Assignment 2

Please carefully read this whole document before ge迁ing started on this assignment.

Overview

The overall goal of this assignment is to implement and evaluate different protocols for achieving end-to-end reliable data transfer at the application layer over the unreliable datagram protocol (UDP) transport protocol. In particular, you are asked to implement three different sliding window protocols – Stop-and-Wait, Go Back N and Selective Repeat – at the application layer using UDP sockets in Python. Note that the stop-and-wait protocol can be viewed as a special kind of sliding window protocol in which sender and receiver window sizes are both equal to 1. For each of these three sliding window protocols, you will need to implement the two protocol endpoints referred henceforth as  sender and receiver respectively; these endpoints also act as application programs. Data communication is unidirectional, requiring transfer of a large file from the sender to the  receiver  over  a  link  as  a  sequence  of  smaller  messages.  The underlying link is assumed to be symmetric in terms of bandwidth and delay characteristics.

To  test  your  protocol  implementations  and  study their performance in a controlled environment, you will need to use your COMN coursework virtual machine (VM) [1]. Specifically, the sender and receiver processes for each of the three protocols will run within the same VM and communicate with each other over a link emulated using Linux Traffic Control (TC) [2]. For this assignment, you only need the basic functionality of TC to emulate a link with desired characteristics in terms of bandwidth, delay and packet loss rate.

Since  the  coursework  VM  does  not include a graphical text editor, we suggest you develop your protocol implementations outside of it in the directory/folder containing the  ‘Vagrantfile’ .  These  files  would  appear under “/vagrant” within your VM, from where you can compile and run them.

Link Emulation using TC

Within your COMN coursework VM, you can configure and use the TC utility to realize an emulated link between two communicating processes (e.g., your sender and receiver programs).  TC  is  a  very  useful  tool  that  allows you to configure the kernel packet scheduler  to  emulate  packet  delay  and  loss,  and  limit bandwidth  for UDP or TCP applications. Because sender and receiver processes for this assignment are going to be within the same VM, they would communicate with each other through the loopback interface (lo).

The following outlines how the sender⇔receiver link via lo can be configured using TC to emulate different link conditions. For example, the following tc command adds a rule to the loopback interface scheduler to realize a link with 10ms one-way propagation delay   (equivalently,   20ms   round-trip   propagation   delay   given   our   symmetric   link assumption), 0.5% packet loss rate and 5 Mbit/s bandwidth limit in each direction:

% sudo tc qdisc add dev lo root netem loss 0.5% delay 10ms rate 5mbit You can verify the effect of the above rule by running the following command:                 % ping 127.0.0.1

You  will  find  that  ping reports  an  average  RTT  of 20ms and a packet loss that is approximately 1%.

Note  that  using  the loopback interface and configuring it with  tc as above allows emulation of a symmetric link between sender and receiver. A packet sent from sender to receiver goes through the loopback interface once; and one more time for the return (receiver  to  sender)  communication,  essentially  resulting  in  round-trip  propagation delay  and  total  packet  loss  rate  that  are double that of the se计ings used in the  tc command for configuring these two parameters (as shown in the example above).

You can use the following command to flush all previous configuration rules: % sudo tc qdisc del dev lo root

We assume that packets are not corrupted in transit (i.e., no bit errors). So there is no need to implement error detection functionality such as checksum at the endpoints.

Whole packets, however, can be lost over the emulated link over the loopback interface, as determined by the packet loss rate se迁ing when configuring it with the tc command. For more information on TC, please refer to [2].

Besides TC, the coursework VM comes with other networking utilities that you may find useful while working on this assignment. These include:

●   tcpdump

●   iperf

●   netcat

Note that these tools are explicitly mentioned so that you know they are available to use. The tcpdump tool is very useful to verify the correctness of the implemented protocols, whereas you’ll need iperf for part 4 of this assignment.

Note that each part of this assignment specification (detailed below) states the TC configuration parameters to be used. It is important to set the parameters as specified in order to correctly  do this assignment. Also note that TC delay and loss rate configuration se迁ings are only approximately realized and as such results may vary. So we encourage students to repeat each experiment multiple times and use the average result.

Detailed Assignment Specification

This assignment is divided into four  parts. These parts are related but distinct as detailed below.

Part 1: Basic framework (largefile transmission under ideal conditions)

Implement sender and receiver endpoints for transferring a large file given at [3] from the sender to the receiver on localhost over UDP as a sequence of small messages with 1KB maximum payload (NB. 1KB = 1024 bytes) via the loopback interface, configured with 10Mbps bandwidth, 5ms one-way propagation delay and 0% packet loss rate (i.e., no packet loss). In this configuration, the total round-trip propagation delay is 10ms.

Each data message from sender to receiver would have to be 1027 bytes long – 3 bytes for the “header” and 1024 bytes of data. The header in turn consists of 2 bytes of sequence number (for duplicate detection at the receiver) and 1 byte end-of-file (EoF) flag to indicate the last message. Note that the header must be at the beginning of each packet.

Name the sender and receiver developed in this part, respectively, as Sender1.py and Receiver1.py. The receiver should store the transmi计ed data (after removing header from packet) into a local file.

●   Sender program must be named as specified above and must accept the following options from the command line:

python3 Sender1.py <RemoteHost> <Port> <Filename>

<RemoteHost> is the IP address or host name for the corresponding receiver. Note that if both sender and receiver run on the same machine, <RemoteHost> can be

specified as either 127.0.0.1 or localhost.

<Port> is the port number used by the receiver.

<Filename> is the file to transfer.

For example: python3 Sender1.py localhost 54321 sfile

●   Receiver program must be named as specified above and must accept the following options from the command line:

python3 Receiver1.py <Port> <Filename>

<Port> is the port number which the receiver will use for receiving messages from the sender.

<Filename> is the name to use for the received file to save on the local disk. For example: python3 Receiver1.py 54321 rfile

●   Expected  output:  A  successfully  transferred  file  to  the  receiver; both  sent  and received  files  must be  identical  at a binary level when checked using the diff command.

Part 2: Stop-and-Wait

Extend  sender  and  receiver  applications  from  Part  1  to  implement  a  stop-and-wait protocol described in section 3.4.1 in  [4], specifically rdt3.0. [Hint: You need two finite state machines (FSMs) -- one for rdt3.0 sender and the other for rdt3.0 receiver. While the sender FSM is presented in [4], there is no rdt3.0 receiver FSM. The rdt3.0 receiver FSM is the rdt2.2 receiver FSM in [4]. Convince yourself why the rdt2.2 receiver FSM is sufficient before you begin to implement the rdt3.0 protocol.] Call the resulting two applications Sender2.py and Receiver2.py, respectively. This part requires you to define an acknowledgement (ACK) message  that  the  receiver  will  use to inform the sender about the receipt of a data message. Discarding duplicates at the receiver end using sequence numbers put in by the sender is also required. You can test the working of duplicate detection functionality in your implementation by using a small retransmission timeout on the sender side. ACK messages have to be 2 bytes each to hold the sequence number.

●   Sender program must be named as specified above and must accept the following options from the command line:

python3 Sender2.py <RemoteHost> <Port> <Filename> <RetryTimeout>            <RemoteHost> is the IP address or host name for the corresponding receiver. Note that if both sender and receiver run on the same machine, <RemoteHost> can be specified as either 127.0.0.1 or localhost.

<Port> is the port number used by the receiver.

<Filename> is the file to transfer.

<RetryTimeout> should  be  a  positive  integer,  representing  retransmission timeout se迁ing in milliseconds.

For example: python3 Sender2.py localhost 54321 sfile 10

●   Receiver program must be named as specified above and must accept the following options from the command line:

python3 Receiver2.py <Port> <Filename>

<Port> is the port number which the receiver will use for receiving messages from the sender.

<Filename> is the name to use for the received file to save on the local disk. For example: python3 Receiver2.py 54321 rfile

●   Expected output: (1) A successfully transferred file to the receiver. Note that both sent and received files must be identical at a binary level; and (2) the sender must output the number of retransmissions and throughput (in Kbytes/second) only in a single  line;  no  other  terminal  output should be displayed; the following output implies  that  the  number  of  retransmissions  is  10  and  the  throughput  is  200 Kbytes/second:

10 200

Using a 5% packet loss rate while leaving the rest of TC configuration parameters as before (i.e., 10Mbps bandwidth and 5ms one-way propagation delay), experiment with different    retransmission    timeouts    to    measure    the    corresponding   number   of retransmissions  and  throughput.  Tabulate  your  observations  in  the  space  provided under Question 1 in the results sheet [5]. For this, your sender implementation should count the number of retransmissions and measure average throughput (in KB/s), which is defined as the ratio of file size (in KB) to the transfer time (in seconds). Transfer time in turn can be measured at the sender as the interval between first message transmission time and acknowledgement receipt time for last message. Before the sender application finishes and quits, print the average throughput value to the standard output.

Then  for  Question  2  in  the  results  sheet  [5],  discuss  the  impact of retransmission timeout on the number of retransmissions and throughput. Also indicate the optimal timeout  value  from  a  communication  efficiency  viewpoint  (i.e.,  the  timeout  that minimizes the number of retransmissions while ensuring a high throughput). Please clearly explain your observations.

Part 3: Go-Back-N

Extend Sender2.py and Receiver2.py from Part 2 to implement the Go-Back-N protocol as described in section 3.4.3 of [4], by allowing the sender window size to be greater than 1. Name the sender and receiver implementations from this part, respectively, as Sender3.py and Receiver3.py.

●   Sender program must be named as specified above and must accept the following options from the command line:

python3   Sender3.py   <RemoteHost>   <Port>   <Filename>   <RetryTimeout>

<WindowSize>

<RemoteHost> is the IP address or host name for the corresponding receiver. Note that if both sender and receiver run on the same machine, <RemoteHost> can be

specified as either 127.0.0.1 or localhost.

<Port> is the port number used by the receiver.

<Filename> is the file to transfer.

<RetryTimeout> should  be  a  positive  integer,  representing  retransmission timeout in milliseconds.

<WindowSize> should be a positive integer.

For example: python3 Sender3.py localhost 54321 sfile 10 5

●   Receiver program must be named as specified above and must accept the following options from the command line:

python3 Receiver3.py <Port> <Filename>

<Port> is the port number which the receiver will use for receiving messages from the sender.

<Filename> is the name to use for the received file to save on the local disk. For example: python3 Receiver3.py 54321 rfile

●   Expected output: (1) A successfully transferred file to the receiver. Note that both sent and received files must be identical at a binary level; and (2) the sender must output  throughput  (in  Kbytes/second)  only  in  a  single  line.  No  other  terminal output  should be  displayed. For example, the following output implies that the throughput is 200 Kbytes/second:

200

Experiment  with  different  window  sizes  at  the  sender  (increasing  in  powers  of  2 starting  from  1)  and  different  one-way  propagation  delay  values  (5ms,  25ms  and 100ms).  For  the  5ms  case,  use  the  “optimal”  value  for  the  retransmission  timeout identified from part 2. The timeout values for the other two cases should be justified clearly.  Across  all  these  experiments,  use  the  following  values  for  the  other  TC parameters: 10Mbps bandwidth and 5% packet loss rate in each direction. Tabulate your results under Question 3 and answer Question 4 in the results sheet [5].

Part 4: Selective Repeat

Extend  Sender3.py  and  Receiver3.py  to  implement  the  selective  repeat  protocol  as described  in  section  3.4.4 of  [4]. Call the resulting two applications, respectively, as Sender4.py and Receiver4.py.

●   Sender program must be named as specified above and must accept the following options from the command line:

python3   Sender4.py   <RemoteHost>   <Port>   <Filename>   <RetryTimeout>

<WindowSize>

<RemoteHost> is the IP address or host name for the corresponding receiver. Note that if both sender and receiver run on the same machine, <RemoteHost> can be

specified as either 127.0.0.1 or localhost.

<Port> is the port number used by the receiver.

<Filename> is the file to transfer.

<RetryTimeout> should be a positive integer, representing the retransmission timeout in the milliseconds.

<WindowSize> should be a positive integer.

For example: python3 Sender4.py localhost 54321 sfile 10 5

●   Receiver program must be named as specified above and must accept the following options from the command line:

python3 Receiver4.py <Port> <Filename> <WindowSize>

<Port> is the port number which the receiver will use for receiving messages from the sender.

<Filename> is  the  name  to  use  for  the received file to save on the local disk. <WindowSize> should be a positive integer.

For example: python3 Receiver4.py 54321 rfile 10

●   Expected output: (1) A successfully transferred file to the receiver. Note that both sent and received files must be identical at a binary level; and (2) The sender must output  throughput  (in  Kbytes/second)  only  in  a  single  line.  No  other  terminal output should be displayed. The following output implies that the throughput is

200 Kbytes/second: 200

By configuring the TC link with 10Mbps bandwidth, 25ms one-way propagation delay and 5% packet loss rate, experiment with different window size values and complete the table under Question 5 and answer Question 6 in [5].

As another step in this part, also carry out an equivalent experiment using iperf with TCP  within  your  COMN  coursework  VM,  i.e., both  iperf client  and server running inside it. Use –M option in iperfto set the maximum segment size to 1KB and vary the TCP  window  sizes  using  the  –w  option. Note that iperf actually allocates twice the specified value, and uses the additional buffer for administrative purposes and internal kernel structures. But this is normal because effectively TCP uses the value specified as the window size for the session, which is the parameter to be varied in this experiment. You also need to specify the file to be transferred (i.e., the one given at [3]) as one of the parameters to iperf on the client side (-F option). In addition, you should use the –t option as well. Use the results of this experiment to complete the table under Question 7 and answer Question 8 in [5].

Implementation Guidelines

Your programs must adhere to the following standard with both sender and receiver application programs to be run inside the COMN coursework VM.

●   Note that this assignment will be marked using a fresh installation of COMN coursework VM  [1]. This means that any extra package that you install within your VM and use in your code will produce an exception during marking, and in turn would negatively affect your mark. So, please do not install any additional Python package or library.

●   Please  make  sure  to  test  your  code before submi迁ing to avoid issues during marking.

●   You need to take appropriate measures for terminating your sender applications by considering cases where the receiver finishes while the sender keeps waiting for acknowledgements.

●   You can choose to have common files with functions used in different parts but you  are  required  to  submit  such  common  files  along  with  the  necessary documentation.

●   Please use comments in your code!

●   Please start each source file with the following comment line: # Forename Surname MatriculationNumber

For example: # John Doe 1234567

●   As a general guideline, clearly explain any observations related to the results.