Table Of ContentAdvanced Transport Protocols
Advanced Transport
Protocols
Designing the Next Generation
Ernesto Exposito
Firstpublished2013inGreatBritainandtheUnitedStatesbyISTELtdandJohnWiley&Sons,Inc.
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LibraryofCongressControlNumber: 2012951239
BritishLibraryCataloguing-in-PublicationData
ACIPrecordforthisbookisavailablefromtheBritishLibrary
ISBN:978-1-84821-374-6
PrintedandboundinGreatBritainbyCPIGroup(UK)Ltd.,Croydon,SurreyCR04YY
Table of Contents
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
Chapter1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.Evolutionofapplicationandnetworklayers . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2.Summaryofcontributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3.Bookstructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Chapter2.TransportProtocolsStateoftheArt . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.Transportlayerreferencemodels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.1.OSImodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.2.TCP/IPmodel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.3.Transportlayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.4.Transportservices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.Transportfunctionsandmechanisms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.1.Errorcontrol. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.2.Congestioncontrol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.3.Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4.IETFtransportprotocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4.1.TCP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4.2.UDP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4.3.SCTP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4.4.DCCP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4.5.MPTCP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.5.Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
vi AdvancedTransportProtocols
Chapter3.SemanticModelingofTransportProtocolsandServices . . . . 25
3.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2.Modelandsemantic-drivenarchitecture. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2.1.Model-drivenarchitecture. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2.2.Ontology-drivenarchitecture. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.3.DesignofaQoSontologyframework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3.1.QualityofServicedefinition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3.2.ITU-TX.641framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3.3.Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3.4.Serviceuser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3.5.Serviceprovider. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3.6.QoScharacteristic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3.7.QoSrequirement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3.8.QoSparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3.9.QoSfunction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3.10.QoSmechanism. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.4.DesignofaQoStransportontologyforthenextgeneration
transportlayer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.4.1.Ontologyrepresentation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.4.2.X.641QoSontology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.4.3.QoStransportrequirements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.4.4.QoStransportmechanisms,functionsandprotocols . . . . . . . . . 33
3.5.QoStransportontologyspecification. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.5.1.TCPsemanticdescription. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.5.2.UDPsemanticdescription. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.5.3.SCTPsemanticdescription . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.5.4.DCCPsemanticdescription. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.5.5.MPTCPsemanticdescription. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.6.UsageoftheQoStransportontologyspecification . . . . . . . . . . . . 41
3.6.1.QoStransportservicescharacterization. . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.6.2.Transportcomponentsandtransportcomposite
characterization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.7.Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Chapter4.Model-DrivenDesignMethodologyofTransport
MechanismsandFunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2.Softwareengineeringprocess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2.1.UnifiedModelingLanguage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.2.2.UML2.4.1-basedmethodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.2.3.UMLdiagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2.4.Summaryandadditionalresources. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
TableofContents vii
4.3.ApplyingtheUML-basedsoftwareengineeringmethodology
fortransportservices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.3.1.Contextualmodeloftransportfunctionsandmechanisms. . . . . . 68
4.3.2.Analysisofrequirementsguidingtransportfunctions . . . . . . . . 69
4.3.4.Designoftransportfunctionsandmechanisms . . . . . . . . . . . . 71
4.4.Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Chapter5.Model-DrivenSpecificationandValidation
ofErrorControlTransportMechanismsandFunctions. . . . . . . . . . . . 79
5.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.2.Designofanerrorcontrolfunction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.2.1.Behaviorspecificationofthesendingsideprotocolentity. . . . . . 81
5.2.2.Behaviorspecificationofthereceivingsideprotocolentity. . . . . 83
5.3.Functionalvalidationoftheerrorcontrolfunction. . . . . . . . . . . . . 84
5.3.1.Functionalvalidationusingaperfectmedium. . . . . . . . . . . . . 86
5.3.2.Functionalvalidationusinganimperfectmedium. . . . . . . . . . . 88
5.4.Anewdesignoftheerrorcontrolfunction . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.4.1.Functionalvalidationusinganimperfectmedium. . . . . . . . . . . 96
5.4.2.Moreopenquestions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.5.Amodel-drivensimulationenvironment . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.5.1.Model-drivensimulationframework . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.5.2.Model-drivennetworksimulatorpackage . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.5.3.Lossymediumsimulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.5.4.Delayedmediumsimulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.5.5.Bandwidth-limitedmediumsimulator. . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.6.Chaptersummary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.7.Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Chapter6.Model-DrivenSpecificationandValidationofCongestion
ControlTransportMechanismsandFunctions. . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.2.Designofacongestioncontrolfunction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.2.1.Behaviorspecificationofthesendingandreceivingside
protocolentities. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.2.2.TheTCP-friendlyratecontrol(TFRC)specification . . . . . . . . . 114
6.2.3.DetailedTFRCdesign. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.3.Functionalvalidationofthecongestioncontrolfunction . . . . . . . . . 119
6.3.1.Casestudy1:continuousstreamofmessages
(notimeconstraints). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.3.2.Casestudy2:GSMaudiostream. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.3.3.Casestudy3:MJPEGvideostream . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
viii AdvancedTransportProtocols
6.4.Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.5.Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Chapter7.SpecificationandValidationofQoS-OrientedTransport
MechanismsandFunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
7.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
7.2.ContextualmodelofaQoS-orientedtransportfunctions . . . . . . . . . 130
7.3.ContextualmodelofaQoS-orientederrorcontrolfunctions. . . . . . . 131
7.3.1.Partiallyordered/partiallyreliabletransportservices. . . . . . . . . 133
7.4.ContextualmodelofaQoS-orientedcongestioncontrolfunctions . . . 138
7.4.1.QoS-awareTFRCcongestioncontrol. . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
7.5.DesignoftheQoS-orientederrorcontrolfunctions . . . . . . . . . . . . 142
7.5.1.BasisofafullyreliableSACK-basedfunction. . . . . . . . . . . . . 143
7.5.2.DesignofapartiallyreliableSACK-basedfunction . . . . . . . . . 144
7.5.3.Designofapartiallyreliablefunction. . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
7.5.4.Designofadifferentiatedandpartiallyreliablefunction. . . . . . . 147
7.5.5.Designofatime-constrained,differentiatedandpartially
reliablefunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
7.6.DesignoftheQoS-orientedcongestioncontrolfunction . . . . . . . . . 148
7.6.1.BasisofaTCP-friendlyratecontrolfunction . . . . . . . . . . . . . 149
7.6.2.Designofatime-constrainedanddifferentiatedcongestion
controlfunction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
7.7.Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
Chapter8.ArchitecturalFrameworksforaQoS-Oriented
TransportProtocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
8.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
8.2.Communicationarchitecturerequirements . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
8.3.Architecturalframeworksforcommunicationprotocols . . . . . . . . . 160
8.3.1.QoS-orientedarchitecture. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
8.3.2.Architecturalframeworksforcommunicationprotocols. . . . . . . 161
8.4.DesignofacompositeandQoS-orientedtransportprotocol. . . . . . . 164
8.4.1.Designofthefullyprogrammabletransportprotocol. . . . . . . . . 164
8.5.EvaluationoftheFPTPtransportprotocol . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
8.5.1.FPTPTD-TFRCmechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
8.5.2.FPTPD-PRandTD-PRmechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
8.5.3.FPTPTD-TFRCmechanisms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
8.5.4.Analysisofresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
8.6.Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
8.7.Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
TableofContents ix
Chapter9.Service-OrientedandComponent-Based
TransportProtocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
9.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
9.2.State-of-the-artonmodernsoftwarearchitecturalframeworks . . . . . 188
9.2.1.Service-orientedarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
9.2.2.Component-baseddesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
9.2.3.Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
9.3.Designguidelinesofacomponent-basedandservice-oriented
architectureforthenextgenerationtransportlayer . . . . . . . . . . . . . . . 193
9.3.1.Service-orientedarchitecturetransportlayer(SOATL) . . . . . . . 193
9.3.2.Service-componentarchitecturefortransport
protocols(SCATP). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
9.3.3.Semanticmodelguidingtheselectionandcomposition
oftransportservices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
9.4.FPTPsemanticdescription. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
9.4.1.FPTPindividual. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
9.4.2.Servicecharacterizationinferencesbasedon
componentsaxioms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
9.5.Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
9.6.Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
Chapter10.AdaptiveTransportProtocol. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
10.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
10.2.Theenhancedtransportprotocol. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
10.2.1.Adaptivecompositecommunicationarchitecture . . . . . . . . . . 203
10.2.2.Behavioraladaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
10.2.3.Structuraladaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
10.3.Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
Chapter11.AutonomicTransportProtocol. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
11.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
11.2.Autonomiccomputing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
11.3.Self-managingfunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
11.4.Architecture. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
11.4.1.Autonomicelements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
11.4.2.Autonomicorchestrators. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
11.4.3.Policies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
11.4.4.Knowledgebase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
11.4.5.Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
11.5.Designguidelinesofanautonomiccomputingarchitecture
forthenext-generationtransportlayer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
x AdvancedTransportProtocols
11.5.1.Self-managingfunctionalities. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
11.5.2.Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
11.5.3.Autonomicorchestrators. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
11.5.4.Policyframework. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
11.5.5.Knowledgebase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
11.6.Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
11.7.Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
Perspectives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
Appendix. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
Preface
The large diversity of transport services and the complexity resulting from the
deployment of a particular transport protocol or transport mechanism over the
servicesprovidedbyheterogeneousnetworksrequireanoveldesignofthetransport
layer. The next-generation transport layer should be able to cope with the diversity
and complexity involved in this new family of transport protocols. Moreover,
current and future applications will only be able to take advantage of the most
adaptedandavailabletransportserviceiftheyefficientlyinteractwiththisadvanced
transportlayer(e.g.discovery,composition,deploymentandadaptationservices).
This book illustrates how a model-driven methodology based on the use
of ontology and Unified Modeling Language (UML) models and integrating
component-based, service-oriented and autonomic computing approaches can be
applied in designing the mechanisms, functions, protocols and services of the next-
generationtransportlayer.
The methodology proposed in this book is based on a model-driven approach
characterizedbytheapplicationoftheUMLtospecifythestructureandbehaviorof
transport protocols combined with semantic models based on ontologies in order
to provide a rich and evolving architectural framework aimed at designing and
developingthisadvancedtransportlayer.
The service-oriented architecture approach is applied in designing and
developing this new generation of transport services following a component-based
approach for developing the various mechanisms required to implement basic and
advancedtransportfunctions.
The autonomic computing paradigm has been followed in order to propose an
incrementaldesignoftheadaptationcapabilitiesofthetransportlayer,startingfrom
standard transport functions to advanced self-adaptive functionalities based on the
contextmonitoringandefficientdecisionmodels.
