(A) CLI-based proactive TCP scheme stable under the heavy traffic load in wired/wireless converged networks = 유무선 통합망에서 트래픽 부하에 견고한 혼잡도 기반의 선행적 TCP 혼잡제어방식

국문 초록 (Abstract)

인터넷은 데이터의 전송을 송신자와 수신자간에 안전하게 보낼 수 있도록 보장형 서비스로 개발되는 것이 아니다. 통신망에서 보장할 수 없는 데이터의 전송신뢰성을 단말 종단간에서 전송제어로 확보 할 수 있게 개발되었다. 즉, 통신망에서 혼잡과 에러가 일어나면 데이터의 안전한 전송을 보장하지 못한다. 따라서 통신망에서 혼잡과 손실이 발생해도 잃어버린 데이터를 안전하게 주고받기 위하여 양쪽 단말 종단에서 TCP 전송제어 프로토콜이 동작하는 것이다.
예전의 패킷통신망, 프레임릴레이 통신망과 같은 것에서는 단말에서 발생된 데이터는 통신망에서 어떤 문제가 발생하더라도 이를 안전하게 수신자에게 전송할 수 있는 매커니즘을 가지고 있었다.
그러나 이는 인터넷과 같이 많은 사용자가 동시에 이용하는 통신망에서 대량 트래픽을 처리하기에는 한계가 발생할 수 밖에 없다. 따라서 이를 양쪽 단말에 의존하여 통신망에서 문제가 발생하여 데이터가 손실되더라도 전송제어를 통하여 안전하게 정보를 전달 할 수 있게 한 것이다.
이 역할을 하는 것이 TCP전송제어 프로토콜로서 인터넷 망 서비스에서 프로토콜 계층 중 핵심이다. 이것은 통신망에서 혼잡과 에러가 발생해도 전송제어를 효율적으로 해서 데이터를 최적화해서 보내야 한다. 유선망에 적용할 수 있도록 개발된 TCP혼잡제어 스킴은 그 동안 유무선 통합 망까지 상당한 발전을 이루면서 적용되어 왔다. 그럼에도 불구하고, 무선 망과 유선 망이 통합되면서 유선에서 일어나지 않던 무선망 환경의 문제점들이 발생되었다.
예를 들면, 첫째는 단말이나 서비스의 이동성으로 인한 핸드오프와 블랙아웃 그리고 라우팅 지연이 발생한다. 둘째는 대기환경조건과 빌딩, 아파트 같은 인공적인 구조물로 인하여 무선 전파도달의 다중페이딩 문제와, 하나의 기지국을 여러 단말이 동시 접속하기 위하여 채널경쟁 문제 등이 발생한다.
이는 일찍이 유선에서는 없던 것이고, 유선 망에 기반하여 개발된 기존 TCP혼잡제어 스킴들은 이와 같은 문제점에 직면하면서 무선망 전송에러를 혼잡에러로 착각하여 전송레이트를 줄여 보냄으로써 전송효율이 떨어지게 되었다. 이것을 해결하기 위하여 최근까지 발전해온 모델은 송신자와 수신자의 단 대 단 입장에서 TCP스킴의 동작원리를 위반하지 않고 접근한 방법들이 주류이다. 혼잡에러가 발생하기 전에 가용대역폭을 예측하여 전송률을 결정하고, 그에 맞는 데이터세그먼트를 결정해서 보내는 선행적 혼잡제어 방법들이 가장 최근에 것으로 앞서 있다.
이 논문은 선행 연구들이 사용된RTT ack값에 근거하여 선행적으로 가용 대역폭을 예측하고 혼잡제어 하는 모델을 면밀히 분석한 결과 구현의 어려움, 가용대역폭 예측의 정확도와 측정값 불규칙변화 그리고 Goodput 측면에서 문제가 있음을 알았다. 따라서 기존 선행적 TCP혼잡제어 방안은 통신망에서 혼잡손실과 전송에러 빈도 그리고 양에 따라 적절하게 대응하지 못했다.
송신경로와 수신경로가 동일한 상황을 가정하여 RTT ack값으로 가용 대역폭을 선행적으로 예측한다. 이것은 수신경로에서 ack 패턴(압축, 중복, 손실, 지연)에 의하여 발생하는 수신통로의 단 방향 지연문제를 해결하지 못한다. 이를 해결하기 위하여 TCP westwood같은 일부의 최근 선행적 스킴은 ack 측정 값에 필터 개념을 적용하여 불규칙하게 변화하는 값을 적절하게 만들었지만 구현 알고리즘이 복잡하다.
또한, 대부분의 최근 선행적 혼잡제어 스킴들도 두개의 변수 즉, 혼잡제어윈도우 크기(cwnd)와 느린시작 윈도우한계값(ssthresh)을 사용하여 TCP 세그먼트 의 입력 레이트 결정하여 가용대역폭을 조절했다. 이 두 변수의 관계에 따라 슬로우스타트 단계와 혼잡회피 단계로 구분하여 혼잡제어를 한다. 슬로우스타트 단계에서는 혼잡이 일어나기까지 지수적으로 증가시켜 최단기간에 가용대역폭에 도달 할 수 있도록 데이터를 전송하고, 혼잡제어윈도우 크기 값과 시작윈도우 값이 같으면 혼잡회피를 위하여 점진적으로 데이터를 증가시켜 전송한다.
이것이 점진적 증가/배수적 감소 매커니즘이다. 이 단계과정을 없애고 혼잡도에 따라 동적으로 혼잡윈도우 크기와 느린시작윈도우한계값을 결정하여 혼잡제어하는 매커니즘을 제시했다. 즉, 동적증가/동적감소 매커니즘이다. 따라서 혼잡상태에 따라 매커니즘이 동작하기 때문에 슬로우스타드 단계와 혼잡회피단계가 무의미하며 안정상태나 ack 증상, 예를 들어 압축, 손실, 중복이 발생하여도 동일하게 동작하는 매커니즘 이다.
본 논문에서는 이를 구현하기 위하여 혼잡도 기반의 TCP혼잡제어 스킴을 제안했다. 이 방안은 구현이 쉽도록 인터넷 표준인 RFC1323에서 권고하는 타임스탬프 넣어 Ack 값 기반으로 네트워크 혼잡도를 정확히 파악할 수 있게 했다. RTT ack값에 시간기록(Timestamp)을 넣어 혼잡도를 파악하는 모델을 고안함으로써 유무선 통합망에서 가용대역폭 예측이 기존 스킴보다 정교하게 TCP혼잡제어를 할 수 있게 되었다.
현재의 RTT값에 따라 혼잡도가 결정되고 이 혼잡도에 따라 가용대역폭 예측을 하여 전송 세그먼트 레이트를 결정한다. 가용대역폭 예측 정확도가 개선되기 위해서는 매RTT마다 현재의 RTT값을 최대값과 최소값으로 비교하여 계산하는 알고리즘을 적용했다. 이것은 ack 패턴에 의한 발생하는 RTT ack값의 튀는 현상을 막아 수신경로의 한 방향 지연 문제점도 해결하였다.
송신자에서 보내어진 송신데이터는 수신자에 도착된 시간을 기록하고 (Timestamp) 이를 TCP선택영역에 넣어 응답 값(RTT ack)를 전송하게 했다. 송신자는 매 RTT마다 응답으로 되돌아온 ack값의 TCP선택영역 시간기록을 초기 최소RTT설정 값과 최대 RTT설정 값을 비교하여 혼잡도 범위를 계산했다. 이렇게 계산된 혼잡도로 가용대역폭을 예측해서 전송레이트의 데이터 세크먼트를 동적으로 결정함으로써 유무선 통합망에 최적화된 스킴을 제시했다.
이는 기존 선행적 혼잡제어 스킴이 가지고 있던 전송제어 단계. 즉, 슬로우스타트단계, 혼잡회피단계를 없애는 결과를 가져왔다. 이것은 단순하고 명확하게 동작하는 동적증가/동적감소 매커니즘이다. 논문에서 제안된 스킴은 장점은 크게 구현 용이성, 굿풋 성능, 가용대역폭 예측 정확성, 트래픽 공평성이다. NS-2 시뮬레이션은 검증을 위한 방법으로 사용되었다.
이 스킴은 유무선 혼합 망에서 연속에러가 많은 상황을 반영하여 선행연구 스킴인 TCP Westwood, TCP Jersey, TCP New Jersey와 다양하게 시뮬레이션 한 결과이다. Goodput는 가용대역폭의 트래픽로드 90%에서 TCP Jersey보다 49.8% 개선되었고, TCP전송데이터 세크먼트 트래픽간에서 공정하게 가용 대역폭을 나누어 쓰는 Fairness도 가장 좋은 값인 1을 나타냈다.
가용대역폭 예측의 정확도는 전체 시뮬레이션시간에서 TCP Westwood 보다 이상적이었다. 그리고 유무선을 구분하지 않고 송신자측에서만 변경해서 스킴을 적용할 수 있기 때문에 구현가능성도 높다.
다만, 제시된 결과들은 고정기지국이 있는 유무선 통합네트워크 환경에서 시뮬레이션 하였고 단말기와 노드가 움직이는 애드 혹 망 에서는 고려하지 않았다. 고정기지국이 없는 환경은 경로설정 실패, 경로재계산, 네트워크 분리와 같은 다양한 이동성 영향이 존재하기 때문에 일반적인 유무선 통합환경과는 다르다. 이런 환경에서는 추가적인 노력이 필요 할 수 있고, 현재의 혼잡도를 파악하는데 필요한 RTT ack값이 전송레이트를 결정하는 데이터세그먼트 수의 계산 식에 이중으로 반영되는 사항은 향후 과제로 남겨서 개선할 예정이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Transmission control protocol (TCP) is one of the core communication protocols of the Internet protocol suite which provides end-to-end reliable, in-order, error-free data transfer, flow control, and congestion control, making it suitable for major streaming media applications such as World Wide Web, e-mail and file transfer.
For these reasons significant enhancements on TCP have been made in both wired and wireless networks to achieve high performance and avoid congestion collapse. Recently proactive congestion control schemes (e.g., TCP Westwood and TCP Jersey) have been evaluated to cope with the undesired situation of congestive loss in wired networks as well as random loss in wireless networks effectively. The sender in proactive congestion control schemes, in general, attempts to adjust the congestion window (cwnd) proactively to an optimal sending rate according to the network condition. By doing so the sender reacts intelligently to the network condition or the cause of the packet loss, caused either by congestion or by random losses.
More specifically, TCP Westwood measures an end-to-end available bandwidth by monitoring the interval of returning acknowledgments (ACKs) and uses it to compute the cwnd in case of three duplicate ACKs (DUPACKs) or a retransmission timeout (RTO). On the other hand TCP Jersey improves TCP performance more significantly using both available bandwidth estimation (ABE) at the sender and congestion warning (CW) at the intermediate router. The CW mechanism is an explicit congestion notification that helps the sender to effectively distinguish packet losses caused by network congestion from those caused by wireless random loss. That is, the joint approach of the ABE and CW mechanisms allows improving TCP performance substantially in a high error rate environment.
For instance we can see the result that, 280 % more goodput is achieved by TCP Jersey than by TCP Reno at 2 % wireless link error rate. On the other hand, the syndromes at the reverse link, such as ACK compression, ACK delay, and ACK losses, may have a significant impact on ABE’s accuracy and further on the overall performance of the TCP scheme. Especially, ACK compression is a phenomenon that ACKs arrive at a sender closer together than they were sent by a receiver.
The result can lead to overestimation of the available bandwidth. Therefore, ACK compression, commonly observed in real networks, cannot be neglected. TCP New Jersey, an improved version of TCP Jersey adopts TCP timestamp option proposed in RFC 1323 for bandwidth estimation to overcome such problems. From the previous TCP schemes, however, we have found that the TCP sender does not know how much the network is congested because network congestion is represented by only two status modes, congestion exists or not.
We introduce the concept of congestion level index (CLI) representing the granularity of the current congestion status. The main contribution of this paper is the definition and realization of the CLI-based TCP. Note that a common denominator between TCP Westwood and Jersey is that they provide the ABE mechanism that helps to estimate a current end-to-end bandwidth available to a TCP connection and guides the TCP sender to adjust its sending rate properly. To realize the CLI-based TCP effectively, the key idea of this dissertation extensively adopts previous research efforts like the ABE and timestamp mechanisms, deploy the CLI at the sender side, and demonstrate the effectiveness of our approach through several simulation experiments. Simulation results show that under a 90% traffic load, the CLI-based TCP outperforms TCP New Jersey by a 49.8% improvement in goodput and through several simulation experiments; this dissertation has shown that the CLI-based TCP can handle network congestion more minutely and improve TCP performance better under the network environment with high traffic load and correlated error.
The accuracy of available bandwidth estimation was more ideal than TCP Westwood during the entire simulation time. The feasibility of implementation is also high because the scheme can be applied by modifying only the sender side without division wired and wireless networks.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 1.1 Motivation 1
• 1.2 Objectives 6
• 1.3 Organization and Outline 9
• 2. Related Works 11
• 2.1 Challenges in Wireless Environment 12
• 2.1.1 Characteristics of Wireless Networks 14
• 2.1.2 Problems of Conventional TCP 21
• 2.2 Approaches to Improve Wireless TCP Performance 26
• 2.2.1 Understanding TCP Congestion Control Mechanism 26
• 2.2.2 Split Approach 40
• 2.2.3 End-to-End Approach 47
• 2.3 Representative of Proactive Congestion Control Mechanisms 59
• 2.3.1 TCP Westwood 59
• 2.3.2 TCP Veno 62
• 2.3.3 TCP Jersey 63
• 2.3.4 TCP New Jersey 65
• 3. CLI (Congestion Level Index)-based TCP 67
• 3.1 Motivation 67
• 3.2 Direction of Proposed Schemes 68
• 3.2.1 Analysis of Previous TCP’S ABE for Scheme Design 68
• 3.2.2 Timestamp-based Algorithm Design 71
• 3.3 Congestion Level Index 76
• 3.3.1 CLI Concept 76
• 3.3.2 CLI Definition 77
• 3.3.3 Algorithm of CLI 78
• 3.4 Realization of CLI-based TCP 86
• 4. Performance Evaluation 89
• 4.1 Accuracy of Bandwidth Estimation 89
• 4.2 Goodput Performance 93
• 4.3 Effect of Correlated Error 97
• 4.4 Fairness 99
• 5. Conclusions and Future Work 101
• 5.1 Conclusions 101
• 5.2 Future Work 104
• Reference 106
• ABSTRACT 114