Fairness Antar-Protokol pada Protokol Kontrol Kemacetan Multicast Berbasis Jaringan Aktif Riri Fitri Sari 1
Center for Information and Communication Engineering Research, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Indonesia Depok 16424, Indonesia
[email protected]
Abstrak: Tulisan ini akan meninjau tentang penggunaan jaringan aktif sebagai pendekatan protokol kontrol kemacetan multicast single rate dan multirate. Penelitian ini meliputi evaluasi fairness antar-protokol 2 protokol kontrol kemacetan multicast; Active Error Recovery/Nominee Congestion Avoidance (AER/NCA) dan Active Layered Multicast Adaptation (ALMA). AER/NCA adalah sebuah protokol kontrol kemacetan multicast berbasis jaringan aktif, sedangkan ALMA adalah protokol berbasis Jaringan Aktif yang menggunakan kapsul (paket aktif) untuk melakukan adaptasi bandwidth pada protokol multicast berlapis (layered multicast). Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengevaluasi karakteristik fairness antar-protokol (TCP friendliness) dari protokol multicast berbasis Jaringan Aktif dengan melakukan simulasi pada simulator jaringan ns-2, disamping meneliti keterbatasan dari tiap protokol. Indeks Fairness Jain telah digunakan untuk evaluasi fairness antar-protokol dari AER/NCA dan ALMA terhadap TCP. Dapat disimpulkan bahwa AER/NCA memiliki karakteristik TCP friendly, dengan indeks fairness yang tinggi ketika menggunakan manajemen antrian RED dan Droptail. Disisi lain ALMA yang merupakan protokol kontrol kemacetan multicast berlapis berbasis jaringan aktif memiliki indeks fairness yang rendah, karena mekanisme deteksi (probing) bandwidth dan layer pruning (pemutusan lapisan) yang menggunakan persamaan pricing (harga) untuk menentukan jumlah lapisan yang akan dilanggani (subscribe).
Abstract: We review active networks as an approach to the single rate and multirate multicast congestion control protocols. This work involves the inter-protocol fairness evaluation of two multicast congestion control protocols; Active Error Recovery/Nominee Congestion Avoidance (AER/NCA) and Active Layered Multicast Adaptation (ALMA) protocols. AER/NCA is a representative of an AN-based single rate multicast congestion control protocol, whereas ALMA is an Active Networks (AN) based protocol which uses capsules (active packets) to perform bandwidth adaptation on layered multicast. The aim of the work is to assess the inter-protocol fairness (TCP-friendliness) characteristics of AN-based multicast protocols by performing simulations on ns-2 network simulator, as well as to reveal the limitations of each schemes. The Jain fairness index has been used to evaluate the inter-protocol fairness of AER/NCA and ALMA towards TCP. We found that AER/NCA has a TCP friendly characteristics, with high fairness indices when RED and Droptail queue managements are used. ALMA, the AN-based layered multicast congestion control on the other hand has a low fairness index, due to its bandwidth probing and layer pruning mechanisms which used pricing equation to decide the number of layers to subscribe.
1. Pendahuluan Kontrol kemacetan adalah elemen vital dari Internet untuk menghindari keadaan yang tidak diinginkan seperti congestion collapse. Secara sederhana, sebuah sumberdaya akan mengalami kemacetan ketika jumlah total dari kebutuhan melebihi kapasitas dari bandwidth yang tersedia. Kontrol kemacetan diperlukan ketika sumber daya di jaringan perlu dialokasikan sehingga tingkat kinerja operasi jaringan dapat mencapai tingkatan yang dapat diterima, ketika kebutuhan melampai atau mendekati kapasitas dari sumberdaya jaringan [10]. Sasaran utama dari penelitian ini adalah untuk mengevaluasi fairness antar-protokol dari protokol kontrol kemacetan multicast berbasis Jaringan Aktif. Sejumlah proposal protokol kontrol kemacetan multicast telah diajukan dalam literatur yang bertujuan untuk menyediakan metode efisien untuk mentransmisi data dari satu pengirim ke banyak penerima. Protokol kontrol kemacetan multicast ini dapat
diklasifikasikan menjadi protokol multicast single rate dan multirate. Masalah yang ditemui pada protokol reliable multicast single rate adalah bahwa semua penerima harus menerima layanan pada rate yang sama, yang tidak dapat mengakomodasi sifat heterogen dari penerima dan perbedaan dari kapasitas bandwidth dari jaringan yang berbeda seperti T1, T3, saluran ISDN line, dan ADSL. Protokol multicast berlapis (layered multicast) memungkinkan banyak grup multicast mentransmisi data dengan kecepatan yang berbeda untuk berbagai set dari penerima. Jaringan aktif adalah paradigma baru yang memungkinkan jaringan tradisional dimana router hanyalah pembawa bit pasif menjadi jaringan yang dapat di program yang disebut Jaringan Aktif. Konsep ini mulai dibicarakan di DARPA (Defense Advance Research Program Agency) Amerika Serikat sejak tahun 1994. Jaringan Aktif memungkinkan program untuk di suntikkan ke jaringan melalui paket data yang dikirimkan [19, 22, 23]. Jaringan aktif adalah kandidat ideal untuk meningkatkan jaringan yang ada dengan memungkinkan penyebaran kebutuhan layanan baru secara
cepat dan efisien. Jaringan aktif menawarkan mekanisme untuk memperpendek waktu untuk mengimplementasi protokol-protokol baru dan pendekatan ini telah digunakan pada AER/NCA dan ALMA dengan menggunakan kapsul (paket aktif) untuk memberikan informasi kemacetan [29]. TCP friendliness (fairness antar-protokol dengan TCP) telah direkomendasi oleh IETF untuk menjadi salah satu kriteria dalam pemilihan protokol multicast kontrol kemacetan. Kriteria ini adalah salah satu pertimbangan utama dalam mendesain protokol Internet baru dan menjadi karakteristik yang diinginkan. Pentingnya fairness antar-protokol mengantar kita untuk menentukan fokus dari masalah ini dalam hubungannya dengan protokol kontrol kemacetan berbasis Jaringan Aktif Bagian selanjutnya dari tulisan ini akan dirinci sebagai berikut. Pada Bagian 2 akan dijelaskan latar belakang permasalahan dan kerja yang literature yang berhubungan dengan Jaringan Aktif yang meliputi penjelasan tentang Jaringan Aktif, protokol kontrol kemacetan multcast, fairness antar-protokol, juga protokol AER/NCA dan ALMA. Bagian 3 terdiri dari disain eksperimen dan hasil simulasi. Pada Bagian 5 berisi kesimpulan dari keseluruhan makalah ini. 2. Latar Belakang 2.1 Jaringan Aktif Jaringan Aktif memperkenalkan perubahan radikal pada jaringan komputer yang dapat bermanfaat bagi banyak aplikasi. Fleksibilitas untuk beradaptasi pada perubahan lingkungan jaringan dan karakteristik layanan adalah fitur utama dari Jaringan Aktif, yang menjadi titik perhatian pada tulisan ini dengan memfokuskan pada protokol AER/NCA dan ALMA yang disimulasi pada ns network simulator. Jaringan Aktif dapat diklasifikasikan menjadi pendekatan diskrit dan terintegrasi. Pada arsitektur diskrit program dikirim ke node aktif melalui kanal out-band terpisah, sedangkan pada arsitektur terintegrasi kode id tempelkan pda paket data. Protokol AER/NCA dan ALMA yang didiskusikan pada tulisan ini menggunakan pendekatan Jaringan Aktif terintegrasi murni dimana paket aktif (kapsul) membawa kode. Arsitektur Jaringan Aktif terdiri dari sebuah system operasi penunjang yang disebut system operasi node (NodeOS), sejumlah lingkungan eksekusi (Execution Environment dan Aplikasi Aktif (AA) [4]. Sistem Operasi Node menyediakan akses ke sumber daya node local untuk Lingkunngan Eksekusi, contohnya Active Networks Transfer Service (ANTS) [22, 25]. Sejumlah Aplikasi Aktif dapat dimuat dan dieksekusi diatas sebuah lingkungan eksekusi. 2.2 Protokol Kontrol Kemacetan Multicast Masalah kemacetan dapat dianggap sebagai topik berprioritas tinggi pada jaringan komputer. Hal ini semakin medesak dengan berkembangnya Internet dan aplikasi yang dijalankan diatasnya, disamping keterbatasan sumber daya jaringan
untuk dibagi. Masalah kontrol kemacetan telah dibahas dalam berbagai pendekatan untuk mengatasi kemacetan pada berbagai platform jaringan, misalnya berbasis IP, ATM, dan pada lingkungan layanan terintegrasi (Integrated Services) dan layanan terdeferensiasi (Differentiated Services). Penelitian ini dititikberatkan pada protokol kontrol kemacetan untuk TCP (Transmission Control Protocol), mengingat bahwa protokol ini adalah protokol yang dominan di Internet dan meliputi 90% dari lalulintas total. Publikasi terbaru pada protokol kontrol kemacetan Internet [10, 24] menganggap pemodelan eksplisit dari kemacetan berupa Pricing menjadi teknik yang menjanjikan untuk mengontrol kemacetan pada jaringan komunikasi, dan ini langsung memberikan informasi yang dibutuhkan untuk mengalokasikan sumberdaya yang langka selama terjadinya kemacetan. Sally floyd memprediksi masa depan dari kontrol kemacetan di Internet sebagai berikut [6], i.e. 1) tersedianya bandwidth yang tidak terbatas sehingga tidak terdapat kemacetan; 2) berlanjutnya Internet sekarang ini yang merupakan ‘best effort traffic’ (lalulintas yang diusahakan sebaik mungkin) yang harus bekerjasama dengan kontrol kemacetan ujung ke ujung, 3) penjadualan tiap-aliran menurut tinjauan ‘game theory’ (teori permainan) dimana pemakai mengoptimasi fungsi utilitasnya sendiri, 4) pricing untuk layanan terdiferensiasi dimana kontrol dilakukan melalui ‘pricing’; 5) kembali ke penggunaan sirkuit virtual; dan 6) terjadinya ‘congestion collapse’. Pada bagian ini akan dibahas masalah kontrol kemacetan pada Internet sekarang, yang meliputi kontrol kemacetan TCP, TCP-friendliness, dan pricing. Skema pricil unutk mengontrol kemacetan dibahwa pada penelitian ini untuk memperkenalkan sisi pandang ketiga dan keempat masa depan kontrol kemacetan. Adanya kecerdasan dan daya komputasi pada routers, seperti yang diusulkan pada Jaringan Aktif akan membantu penerapan pricing ke lingkungan yang kompetitif dan non-kompetitif seperti Internet. Protokol multicast membahas cara pengiriman satu pesan secara efisien ke banyak penerima, misalnya untuk konferensi dan mereplikasi informasi lebih cepat dibanding banyak unicast. Aplikasi multicast memiliki titik berat fokus dan kebutuhan performansi yang berbeda, yang dapat diklasifikasi menjadi diatur-penerima dan diatur-pengirim. Pada teknik berbasis pengirim, single rate dikirim kesemua penerima. Teknik berbasis-penerima berdasar pada kemampuan untuk menghasilkan sumber data pada format berlapis dan mengirim lapisan-lapisan sebagai grup multicast yang berbeda. Manajemen lapisan dapat dibagi menjadi pendekatan kumulatif dan non-kumulatif. Pada pelapisan kumulatif, penerima dapat bergabung dan meninggalkan lapisan berdasar pada orde sekuensial. Dipihak lain, pada pendekatan non-kumulatif, penerima dapat menggabung subset lapisan manapun atau hanya satu lapisan. Sebuah kontrol dari algoritma berbasis penerima yang berbasis pada pada
komunikasi berlapis menggunakan Jaringan Aktif ditemukan pada [28]. Protokol multicast berlapis adalah protokol multirate dimana sesi multicast dapat dibagi menjadi lapisanlapisan berbeda dengan kecepatan berbeda. Data rate dari berbagai lapisan multicast yang berbeda dan transmisi lapisan kumulatif adalah mekanisme yang mendukung penyampaian ‘live video content’ dan transfer data bulk ke penerima heterogen. McCanne et al. mengusulkan sebuah protokol multicast berlapis yang disebut Receiver-driven Layered Multicast (RLM) [14, 21] yang merupakan protokol multicast berlapis pertama yang ditujukan untuk penerima heterogen pada transmisi packet video. Protokol ini menitikberatkan mekanisme bagi penerima untuk menambah dan mengurangi koneksi jaringan dan tetap mengikuti keterbatasan bandwidth. Protokol RLM menggunakan skema kompresi berlapis. Contoh dari pelapisan data adalah sebagai berikut: sebuah sinyal video dibagi menjadi berbagai segment, yang akhirnya dapat dibagi menjadi berbagai kanal multicast. Fungsi video encoding dan decoding harus tersedia ke segmen stream video ke berbagai komponen. Lapisan bawah terdiri dari citra dengan qualitas terentah, dan lapisan diatasnya akan memperbaiki kualitas citra. Vicisano et al. mengajukan penyempurnaan terhadap RLM yang disebut protokol Receiver-driven Layered Congestion Control (RLC). Pada RLC, sebuah penerima akan bergabung dengan lapisan yang lebih atas hanya jika tidak ada packet loss untuk memastikan bahwa terdapat bandwidth yang cukup.Terdapat beberapa masalah yang ditemukan pada implementasi dari beberapa mekanisme multicast berlapis yang ditemui misalnya, i.e. loss yang diinduksi oleh join experiments, waktu konvergensi yang lambat, dan kurangnya fairness antar-protokol. 2.3 Protokol Kontrol Kemacetan berbasis Jaringan Aktif Komunitas riset multicast telah banyak menghasilkan penelitian untuk meningkatkan layanan jaringan dengan fungsionalitas yang dikustomisasi, dengan menggunakan paradigma AN. Beberapa protokol AN telah diajukan sejak inisiasi paradigma Jaringan aktif. Misalnya Active Reliable Multicast (ARM), Active Error Recovery/Nominee Congestion Algorithm (AER/NCA) [20], Active Multicast Protokol (AMP), Reliable Multicast Active Networks Protocol (RMANP) [2], Dynamic Replier Active Reliable Multicast Protocol (DyRAM) [13] dan Active Hierarchical Congestion Control for Large-scale Multicast (AHCCM) design [3]. Protokol layered multicast protocol memungkinkan beberapa grup multicast untuk men-transmit data pada rates untuk beberapa set penerima (receivers). Protokol Active Traffic Control Mechanism for Layered Multicast (ATML) [8] dan Active Layered Multicast Adaptation (ALMA) [27, 28, 29] adalah protokol multicast multirate yang dapat ditemui di literatur.
2.4 Tinjauan Protokol berbasis Jaringan Aktif AER/NCA dan ALMA telah dipilih sebagai contoh protokol berbasis AN untuk protokol multicast single rate dan multicast multirate, yang akan dijelaskan berikut ini. 2.4.1 Active Error Recovery (AER) / Nominee Congestion Algorithm (NCA) AER/NCA adalah pendekatan multicast congestion control yang bertujuan mengatasi kemacetan dan mencapai kinerja transmisi ang lebih baik. AER/NCA adalah arsitektur multicast yang memanggil layanan aktif pada lokasi strategis didalam jaringan untuk mengatasi masalah feedback implosion, retransmission scoping, distributed loss recovery, dan congestion control. Protokol ini terdiri dari 2 macam protokol yaitu Active Error Recovery (AER) untuk perbaikan paket yang hilang (packet loss recovery) dan Nominee Congestion Avoidance (NCA) untuk control kemacetan. Tujuan dari protokol ini adalah bahwa arsitekturactive services architecture meningkatkan penggunaan sumber daya (resource usage), latency loss recovery, dan memberikan control kemacetan yang bersahabat terhadap TCP (`TCPfriendly'). Kontribusi AN pada AER adalah cache best-effort dari data packets sehingga memungkinkan local recovery. Ketika terjadi packet loss, sebelum mengirim paket NACK, penerima akan menginisiasi timer dan waits selama waktu tertentu (random). Router multicast aktif akan memperbaiki paket ke semua penerima yang berhubungan. NCA menggunakan algoritma penyesuaian single-rate, berbasis sumber (source-based) yang mengatur kecepatan transmisi sesuai dengan indikasi paket yang hilang dari satu receivers - `nominee'. Sesi multicast disyaratkan untuk tidak menerima bandwidth yang lebih disbanding sesi TCP lainnya yang bersaing dengannya pada jalur dari sumber ke tujuan manapun di pohon multicast, dalam rangka mencapai TCPfriendliness. Jalur yang paling lemah adalah jalur dimana sesi TCP akan menerima bandwidth terkecil. Tanpa mempertimbangkan efek time-out, throughput (bandwidth) rata-rata dari sesi TCP session dengan besar paket yang pasti, diberikan pada Persamaan [1]: B(p,T)=C/(T*sqrt(p)) ……(1) Dimana p adalah Loss Probability Estimate (LPE), T adalah round trip time estimate, dan C adalah konstan (nilai defaultnya 1.22) [20]. Jalur dengan batasan bandwidth terbesaradalah yang memiliki nilai fungsi g(p,T)=T*sqrt(p) tertinggi. Model throughput seperti ini mirip dengan model TCP throughput dari Padhye et al [15]. Simulasi NCA simulations pada [20] dan [27] memperlihatkan demonstrate protokol NCA protokol yang memungkinkan multiple multicast sessions untuk berbagi bandwidth jaringan secara fair diantara mereka sendiri dan dengan sesi TCP yang berkompetisi. Aspek berbagi bandwidth dari group multicast kecil pada simulasi ini menjelaskan pertimbangan TCP-friendliness.
Pada AER/NCA, active service dipakai dengan tujuan meningkatkan kinerja saja. Dukungan router yang dibutuhkan juga minimal. Sifat alami dari AN adalah memungkinkan layanan baru diterapkan secara evolusioner untuk tetap menjaga tetap digunakannya semantic arsitektur routing dan forwarding Internet AER/NCA simulator [20] memperkenalkan paket aktif yang baru untuk mekanisme pensinyalan, contohnya paket-paket Negative Acknowledgement (NACK), Repair, Congestion Status Message (CSM), Source Path Message (SPM), dan Congestion Control Message (CCM). Lebih jauh lagi, dalam mencapai fairness, AER/NCA menggunakan algoritma rate adjustment algorithm untuk mengatur source untuk melakukan penyesuaian rate sebagai tanggapan terhadap ACK yang diterima dari nominee. Algoritma yang digunakan adalah congestion window (CWND), dan variable slow-start threshold (Thresh). Penyesuaian CWND ini mirip mekanisme TCP New Reno. 2.4.2 Active Layered Multicast Adaptation Protocol (ALMA) ALMA adalah aplikasi adaptif yang didisain untuk meminimalisasi kemacetan. ALMA didisain untuk protokol layered multicast dimana data stream dibagi menjadi sejumlah lapisan setelah diencode secara hirarkis. Beberapa aliran data digenerate dan penerima menerima satu subset. Protokol ini memiliki skema layered untuk aliran-aliran yang berkompetisi dengan prioritas berbeda untuk melakukan adaptasi bandwidth. Pada ALMA, TCP-friendliness bukanlah focus dari protokol ini, terutama ketika particularly ketika waktu delay untuk melakukan join/drop dari group tinggi. AN dipakai pada ALMA untuk mengatasi masalah yang ditemukan pada pendekatan adaptasi klasik, misalnya kurangnya mekanisme untuk mendapat informasi tentang ketersediaan sumber daya. Kapsul dipakai untuk menyediakan informasi kemacetan, yaitu queue occupancy. Panjang queue rata-rata dipakai untuk menghitung harga dengan menggunakan fungsi harga yang ditentukan (Persamaan (1)), dan kemudian ini akan dibandingkan dengan budget, yang proporsional dengan utilitas marjinal relatif pada penambahan lebih banyak layer. Gambar 1 memperlihatkan budget dan fungsi harga awal yang dipakai pada ALMA.
a) Budget b) Harga Gambar 1. Fungsi budget untuk tiap layer dan fungsi untuk tiap node tengah [28]
Fungsi harga yang dipakai pada percobaan simulasi ALMA dapa dilihat pada Persamaan (2) [28] dimana beban adalah buffer occupancy rata-rata. Ini berbentuk fungsi peningkatan berbentuk konveks yang memacu peningkatan tajam dari harga pada beban tinggi untuk menghindari penggunaan bandwidth. Harga =1000*(sqrt(1.01)/(1.01-beban))-1000…………(2) Protokol ini menggunakan beberapa asumsi. Misalnya semua node adalah node aktif, semua paket adalah kapsul aktif, protokol yang dipakai adalah mode sparse berbasis sumber (source-based sparse-mode), tapi bukan alamat grup (group address). Informasi lebih lanjut tentang mekanisme routing sparse-mode. Aplikasi layered multicast dibentuk dari satu sumber dan beberapa penerima berbeda. Sumber di-encode secara hirarkikal, dimana lapisan atas membawa informasi lebih rinci dibanding lapisan bawah yang ada. Data yang dibawa kapsul juga berisi instruksi untuk memprosesnya didalam node aktif. Hubungan antara lapisan sudah diset sebelumnya. ALMA menerapkan kapsul subscribe untuk dipakai pada sesi penerima untuk probing bandwidth dan mengindikasi tingkat subscription. Kapsul ini dipakai oleh router aktif untuk pruning dan melakukan control kemacetan. Kapsul subscribe terdiri dari alamat sumber dan tingkat subscription. Mekanisme control kemacetan dapat disimpulkan sebagai berikut: interfaces keluar mengeksport harga sebagai fungsi karakteristik link dan beban, dan data kapsul memfilter dirinya dengan membandingkan harga dan budget, kapsul data memotong cabang multicast yang memiliki kemacetan persistent, dan kemudian penerima melakukan spawn kapsul subscribe untuk mencari bandwidth tambahan. Mekanisme filtering data untuk mengatasi kemacetan shortterm dilakukan dengan membandingkan harga dengan budget, dimana kemacetan jangka panjang diantisipasi dengan keputusan pruning. Perilaku protokol dapat dievaluasi dengan menganalisa bandwidth yang di subscribe oleh tiap penerima, konvergensi cepat ke rate optimal, jumlah lapisan yang disubscribe, dan laju kehilangan (loss rate). 2.5 TCP-friendliness Beberapa protokol didisain dengan tujuan mencapai skalabilitas dan reliabilitas. Keberadaan yang ‘damai’ dengan TCP (TCP-friendliness) dan karakteristik fairness akan memastkan penerapan yang lancer untuk penerapan protokol baru pada Internet. Penerapan aplikasi yang tidak dapat dikontrol kemacetannya dapat menimbulkan unfairness/unfriendliness terhadap lalulintas (traffic) TCP karena back-off ang terjadi selama periode control kemacetan. Aliran yang bukan TCP (Non-TCP) harus TCP-friendly ketika berkompetisi dengan TCP flows untuk bandwidth, dimana in rate kedatangan dari aliran non-TCP harus tidak melebihi aliran yang friendly dengan TCP pada situasi yang sama [7]. Dengan kata lain, mereka harus tanggap terhadap
kemacetan jaringan dan juga friendly dengan aplikasi TCP yang competing dalam hal berbagi bandwidth. Banyak skema unicast dan multicast congestion control berusaha untuk sesuai dengan criteria TCP-friendliness ini. TCP-friendliness adalah karakteristik yang diharapkan untuk aliran unicast dan multicast. Aliran multicast dianggap sebagai TCP-friendly ketika untuk tiap pasangan senderreceiver pair, aliran multicast flow memiliki sifat unicast TCP-friendly (dia tidak akan mengurangi throughput jangka pangjang dari TCP flow yang ada) [77]. TCP-friendliness adalah subset dari fairness, karena berhubungan dengan interprotokol fairness dengan TCP. Pada tulisan istilah TCPfriendliness disamakan dengan inter-protokol fairness. TCP-friendliness adalah karakteristik yang diharapkan yang perlu untuk dicapai pada protokol unicast dan multicast. Protokol equation-based congestion control telah diajukan untuk memastikan TCP-friendliness pada banyak penelitian [13, 14, 24]. Protokol-protokol TCP-friendly Multicast Congestion Control (TFMCC) [15] dan Pragmatic General Multicast Congestion Control (PGMCC) adalah contoh protokol single rate multicast congestion control. Dalam penelitian ini TCP-friendlinessin dihubungkan dengan evaluasi mekanisme control kemacetan pada protokol berbasis jaringan aktif. Pendekatan end-to-end murni tidak dapat mempromosi TCP-friendliness dengan mudah. Oleh karena itu elemen jaringan dan dukungan jaringan aktif telah dipakai untuk mencapai sifat yang dibutuhkan. Fairness antar protokol (Inter-protokol fairness) dan alokasi bandwidth juga telah banyak diteliti [1, 8, 22]. Ada beberapa fairness di literatur untuk protokol transport, contohnya max-min fairness dasar, proportional fairness dan indeks fairness Jain fairness [9]. Pada Max-min fairness protokol harus memiliki pemakaian maksimal dari sumber daya jaringan yang adal, tetapi mampu untuk berbagi sumber daya itu dengan adil diantara aliran-aliran data yang ada. Fairness Proportional bertujuan memaksimalisasi penggunaan sumberdaya jaringan. Dimana tiap sumberdaya jaringan memiliki ‘harga’ yang berhubungan dengan administrator jaringan dan prioritas routing yang ditugaskan pada aliran tertentu. Indeks fairness Jain berdasar pada Persamaan berikut ini [16, 18].
………..(3) dimana x{i} adalah throughput dari sesi i pada link bottleneck, dan n adalah jumlah sesi yang berbagi link bottleneck. Indeks fairness berada diantara 1/n hingga 1. Partisi equal lokal dari bandwidth mencapai indeks1. Jika hanyak dari n aliran menerima bandwidth yang sama (dan yang lain tidak mendapat apa-apa) maka indeksnya adalah k/n. Beberapa sifat dari indeks ini meliputi: tidak tergantung dari jumlah populasi, skala, dan metrik, bernilai 0-1, dan kontinu. Banyak studi tentang fairness dilakukan dengan menggunakan
topologi satu link bottleneck topology dimana throughput rata-rata dari protokol yang baru harus sesuai dengan rata-rata throughput TCP. Kebanyakan protokol multicast reliable menggunakan kecepatan penerima terkecil untuk digunakan sebagai kecepatan penerimaan dari kelompok dalam menimbulkan sifat mekanisme TCP-friendly . Hal ini dilakukan dengan menggunakan fungsi estimasi laju TCP dengan menggunakan loss rate dan estimasi waktu yang digunakan untuk bolak-bali (RTT). Pada protokol multicast single rate, waktu round trip dan informasi kehilangan sangat penting bagi pengirim untuk menentukan lajunya. Jika sender tidak melebihi kecepatan ini untuk penerima manapun, maka protokol harus TCPfriendly. Untuk protokol multirate multicast, rinician analisa matematika dan pengaruh dari lapisan multicast pada fairness jaringan dapat dilihat pada [15]. Bagian berikut ini menjelaskan lingkungan simulasi yang dipakai pada simulasi dengan simulator jaringan ns-2 pada penelitian ini. Dalam mengevaluasi fairness inter-protokol dari AER/NCA dan ALMA digunakan parameter topologi dan jaringan yang berbeda. Topologi dan parameter jaringan AER/NCA dan ALMA yang dipakai pada index fairness Jain adalah sama. 3.1 Eksperimen Simulasi Untuk mengevalusi protokol AER/NCA, digunakan ns-2.1b5 dengan ekstensi kode AER/NCA yang diberikan pada proyek PANAMA [20]. Pada kode ini diasumsi bahwa kode telah didistribusi ke node-node (repair servers). Kode siap untuk memproses paket aktif yang diterima. Ini adalah lapisan NodeOS yang mampu menurunkan EE dari agent AN. Untuk eksperimen pada ALMA, digunakan ns-21b6 dari proyek Virtual Internet Testbed (VINT) Lawrence Berkeley National Laboratory [5] dengan ekstensi ALMA menggunakan kode berbasis tcl dari Yamamoto [29]. Sub bagian berikut ini memperlihatkan eksperimen simulasi, hasil, dan diskusi dari karakteristik inter-protokol fairness dari AER/NCA dan ALMA. 3.1 Fairness Inter-protokol AER/NCA pada periode simulasi pendek dan panjang 3.1.1 Topologi Simulasi dan Parameter Gambar 2 memperlihatkan topologi untuk eksperimen fairness inter-protokol. Topologi ini terdiri dari 1 sesi multicast dengan 3 penerima berbagi pakai link dengan protokol TCP. Dalam simulasi sesi multicast AER/NCA dijalankan secara kongkuren dengan aliran TCP. Parameter utama dari simulasi ini dapat dilihat pada Tabel 1. Bandwidth saluran yang macet (bottleneck) antara node 1 dan 2 adalah 500 Kbps, sedangkan delay propagasi adalah 50 mdetik, sehingga terbentuk kemacetan. Ukuran buffer pada server repair adalah 30 paket. Ukuran buffer pada server yang dapat memperbaiki (repair)
adalah 30 paket. Ukuran paket untuk TCP New Reno dan transmisi AER/NCA adalah 1400 bytes. Tiap simulasi Each berjalan selama 300 detik. Dalam eksperimen ini, kita memulai aliran TCP pada waktu yang sama dengan aliran AER/NCA (0.1 detik).
menggunakan pendekatan berbasis-NACK untuk control kemacetan, dan penerima yang memiliki throughput terendah ada group multicast dipilih sebagai nominee. Mekanisme ini memastikan bahwa fairness ketika berbagi link dengan aliran yang berkompetisi lainnya dapat dicapai.
Gambar 2. Topologi untuk fairness inter-protokol AER/NCA Tabel 1. Parameter simulasi untuk eksperimen AER/NCA (topologi pada Gambar 2) Parameter Simulasi Sources Sources – Router 1 link Router 1 – Router 2 link Router 2 – Receivers link Router 1 and 2 maximum buffer size Simulation time AER/NCA packet size
Nilai 1 Multicast session with 3 receivers and 1 TCP flow 10 Mbps, 1 ms delay 500 Kbps, 50 ms delay 10 Mbps, 1 ms delay 30 packets 300 and 3000 seconds 1000 bytes
Bagian kedua dari eksperimen berhubungan dengan topologi yang sama (pada Gambar 2), tetapi eksekusi simulasi berlangsung dalam periode yang lebih lama). Parameter yang sama seperti sebelumnya, dan jalankan simulasi selama 3000 detik. Aliran TCP juga dimulai bersamaan seperti pada aliran multicast. 3.1.2 Hasil dan Evaluasi Dalam SubSeksi ini, dijelaskan situasi dimana protokol multicast single rate berkompetisi dengan protokol lain, terlebih dengan adanya flow TCP yang berkompetisi lainnya. Tujuan dari eksperimen adalah untuk membandingkan fairness antar protokol dari AER/NCA dengan menjalankan sesi AER/NCA dan aliran TCP melalui link bottleneck yang sama.
b) Waktu simulasi panjang Gambar 3. Fairness antar-protokol dari AER/NCA pada periode simulasi pendek dan panjang (1 sesi multicast dan 1 sesi TCP) dengan indeks fairness= 0.99 dan 0.985. 3.2 Indeks Fairness AER/NCA Tujuan dari eksperimen ini adalah mengevaluasi indeks fairness dari AER/NCA untuk berbagai skema manajemen queue di router. Tujuannya adalah untuk mengetahui fairness anrar protokol AER/NCA dengan flow TCP saingannya. Simulasi di set dengan topologi jaringan dengan round trip time yang berbeda yang diatur dengan menggunakan delay yang berbeda pada sisi link. Delay propagasi pada link sisi penerima divariasikan untuk mengevaluasi throughput dan indeks fairness dari link. Untuk kalkulasi digunakan indeks fairness Jain yang berada diantara 1/n and 1. Simulasi dijalankan dengan delay propagasi pada sisi receiver, dan menggunakan mekanisme manajemen queue RED atau Droptail. Hasil rata-rata throughput dipakai untuk mengkalkulasi indeks fairness dari eksperimen dengan manajemen queue RED dan Droptail pada router. 3.2.1 Topologi Simulasi dan Parameter
Gambar 4. Topologi untuk fairness antar-protokol AER/NCA
a) Waktu simulasi singkat Algoritma kontrol kemacetan pada AER/NCA dapat mengatur rate sehingga tidak menjadi lebih agresif disbanding aliran TCP pada saat berbagi link yang sama. AER/NCA
Topologi pada Gambar 4 dipakai pada eksperimen ini untuk menganalisa fairness dari aliran AER/NCA terhadap TCP, yang terdiri 1 sesi multicast dan 1 aliran TCP. Sesi multicast terdiri dari satu pengirim dan satu penerima yang selalu menjadi perwakilan (nominee). Round trip time dari simulasi
divariasikan dengan mengubah delay link penerima (link yang tidak mengalami kongesti). Parameter simulasi yang digunakan dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2. Parameter simulasi untuk topologi pada Gambar 4. Parameter simulasi Sources Sources – Router 1 link Router 1 – Router 2 link Router 2 – Receivers link Router 1 and 2 maximum buffer size Simulation time ALMA packet size
Nilai 1 Multicast session and 1 TCP flow 10 Mbps, 10 ms delay 1.5 Mbps, 10 ms delay 10 Mbps, x ms delay (x=20, 40, 60, 80, 100) 30 packets 20 seconds 1000 bytes
3.2.2 Hasil dan Evaluasi Tabel 3. Indeks Fairness dengan algoritma manajemen queue RED dan Droptail. Delay Link Sisi Penerima RED Droptail
20 ms 0.95 0.87
40 ms
60 ms
0.98 0.89
0.97 0.84
80 ms 0.94 0.83
100 ms 0.92 0.84
Tabel 3 memperlihatkan indeks fairness dari AER/NCA dengan TCP ketika digunakan manajement queue RED dan Droptail pada router. Protokol berbasis window ini dapat mencapai TCP fairness, dengan indeks antara 0.83 dan 0.97 (mendekati 1- semua flow hamper memiliki throughput yang sama). Kinerja dari algoritma Droptail tidak sebaik RED, karena pada Droptail AER/NCA dan TCP mengalami loss rate yang berbeda. Algoritma droptail berbasis pada mekanisme First In First Out (FIFO), yang akan membuang paket ketika queue penuh. Pembuangan paket akan lebih mungkin terjadi disbanding dengan RED. RED menghalangi pembuangan paket sebelum queue menjadi penuh. Hasil eksperimen memperlihatkan AER/NCA akan mencapai kiner fairness yang lebih baik ketika dikomplemen dengan algoritma queue RED. Indeks fairness meperlihatkan bahwa AER/NCA fair terhadap TCP.
Gambar 5. Topologi untuk fairness antar-protokol ALMA Untuk fairness antar protokol pada eksperimen pada Gambar 5 kita gunakan parameter simulasi yang dapat dilihat pada Tabel 4. Tabel 4. Parameter Simulasi untuk Gambar 5 Parameter simulasi Sources Sources – Router 1 link Router 1 – Router 2 link Router 2 – Receivers link All routers maximum buffer size (droptail queueing) Simulation time ALMA packet size ALMA Source rate Layer
3.3.1 Topologi Simulasi dan Parameter Topologi eksperimen dapat dilihat pada Gambar 5 yang dipakai pada eksperimen ini untuk melihat indeks fairness dari ALMA terhadap TCP. Mula-mula digunakan 1 sesi ALMA dan 1 TCP flow (K1), kemudian dipakai 2 sesi multicast dan 2 aliran TCP (K2). Tujuan dari eksperimen ini adalah mendapatkan indeks fairness dan mengevaluasi efek dari beberapa flow.
100 seconds 500 bytes 2 Mbps 17
3.3.2 Hasil dan Evaluasi Tabel 5 memperlihatkan indeks fairness ALMA dan TCP dengan algoritma manajemen queue Droptail. Jika semua sesi memiliki throughput yang sama, indeks fairness adalah 1 [17]. Hasil eksperimen memperlihatkan bahwa aliran TCP selalu memiliki bandwidth yang lebih banyak dibandingkan dengan ALMA. Hal ini karena mekanisme kontrol kongesti ALMA berdasarkan pada fungsionalitas pricing berbasis Jaringan Aktif. Tabel 5. Indeks Fairness index untuk Router dengan algoritma manajemen queue Droptail Delay Link Sisi Penerima
3.3 Indeks Fairness ALMA Tujuan eksperimen ini adalah mengevaluasi indeks fairness dari ALMA dalam hubungannya dengan penggunaan manajemen queue Droptail pada router antara. Pada eksperimen ini digunakan delay yang berbeda dan mekanisme queue Droptail. Throughput rata-rata dipakai untuk menghitung indeks fairness Jain.
Nilai 1 Multicast session and 1 TCP flow 10 Mbps, 10 ms delay 1.5 Mbps, 10 ms delay 10 Mbps, x ms delay (x=20, 40, 60, 80, 100) 30 packets
Droptail (K1=Multicast & 1TCP flow) Droptail (K2= Multicast & 2 TCP flow)
20 ms 0.57
40 ms 0.58
60 ms 0.6
80 ms 0.63
100 ms 0.65
0.66
0.66
0.65
0.64
0.63
Kinerja indeks fairness dari jaringan denan manajemen queue Droptail dan 2 sesi multicast dan 2aliran TCP (K2) sedikit lebih tinggi dibanding topologi dengan 1 sesi multicast dan 1 aliran TCP. Hal ini dapat dilihat dari hasil eksperimen dengan memberikan variasi round trip time, dimana indeks fairness dari eksperimen dengan 2 sisi multicast dan aliran TCP (K2) adalah sekitar 0.65, sedangkan untuk eksperimen dengan K2 (1 sesi multicast dan 1 aliran TCP) dimana indeks fairness adalah 0.57-0.65. Secara umum indeks fairness dari protokol ini adalah rendah.
4. Kesimpulan Evaluasi fairness dari protokol yang dilakukan penting dalam mengevaluasi protokol kontrol kongesti berbasis jaringan aktif multicast single rate, AER/NCA dan ALMA. Hasil simulasi memperlihatkan bahwa AER/NCA adil terhadap TCP. Kapsul aktif berbasis aktif network telah digunakan untuk melakukan mekanisme multicast yang meliputi kontrol kongesti dan perbaikan error lokal. Algoritma AER/NCA memastikan bahwa sesi multicast adil terhadap flow yang berkompetisi dengannya. dan AER/NCA fair terhadap TCP. Untuk protokol multicast ALMA, terlihat bahwa pada saat berbagi link dengan aliran TCP, sesi ALMA relatif stabil. Aliran TCP berosilasi lebih banyak pada saat berbagi link dengan sesi ALMA. ALMA memiliki perilaku yang tidak terlalu bersahabat dengan TCP, yang memperlihatkan bahwa TCP friendliness bukan isu utama yang diakomodasi ALMA. Indes fairness sesi ALMA rendah. Adaptasi layered multicast pada bandwidth yang tersedia menggunakan jaringan aktif adalah tujuan utama dari protokol ALMA. Berbagai pengembangan penelitian dibidang protokol kontrol kemacetan berbasis paradigma jaringan aktif dapat dilakukan. Hal ini dapat menjadi dasar bagi pengembangan jaringan Internet kedepan dimana komputasi otonom (autonomous computing) diharapkan dapat dilakukan berbagai node dalam jaringan, menuju sistem yang lebih cerdas dan efisien. REFERENSI E. Altman, C. Barakat, E. Laborde, P. Brown, and D. Collange. Fairness Analysis of TCP/IP. In Proceedings of 39th IEEE Conference on Decision and Control, Pages 61-66, Sydney, Audtralia, 12-15 December 2000. [2] A. Azcorra, M. Calderon, M.Sedano, and J. Moreno. Multicast Congestion Control fopr Active Network Services. European Transaction on Telecommunications, 10(3), May/ June 1999. [3] B. Bai, J. Harms, and Y. Li. Active Hierarchical Congestion Control for Large-scale Multicast. In M. Obaidat, F. Davoli, I. Onyuksel, and R. Bola, Editors, Proceedings of International Symposium on Performance Evaluation of Computer and Telecommunication Systems 2002 (SPECTS2002), pages 251-262, San Diego, USA, 14-18 July 2002. SCS. [4] K. Calvert. Architectural Framework for Active Networks Version 0.9. Technical report, Active Network Working Group, DARPA, August 1998. [5] S. Floyd and K. Fall. Promoting the Use of End-to-End Congestion Control in the Internet. IEEE/ACM Transaction on Networking, 7(4):458-472, August 1999. [6] R. Jain. Congestion Control in Computer Networks: Issues and Trends. IEEE Network, 4(3), May 1990. [7] R. Jain, A. Duressi, and G. Babic. Throughput Fairness Index: an Explanation. Technical report, ATM Forum, 1999. [8] S. Kasera, S. Bhattacharyya, M. Keaton, D. Kiwior, J. Kurose, and D. Towsley. Scalable Fair Reliable Multicast Using Active Services. IEEE Network – Special issue on Multicast, 14(1):48-57, January 2000. PANAMA Project Project Software available at http://www.tascnets.com.panama. [9] D. Kiwior and S. Zabele. Active Resource Allocation in Active Network. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 19(3):452-258, March 2001. [10] A. Legout and E. W. Biersack. PLM: Fast Convergence for Cumulative Layered Multicast Transmission Schemes. In Proceedings
[11] [12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[1]
[20]
[21]
[22]
[23] [24]
[25]
[26]
[27]
of the ACM SIGMETRICS 2000, pages 13-22, Santa Clara, California, USA, June 2000. H. Low, F. Paganini, and J. C Doyle. Internet Congestion Congrol. IEEE Control Systems Magazine, 22(1):28-43, February 2002. M. Maimour and C. Pham. Dynamic Replier Active Reliable Multicast (DyRAM). In Proceedings of Symposium on Computer and Communications (ISCC 2002), pages 275-282, Taormina, Italy, 2002. IEEE. S. McCanne, V. Jacobson, and M. Vetterli. Receiver-driven Layered Multicast. In Proceedings of Symposium on Communications Architectures and Protocols (SIGCOMM’96), pages 1-14, Palo Alto, California, August 1996. J. Padhyre, V. Firoiu, D. Towsley, and J. Kurose. Modeling TCP Throughput: A Simple Model and its Empirical Validation. In Proceedings of ACM Symposium on Communications and Architectures and Protocols (SIGCOMM 1998), September 1998. Vancouver, Canada. L. Rizzo. PGMCC: A TCP-friendly Single Rate Multicast Congestion Control Scheme. In Proceedings of ACM Symposium on Communicatins Architectures and Protocols (SIGCOMM 2000), ACM Computer Communication Review, pages 17-28, October 2000. Sweden. D. Rubenstein, J. Kurose, and D. Towsley. The Impact of Multicast Layering on Network Fairness. IEEE/ACM Computer Communication Review, pages17-28, October 2000. Sweden. K. Seada and A. Helmy. Fairness Analysis of Multicast Congestion Control: A Case Study on PGMCC. In Proceedings of Globecom (Global Communications Conference 2002), volume 3, pages 26142618, 17-12 November 2002. D. Tennenhouse and D. Wetherall. Towards an Active Network Architecture. Computer Communication Review, 26(2):1-14, April 1996. C. Tschudin. Open Resource Allocation for Mobile Code. In Proceedings of the Mobile Agent’9 Workshop, pages 1-6, Berlin, Germany, April 1997. L. Vicisano, L. Rizzo, and J. Crowcroft. TCP-like Congestion Control for Layered Multicast Data Transfer. In Proceedings of the Conference on Computer Communications (IEEE Infocom ’98), pages 1-8, San Fransisco, USA, March 1998. D. Wetheral. Active Network Transfer Service, 1997 11/2/97, ver/1/2. Software and Documentation available at http://www.sds.lcs.mit.edu/activeware/ants. D. Wetherall. Active Network Vision and Reality: Lesson from a Capsule-based System. In Proceedings of the 17th ACM Symposium on Operating Systems Principles (SOSP’99), Santa Clara, USA, pages 64-79, December 1999. J. Widmer, R. Denda, and M. Mauve. A Survey of TCP-Friendly Congestion Control. IEEE Network, 15(3):28-37, May/June 2001. J. Widmer and M. Handley. Extending Equation-based Congestion Control to Multicast Applications. In Proceedings of ACM Symposium on Communications Architectures and Protocols (SIGCOMM 2001), pages 275-286, San Diego, USA, 27-31 August 2001. L. Yamamoto and G. Leduc. Adaptive Applications over Active Networks: Case Study on Layered Multicast. In Proceedings of 1st European Conference on Universal Multiservice Network (ECUMN 2000), Editor P. Lorenz, Colmar, France, pages 386-394, October 2000. L. Yamamoto and G. Leduc. An Active Layered Multicast Adaptation Protocol. In Yasuda, editor. Proceedings of International Working Conference on Active Networks (IWAN) 2000, LCNS 1942, pages 180194,Tokyo, October 2000. Springer Verlag. L. Yamamoto and G. Leduc. An Agent-Inspired Active Network Resource Trading Model Applied to Congestion Control. In Proceedings of Mobile Agents for Telecommunications Applications (MATA 2000) Conference, LNCS 1931, Paris, France, July 2000, pages 151-169, Springer Verlag.
