A slide about Network coding.

1. Introduzione
Network Information Flow
Network Coding
Alain Bindele
Corso di Reti Avanzate 2012/2013
14 giugno 2013
Alain Bindele Network Information Flow

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. 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. 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. 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. Introduzione
Il protocollo COPE: L’importanza di essere opportunisti...(in senso
buono)
Alain Bindele Network Information Flow

7. Introduzione
Il protocollo COPE:
Ascolto Opportunistico
Coding Opportunistico
Pseudo-Broadast
Riscontri Asincroni
Reception Reports
Alain Bindele Network Information Flow

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. Introduzione
Idea!! Perch´e allora non utilizzare i protocolli broadcast??
Quasi...
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10. Introduzione
Soluzione Pseudo-Broadcast
ossia: come implementare un meccanismo broadcast su flussi
unicast.
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11. Introduzione
Codifica dei pacchetti: Obiettivi
Nessun Ritardo!
Pacchetti Omogenei
Differenti Destinazioni
Massima probabilit´a di ricezione
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12. Introduzione
Decodifica dei pacchetti
Niente di pi´u semplice:Una hashlist ed uno Xor.
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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
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14. Introduzione
Struttura dell’header COPE
Figura: Struttura dell’ Header del protocollo COPE.
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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.
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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).
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17. Introduzione
Prestazioni del protocollo COPE: altre considerazioni
Effetto Cattura
Hidden Terminal
Confronto fra le prestazioni teoriche e pratiche
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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
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19. Introduzione
Interazione tra MAC e COPE (Topologia a stella)
A
B
C
D
r
Figura: Esempio di topologia a stella
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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
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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
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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.
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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
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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
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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.
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26. Introduzione
Confronto tra le euristiche:
a) b)
c) d)
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27. Introduzione
Confronto tra le euristiche (2):
e)
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