Congestion control mechanisms in the Internet. represent one of the largest deployed feedback systems. However, many deployed control mechanisms recently appeared is beyond the reach of analytical modeling and feedback control theory. In the congestion control mechanisms, two types of studies are of fundamental interest. First, it is important to characterize the equilibrium point that can be obtained from a given congestion control protocol from the point of fairness, efficiency in use of resources and dependence on network parameters. Second, it is importance to concern the dynamics of congestion control protocols to avoid an occurrence of the network congestion and to dissolve the congestion if the congestion occurrence cannot be avoided. In additions, keeping the fairness among the active connections is an essential feature for the network. However, theoretical research on this topic has dealt mostly with simple scenarios (e.g., single-bottleneck).
Transmission Control Protocol (TCP) is the most widely used transport protocol for reliable data transfer in the Internet. TCP uses window-based flow control that a destination sends acknowledgement message for packets that are correctly received. However, there are many problems with the current TCP congestion control schemes. The current congestion control mechanisms use packet loss or timeout to discover congestion in the network. Usually, losses occur if the buffer at a network has reached its capacity and incoming packet is dropped. Hence, in TCP, there are no means to discover congestion before a packet is lost. This blind rate adaptation mechanism causes a global synchronization of the flows. Consequently, it leads to unfairness, low utilization, and a greater oscillation in the queueing delay. Thus the first problem in TCP is to avoid an occurrence of the network congestion, and to dissolve the congestion if the congestion occurrence cannot be avoided.
In addition, TCP should throttle the window size when a packet loss is detected or a single marked packet is received by the sending host. However, the window updating algorithm of TCP is a class of AIMD (Additive Increase/Multiplicative Decrease) which is the main cause of the unfairness in TCP. Thus the second problem is how to update the window size to achieve to provide fair service to connections.
In this regard, firstly, we propose a general TCP congestion control model for wired/wireless TCP and suggest the approximate model based on the sense of average. Then, we suggest analytical methods based on the deterministic fluid-flow model using stochastic analysis and averaging theory. Secondly, we suggest a new window-based congestion control mechanism in both of wired and wireless TCP network for regulating TCP sending rate with the objective of ensuring the fairness, full link utilization, and stability. With the proposed methods, we analyze the steady state and asymptotic stability using stochastic analysis and averaging theory. Through simulations, we show the performance improvement of the system.
인터넷에서의 혼잡제어구조는 가장 넓게 배치된 궤환시스템 중의 하나이다. 하지만 최근에 제안된 제어구조는 분석적 모델링이나 궤환제어이론과는 거리가 멀다. 혼잡제어구조에서는 두종류의 연구가 진행되고 있다. 먼저 주어진 혼잡제어 프로토콜로부터 얻어진 평형점을 찾고 공평성, 효율성, 그리고 망의 파라미터에 대한 의존성등의 관점에서 해석이 필요하다. 다음으로 혼잡제어 프로토콜의 다이나믹스에 대한 연구가 필요하다. 하지만 이러한 이론적 근거를 바탕으로 한 연구는 대부분 간단한 망에 한정되어 있다.
TCP는 인터넷에서 신뢰성 있는 정보전송을 위해 가장 널리 쓰이는 전송프로토콜이다. TCP는 윈도우를 바탕으로 하는 흐름제어를 사용한다. 즉 수신단은 오류없이 받은 패킷에 대한 확인 메세지를 송신단에게 보내게 된다. 하지만 현재의 TCP 혼잡제어 방법에는 많은 문제가 존재한다. 기존의 혼잡제어 방법들은 패킷손실이나 timeout에 근거하여 망의 혼잡을 예측해 낸다. 일반적으로 패킷 손실은 망안의 버퍼크기보다 많은 양의 패킷이 들어오게 될 때 들어오는 패킷들을 버림으로 일어나게 된다. 따라서 TCP에서는 패킷손실이 일어나기 전 혼잡상태를 알아 낼 방법이 없다. 다만 손실을 감지한 후에야 전송율을 줄이게 된다. 이러한 전송율 조절 방법은 플로우들의 전체적인 synchronization의 원인이 된다. 게다가 각 플로우에 대한 불공정한 대역할당, 낮은 링크 효율 그리고 버퍼대기시간의 큰 진동을 초래하게 된다. 따라서 TCP에서 첫번째 문제는 망의 혼잡발생을 막아야 하며 만약 혼잡발생을 피할수 없게 될 경우 혼잡상황을 해결해야 한다. 게다가 TCP는 패킷손실이나 마킹된 패킷이 수신되었을 경우 윈도우 크기를 줄이게 되어 있다. 하지만 이러한 윈도우 제어 방법은 AIMD (Additive increase/multiplicative decrease)의 한 종류이므로 대역할당의 불공정성의 큰 원인이 된다. 따라서 두번째 문제는 공정한 대역할당을 위한 적절한 윈도우 크기 조절방법이라 할 수 있는데 이는 동종/이종망에서 공정성을 유지하는 것은 망의 중요한 문제이기 때문이다.
이와 관련하여 본 학위논문에서는 유무선 TCP망에서 공정성, 높은 링크 효율, 그리고 안정성을 보장하기 위한 새로운 혼잡제어 방법들을 제시한다. 이를 위해 먼저 유무선 TCP망의 모델링 및 근사화된 모델을 제시한다. 그리고 확률적 분석과 평균이론을 이용하여 위 모델의 분석 방법을 제시한다. 각각의 제시한 혼잡제어 방법들에 대해 평형점 및 점근적 안정성을 분석하고 여러 모의 실험을 통하여 시스템의 성능 개선을 보이고자 한다.
