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Asymmetric digital subscriber line (ADSL) is a broadband access technology capable of delivering large bandwidth over existing copper telephone line infrastructure. This research aims at characterizing and analyzing TCP/IP performance in presence of a new protocol stack (TCP/IP over PPP and ATM) being promoted for one of the ADSL network architectures. Using extensive simulations, we verify the adverse effects of asymmetric links on the performance of TCP and additional throughput degradation caused by the overhead at the AAL5- ATM layers. This study involves unidirectional as well as bi-directional data transfer using different traffic mixes including bursty and non-bursty types of traffic. Bi-directional data transfer over asymmetric links results in ACK compression wherein TCP acknowledgements (ACKs) get bunched together behind larger data packets, further exacerbating the effect of asymmetry on TCP performance. By implementing the simulation model for PPP encapsulation over AAL5, we characterize its effect in terms of throughput degradation and excessive delay. We quantify the improvement in the throughput obtained by delaying the TCP ACKs and by TCP/IP header compression. These techniques being effective for unidirectional traffic over asymmetric links, however, do not prove as effective when ATM enters the scenario or in presence of bi-directional data transfer. Further, we implemented a simulation model of the Smart ACK Dropper (SAD), a technique to regulate the flow of TCP ACKs. Considerable improvement in performance especially in the presence of unidirectional data transfer is achieved using the SAD technique. Although the improvement is to a lesser extent in the presence of bi-directional data traffic, SAD helps the network in quickly recovering from the impact of ACK compression. We also propose and implement certain customized queuing/scheduling and policing mechanisms to enable differentiated servicing of TCP ACKs and data packets, and mitigate the effect of ACK compression. While providing considerable TCP performance improvement in presence of SAD, custom queuing also allows fair sharing of bandwidth between TCP flows, unlike priority queuing, which starves the low priority flow. The committed access rate (CAR)policing scheme provides considerable performance improvement when used with SAD, and is especially useful when TCP ACKs compete with bursty data traffic over the slower upstream. / Master of Science

Com o recente desenvolvimento de tecnologias de redes de altas taxas de transmissão, tais como Asynchronous Transfer Mode (ATM), o problema da carência por largura de banda foi solucionado. A questão atual é a implementação de sistemas que suportem os protocolos ATM de forma nativa e integral. Atualmente tem-se utilizado aplicativos tradicionais baseados nos protocolos TCP(UDP)/IP no topo da pilha de protocolos ATM. Tal modelo traz redundâncias que implicam diretamente em aumento de overhead na comunicação. Muitos modelos têm sido desenvolvidos para levar de forma direta a aplicação os serviços ATM. O propósito deste trabalho foi comparar o desempenho de transmissões de dados utilizando os protocolos TCP(UDP)/IP sobre ATM com transmissões de dados no modo ATM nativo. Para tal, utilizamos a plataforma de pesquisa HARP do sistema operacional FreeBSD. Tal plataforma implementa o modelo Classical IP sobre ATM utilizando os serviços AAL5 e ainda fornece uma API para sockets ATM permitindo que uma aplicação tenha acesso direto a camada AALS. Testes de taxa de transmissão, perda de células, e atraso na rede, foram realizados com base na modificação de parâmetros relacionados à aplicação e sistema operacional, tais como tamanho da mensagem sendo transmitida e tamanho dos buffers de socket. / The solution for the lack of bandwidth was solved by the recent development of high speed networks technologies, such as Asynchronous Transfer Mode - ATM. The question now is the implementation of systems, which provide support for ATM protocols in an integral way. Nowadays, legacy network applications, based in TCP/IP protocols have been used on top of ATM protocol stack. Such approach generates redundances that have as consequence an increase in the communication overhead. Many models have been developed to provide ATM services directly to applications. The goal of this study was to evaluate the performance of data transfers comparing the TCP/IP protocols over ATM with the performance of data transfers in native ATM mode. The Host ATM Research Plataform (HARP) was utilized on the FreeBSD operating system. This plataform implements Classical IP over ATM, utilizing AAL5 services. Furthermore, it provides an API for ATM sockets, allowing that an application directly access the AAL5 services. Measurements of throughput and investigations about cell loss and delay were carried out altering parameters related to the application and operating system. The parameters adopted were message size and socket buffer sizes.

Made available in DSpace on 2016-04-04T18:31:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Alberto Lotito.pdf: 2153365 bytes, checksum: 3433c9bb5371bcce62f119c4593fe360 (MD5) Previous issue date: 2007-12-05 / This work intends to perform end-to-end traffic engineering through simulations in broadband multiprotocol networks and evaluate used parameters. We ve proposed and tested parameters used by the network administrator to dimension the action of an algorithm for Traffic Engineering. We dedicated special attention to IP networks interconnected to MPLS networks. Through simulations, we ve addressed questions of performance optimization, evaluating the network packet losses and compare the results with packet loss in the traditional OSPF network achieving improvements of up to 50%. This work contributes with improvements in traffic performance for real world networks, developing practical application since the traditional IP networks up to the present MPLS networks and also for mixed technologies. / Este trabalho tem como objetivos realizar simula??es de engenharia de tr?fego fim a fim em redes que trabalham com protocolos distintos e avaliar par?metros usados. Propusemos e testamos par?metros que servem para que o operador da rede dimensione a atua??o de um algoritmo para engenharia de tr?fego. Demos especial aten??o ?s redes que trabalham com IP interconectando-se a redes MPLS. Executando diversas simula??es, trabalhamos quest?es de melhoria de desempenho por meio de avalia??o da perda de pacotes nas redes testadas comparando-se os resultados com as tradicionais redes com protocolo OSPF e chegando a melhoria de at? 50% se comparado com este. Este trabalho contribui com melhorias em engenharia de tr?fego em redes do mundo real, desenvolvendo aplica??o pr?tica desde as tradicionais redes IP at? as atuais redes MPLS e tamb?m em redes de tecnologias mistas.

Com o recente desenvolvimento de tecnologias de redes de altas taxas de transmissão, tais como Asynchronous Transfer Mode (ATM), o problema da carência por largura de banda foi solucionado. A questão atual é a implementação de sistemas que suportem os protocolos ATM de forma nativa e integral. Atualmente tem-se utilizado aplicativos tradicionais baseados nos protocolos TCP(UDP)/IP no topo da pilha de protocolos ATM. Tal modelo traz redundâncias que implicam diretamente em aumento de overhead na comunicação. Muitos modelos têm sido desenvolvidos para levar de forma direta a aplicação os serviços ATM. O propósito deste trabalho foi comparar o desempenho de transmissões de dados utilizando os protocolos TCP(UDP)/IP sobre ATM com transmissões de dados no modo ATM nativo. Para tal, utilizamos a plataforma de pesquisa HARP do sistema operacional FreeBSD. Tal plataforma implementa o modelo Classical IP sobre ATM utilizando os serviços AAL5 e ainda fornece uma API para sockets ATM permitindo que uma aplicação tenha acesso direto a camada AALS. Testes de taxa de transmissão, perda de células, e atraso na rede, foram realizados com base na modificação de parâmetros relacionados à aplicação e sistema operacional, tais como tamanho da mensagem sendo transmitida e tamanho dos buffers de socket. / The solution for the lack of bandwidth was solved by the recent development of high speed networks technologies, such as Asynchronous Transfer Mode - ATM. The question now is the implementation of systems, which provide support for ATM protocols in an integral way. Nowadays, legacy network applications, based in TCP/IP protocols have been used on top of ATM protocol stack. Such approach generates redundances that have as consequence an increase in the communication overhead. Many models have been developed to provide ATM services directly to applications. The goal of this study was to evaluate the performance of data transfers comparing the TCP/IP protocols over ATM with the performance of data transfers in native ATM mode. The Host ATM Research Plataform (HARP) was utilized on the FreeBSD operating system. This plataform implements Classical IP over ATM, utilizing AAL5 services. Furthermore, it provides an API for ATM sockets, allowing that an application directly access the AAL5 services. Measurements of throughput and investigations about cell loss and delay were carried out altering parameters related to the application and operating system. The parameters adopted were message size and socket buffer sizes.

O crescimento dos serviços de banda-larga em redes de comunicações móveis tem provocado uma demanda por dados cada vez mais rápidos e de qualidade. A tecnologia de redes móveis chamada LTE (Long Term Evolution) ou quarta geração (4G) surgiu com o objetivo de atender esta demanda por acesso sem fio a serviços, como acesso à Internet, jogos online, VoIP e vídeo conferência. O LTE faz parte das especificações do 3GPP releases 8 e 9, operando numa rede totalmente IP, provendo taxas de transmissão superiores a 100 Mbps (DL), 50 Mbps (UL), baixa latência (10 ms) e compatibilidade com as versões anteriores de redes móveis, 2G (GSM/EDGE) e 3G (UMTS/HSPA). O protocolo TCP desenvolvido para operar em redes cabeadas, apresenta baixo desempenho sobre canais sem fio, como redes móveis celulares, devido principalmente às características de desvanecimento seletivo, sombreamento e às altas taxas de erros provenientes da interface aérea. Como todas as perdas são interpretadas como causadas por congestionamento, o desempenho do protocolo é ruim. O objetivo desta dissertação é avaliar o desempenho de vários tipos de protocolo TCP através de simulações, sob a influência de interferência nos canais entre o terminal móvel (UE User Equipment) e um servidor remoto. Para isto utilizou-se o software NS3 (Network Simulator versão 3) e os protocolos TCP Westwood Plus, New Reno, Reno e Tahoe. Os resultados obtidos nos testes mostram que o protocolo TCP Westwood Plus possui um desempenho melhor que os outros. Os protocolos TCP New Reno e Reno tiveram desempenho muito semelhante devido ao modelo de interferência utilizada ter uma distribuição uniforme e, com isso, a possibilidade de perdas de bits consecutivos é baixa em uma mesma janela de transmissão. O TCP Tahoe, como era de se esperar, apresentou o pior desempenho dentre todos, pois o mesmo não possui o mecanismo de fast recovery e sua janela de congestionamento volta sempre para um segmento após o timeout. Observou-se ainda que o atraso tem grande importância no desempenho dos protocolos TCP, mas até do que a largura de banda dos links de acesso e de backbone, uma vez que, no cenário testado, o gargalo estava presente na interface aérea. As simulações com erros na interface aérea, introduzido com o script de fading (desvanecimento) do NS3, mostraram que o modo RLC AM (com reconhecimento) tem um desempenho melhor para aplicações de transferência de arquivos em ambientes ruidosos do que o modo RLC UM sem reconhecimento. / The growth of broadband services in mobile networks has led to a demand for data with faster and better quality transmissions. The mobile network technology called LTE (Long Term Evolution) or fourth generation (4G) came up with the objective of attending this demand for wireless access to services such as Internet access, online games, VoIP and video conferencing. LTE is part of the specifications of 3GPP Releases 8 and 9 operating in all-IP networks and providing transmission rates above 100 Mbps (DL), 50 Mbps (UL), low latency (10 ms) and compatibility with previous versions of mobile networks, 2G (GSM / EDGE) and 3G (UMTS / HSPA). The TCP protocol designed to operate in wired networks presents poor performance over wireless channels such as mobile cellular networks, due mainly to the characteristics of selective fading, shadowing and high error rates coming from the air interface. As all losses are interpreted as caused by congestion the protocol performance is bad. The objective of this dissertation is to evaluate the performance of several types of the TCP protocols through simulations, under the influence of channel interference between the mobile terminal (UE - User Equipment) and a remote server. For this, the NS3 (Network Simulator version 3) software and the protocols TCP Westwood Plus, New Reno, Reno and Tahoe were used. Results have shown that the TCP Westwood Plus protocol has a better performance than others. The New Reno and Reno TCP protocols had similar performance due to the proposed interference model, which has a uniform distribution and so the possibility of loss of consecutive bits is low on the same transmission window. TCP Tahoe, as expected has shown the worst performance among all because it does not have the fast recovery mechanism and its congestion window keeps coming back to one segment after a timeout. It was also observed that the delay has a greater importance in the performance of TCP when comparing with the bandwidth of the access and backbone links importance, once in the tested scenario the bottleneck was present in the air interface. The simulation performed with noise in the Air Interface, introduced by the NS3 fading script, showed that the RLC AM (acknowledged mode) had a better performance than the RLM UM (Unacknowledged mode).

O crescimento dos serviços de banda-larga em redes de comunicações móveis tem provocado uma demanda por dados cada vez mais rápidos e de qualidade. A tecnologia de redes móveis chamada LTE (Long Term Evolution) ou quarta geração (4G) surgiu com o objetivo de atender esta demanda por acesso sem fio a serviços, como acesso à Internet, jogos online, VoIP e vídeo conferência. O LTE faz parte das especificações do 3GPP releases 8 e 9, operando numa rede totalmente IP, provendo taxas de transmissão superiores a 100 Mbps (DL), 50 Mbps (UL), baixa latência (10 ms) e compatibilidade com as versões anteriores de redes móveis, 2G (GSM/EDGE) e 3G (UMTS/HSPA). O protocolo TCP desenvolvido para operar em redes cabeadas, apresenta baixo desempenho sobre canais sem fio, como redes móveis celulares, devido principalmente às características de desvanecimento seletivo, sombreamento e às altas taxas de erros provenientes da interface aérea. Como todas as perdas são interpretadas como causadas por congestionamento, o desempenho do protocolo é ruim. O objetivo desta dissertação é avaliar o desempenho de vários tipos de protocolo TCP através de simulações, sob a influência de interferência nos canais entre o terminal móvel (UE User Equipment) e um servidor remoto. Para isto utilizou-se o software NS3 (Network Simulator versão 3) e os protocolos TCP Westwood Plus, New Reno, Reno e Tahoe. Os resultados obtidos nos testes mostram que o protocolo TCP Westwood Plus possui um desempenho melhor que os outros. Os protocolos TCP New Reno e Reno tiveram desempenho muito semelhante devido ao modelo de interferência utilizada ter uma distribuição uniforme e, com isso, a possibilidade de perdas de bits consecutivos é baixa em uma mesma janela de transmissão. O TCP Tahoe, como era de se esperar, apresentou o pior desempenho dentre todos, pois o mesmo não possui o mecanismo de fast recovery e sua janela de congestionamento volta sempre para um segmento após o timeout. Observou-se ainda que o atraso tem grande importância no desempenho dos protocolos TCP, mas até do que a largura de banda dos links de acesso e de backbone, uma vez que, no cenário testado, o gargalo estava presente na interface aérea. As simulações com erros na interface aérea, introduzido com o script de fading (desvanecimento) do NS3, mostraram que o modo RLC AM (com reconhecimento) tem um desempenho melhor para aplicações de transferência de arquivos em ambientes ruidosos do que o modo RLC UM sem reconhecimento. / The growth of broadband services in mobile networks has led to a demand for data with faster and better quality transmissions. The mobile network technology called LTE (Long Term Evolution) or fourth generation (4G) came up with the objective of attending this demand for wireless access to services such as Internet access, online games, VoIP and video conferencing. LTE is part of the specifications of 3GPP Releases 8 and 9 operating in all-IP networks and providing transmission rates above 100 Mbps (DL), 50 Mbps (UL), low latency (10 ms) and compatibility with previous versions of mobile networks, 2G (GSM / EDGE) and 3G (UMTS / HSPA). The TCP protocol designed to operate in wired networks presents poor performance over wireless channels such as mobile cellular networks, due mainly to the characteristics of selective fading, shadowing and high error rates coming from the air interface. As all losses are interpreted as caused by congestion the protocol performance is bad. The objective of this dissertation is to evaluate the performance of several types of the TCP protocols through simulations, under the influence of channel interference between the mobile terminal (UE - User Equipment) and a remote server. For this, the NS3 (Network Simulator version 3) software and the protocols TCP Westwood Plus, New Reno, Reno and Tahoe were used. Results have shown that the TCP Westwood Plus protocol has a better performance than others. The New Reno and Reno TCP protocols had similar performance due to the proposed interference model, which has a uniform distribution and so the possibility of loss of consecutive bits is low on the same transmission window. TCP Tahoe, as expected has shown the worst performance among all because it does not have the fast recovery mechanism and its congestion window keeps coming back to one segment after a timeout. It was also observed that the delay has a greater importance in the performance of TCP when comparing with the bandwidth of the access and backbone links importance, once in the tested scenario the bottleneck was present in the air interface. The simulation performed with noise in the Air Interface, introduced by the NS3 fading script, showed that the RLC AM (acknowledged mode) had a better performance than the RLM UM (Unacknowledged mode).

Orientador: Nelson Luis Saldanha da Fonseca / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-05T04:20:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Lima_MicheleMaradeAraujoEspindula_D.pdf: 987855 bytes, checksum: 0b48a6acb474d2be5e0d437581cada01 (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: A ocorrência de congestionamento degrada o desempenho das redes de computadores. Dentre as conseqüências negativas da sua ocorrência cita-se a diminuição da vazão, a perda de pacotes, e o aumento do atraso. Para prevenir e controlar o congestionamento, o protocolo Transmission Control Protocol (TCP) varia a taxa de transmissão de dados de acordo com o nível de congestionamento existente. As políticas de Gerenciamento Ativo de Filas, do Inglês Active Queue Management (AQM), monitoram o nível de ocupação das filas, afim de notificar o congestionamento incipiente aos nós emissores. Esta notificação é realizada através da marca¸c¿ao ou do descarte de pacotes. O sistema de controle de congestionamento em redes TCP/IP, pode ser visto como um sistema de controle por retroalimentação, no qual, a taxa de transmissão dos n'os fontes é ajustada de acordo com o nível de ocupação da fila. Os controladores para o gerenciamento ativo de filas determinam o valor da probabilidade de descarte ou de marcação, buscando a maximização da vazão e a minimiza¸c¿ao das perdas, garantindo, assim, a estabilidade do tamanho da fila independentemente das variações das condições da rede. Nesta tese, são utilizadas técnicas da teoria de controle ótimo para definir uma política ótima de gerenciamento ativo de filas, denominada H2-AQM. A principal característica da H2-AQM é o uso de controladores não racionais, superando-se, assim, a dificuldade de se incorporar no projeto do controlador a garantia de estabilidade em relação ao atraso da retroalimentação. Outrossim, a estabilidade e os objetivos de desempenho do sistema são completamente expressos e solucionados através de desigualdades matriciais lineares, permitindo que os parâmetros do controlador possam ser calculados através da solução de um problema convexo simples. Diferentes controladores operando no mesmo ponto de equilíbrio definem diferentes caminhos entre um ponto qualquer de operação do sistema e o ponto de equilíbrio. Por outro lado, o caminho percorrido para atingir a estabilidade depende dos objetivos usados para projetar o controlador. Nesta tese, é discutida, também, a escolha dos objetivos do projeto de um controlador ótimo para o gerenciamento ativo de filas. Os desempenhos dos diferentes controladores são avaliados e a eficácia do controlador que apresentou o melhor desempenho foi comparado com o desempenho das políticas RED e PI-AQM / Abstract: Congestion is one of the most significant problems in networking. When congestion occurs, the network performance degrades, leading to throughput decrease, delay increase and packet losses. In order to avoid congestion the Transmission Control Protocol (TCP) changes its transmission rate according to the level of congestion. AQM policies notify incipient congestion to TCP source by marking or dropping packets. In TCP/ICP networks, congestion control system can be viewed as a feedback control system in which the transmission rate of the sources are adjusted according to the level of congestion inferred by the queue occupancy. Controllers are responsible for determining the appropriate value of the dropping/marking probability values that stabilizes the queue size regardless of the network condition. In this thesis, optimal control theory is used to conceive an optimal AQM policy, called H2-AQM. The novelty of the proposed approach lies in the use of non-rational controllers that overcomes the difficulty of incorporating guarantees of the stability with respect to the delayed part of the system in the controller design. Furthermore, in the proposed approach stability and performance objectives are completely expressed as Linear Matrix Inequalities (LMIs), thus requiring the solution of a single convex problem for the computation of the controller parameters. Different controllers define different pathes for taking the system state to a target point of equilibrium. Moreover, the path depends on the objectives established for the design of the controller. In this thesis, a discussion on the design of AQM optimal controllers for optimal performance is also presented. The performance produced by different optimal controllers was investigated. The efficacy of the controller which presented the best performance was, then, compared to the performance of both RED and PI-AQM policies / Doutorado / Redes de Computadores / Doutor em Ciência da Computação

Orientador: Nelson Luis Saldanha da Fonseca / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-13T10:39:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Augusto_LeonardoRangel_M.pdf: 852383 bytes, checksum: f25ba2736c185851498448650c0aef68 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: A classe de Serviço Assegurado da arquitetura de Serviços Diferenciados (DiffServ) da Internet inclui a provisão de diferenciação de banda passante, o que depende do adequado USG de mecanismos de condicionamento de tráfego e gerenciamento ativo de filas (AQM). Nesta dissertação, propõe-se um controlador ótimo para gerenciamento ativo de filas para a arquitetura Diffserv. Seu projeto considera intrinsecamente a influência de fluxos não adaptativos na dinâmica do controle de congestionamento. Apesar de o controlador obtido ser racional, seu projeto utiliza uma abordagem não-racional, o que aumenta a precisão do modelo. Simulações conduzidas demonstram que o controlador proposto reduz o descarte desnecessário de pacotes, aumentando o goodput e diminuindo a quantidade de RTOs dos emissores TCP. / Abstract: The Assured Service of Differentiated Services Arehitecture (DiffServ) is currently used for providing throughput differentiation in the Internet. For this, traffic policing and active queue management (AQM) mechanisms must be used. In this dissertation, we use a non-rational approach to develop an optimal AQM controller. Its design considers both adaptative and non-adaptative like UDP. Simulations were conducted for comparison with other proposals. Results show that the proposed controller reduces unnecessary packet drops, increases the goodput and reduces the TCP sender's Retransmission Timeouts. / Mestrado / Redes de Computadores / Mestre em Ciência da Computação