real protocols and services over different underlying channels. In this sense, it has been used to assess the behavior of both Transmission Control Protocol (TCP) and QUIC under different scenarios and setups. Besides, we have paid special attention to QUIC multi-stream feature, which is one of its most relevant advantages and can be indeed exploited to improve its performance. In this sense, a delay-based scheduler has been proposed, based on dynamic queuing control, whose behavior has been extensively analysed, comparing it with that exhibited by legacy solutions. An extensive experiment campaign is carried out by exploiting the emulation environment along with virtualization techniques, to integrate real applications, and ns-3, to realistically model NTN links. The results show that the proposed scheduling policies fairly distribute the delay between streams, without jeopardizing the throughput, even under very high load situations.