Improving TCP Performance by Limiting Congestion Window in Fixed Bandwidth Networks

This paper proposes a congestion avoidance algorithm which provides stable throughput and transmission rate regardless of buffer size by limiting the TCP congestion window in fixed bandwidth networks. Additive Increase, Multiplicative Decrease (AIMD) is the most commonly used congestion control algorithm. But, the AIMD-based TCP congestion control method causes unnecessary packet losses and retransmissions from the congestion window increment for available bandwidth verification when used in fixed bandwidth networks. In addition, the saw tooth variation of TCP throughput is inappropriate to be adopted for the applications that require low bandwidth variation. We present an algorithm in which congestion window can be limited under appropriate circumstances to avoid congestion losses while still addressing fairness issues. The maximum congestion window is determined from delay information to avoid queueing at the bottleneck node, hence stabilizes the throughput and the transmission rate of the connection without buffer and window control process. Simulations have performed to verify compatibility, steady state throughput, steady state packet loss count, and the variance of congestion window. The proposed algorithm can be easily adopted to the sender and is easy to deploy avoiding changes in network routers and user programs. The proposed algorithm can be applied to enhance the performance of the high-speed access network which is one of the fixed bandwidth networks.

고정대역 네트워크에서 혼잡윈도우 제한에 의한 TCP 성능개선

본 논문은 고정대역 네트워크에서 최대 TCP 혼잡윈도우를 제한하여, 버퍼 크기와 무관하게 안정적인 성능과 전송률을 제공할 수 있는 혼잡회피 알고리즘을 제안한다. 현재는 AIMD(Additive Increase, Multiplicative Decrease) 기반의 혼잡제어 방법이 가장 널리 사용되고 있다. 그러나 AIMD 기반의 TCP 혼잡제어 방법은 고정대역 네트워크에서 불필요하게 성능을 저하시키는 문제가 있다는 것이 여러 연구결과를 통해 알려져 있다. 또한 TCP의 톱니파형 데이터율로 안정적인 데이터 전송률이 필요한 응용에 적용하기 어렵다. 제안된 알고리즘은 필요에 따라 공평성을 유지하며 혼잡에 의한 손실을 방지하기 위해 혼잡윈도우의 크기를 제한한다. 최대 혼잡윈도우의 크기를 병목노드에서 데이터 축적을 방지하는 지연 정보로 결정하여, 별도의 버퍼와 윈도우 제어절차 없이 연결의 성능과 전송율이 안정적이도록 한다. 다양한 경우에 대한 시뮬레이션을 통해 호환성, 정상상태의 성능, 정상상태 손실 패킷 수, 그리고 혼잡윈도우의 분산 등으로 특성을 검증하였다. 제안된 방법은 송신단의 간단한 수정으로 적용이 가능하며, 네트워크 라우터와 사용자 프로그램의 수정이 불필요하여 확산이 용이한 장점을 가지며, 고정대역 네트워크로 볼 수 있는 국내 초고속인터넷 접속망에 적용하면 성능개선을 얻을 수 있다.