Interaction Between TCP and MAC-layer to Improve TCP Flow Performance over WLANs

In recent years, the needs for WLANs(Wireless Local Area Networks) technology which can access to Internet anywhere have been dramatically increased particularly in SOHO(Small Office Home Office) and Hot Spot. However, unlike wired networks, there are some unique characteristics of wireless networks. These characteristics include the burst packet losses due to unreliable wireless channel. Note that burst packet losses, which occur when the distance between the wireless station and the AP(Access Point) increase or when obstacles move temporarily between the station and AP, are very frequent in 802.11 networks. Conversely, due to burst packet losses, the performance of 802.11 networks are not always as sufficient as the current application require, particularly when they use TCP at the transport layer. The high packet loss rate over wireless links can trigger unnecessary execution of TCP congestion control algorithm, resulting in performance degradation. In order to overcome the limitations of WLANs environment, MAC-layer LDA(Loss Differentiation Algorithm)has been proposed. MAC-layer LDA prevents TCP's timeout by increasing CRD(Consecutive Retry Duration) higher than burst packet loss duration. However, in the wireless channel with high packet loss rate, MAC-layer LDA does not work well because of two reason: (a) If the CRD is lower than burst packet loss duration due to the limited increase of retry limit, end-to-end performance is degraded. (b) energy of mobile device and bandwidth utilization in the wireless link are wasted unnecessarily by Reducing the drainage speed of the network buffer due to the increase of CRD. In this paper, we propose a new retransmission module based on Cross-layer approach, called BLD(Burst Loss Detection) module, to solve the limitation of previous link layer retransmission schemes. BLD module's algorithm is retransmission mechanism at IEEE 802.11 networks and performs retransmission based on the interaction between retransmission mechanisms of the MAC layer and TCP. From the simulation by using ns-2(Network Simulator), we could see more improved TCP throughput and energy efficiency with the proposed scheme than previous mechanisms.

유무선랜 환경에서 TCP Flow의 성능향상을 위한 MAC 계층과 TCP 계층의 연동기법

최근 무선 랜은 SOHO (Small Office Home Office) 및 Hot Spot과 같은 환경에서 공간의 제약에 구애받지 않고, 인터넷에 접속할 수 있는 기술로서 사용자의 요구가 크게 증가하였다. 하지만, 무선 랜 환경에서의 통신은 유선망과 달리 불안정한 무선 채널의 특성으로 인해 연집적인 패킷 손실이 발생하여 통신상의 제약이 많은 특징을 가진다. 연집적인 패킷 손실은 AP(Access Point) 와 무선 단말의 거리가 증가하거나, AP와 무선 단말사이에 장애물 등이 일시적으로 지나갈 때 주로 발생하는 현상이다 결국, 현재 인터넷상에서 가장 광범위하게 사용되고 있는 무선 랜 기술인 IEEE 802.11은 이러한 특성으로 인해 사용자의 요구에 만족할만한 전송 성능을 나타내지 못하며, 특히 전송 계층에 TCP가 사용될 경우 불필요한 혼잡 제어 기법을 사용하게 함으로써 심각한 성능저하를 야기한다. 이러한 무선 랜 환경의 문제점을 해결하기 위해 MAC-layer LDA(Loss Differentiation Algorithm)가 제안되었다. MAC-layer LDA는 MAC 계풍의 Retry limit을 기반으로 CRD(Consecutive Retry Duration)를 무선 구간의 연집된 패킷손실 기간 이상 증가시켜, TCP의 불필요한 Timeout 발생 이전에 손실된 패킷을 효율적으로 복구하는 기법이다. 하지만, MAC-layer LDA 기법은 한정된 Retry limit의 증가로 인해 CRD가 연집된 패킷 손실 구간 보다 적은 경우가 발생하여 심각한 전송성능 저하를 가져온다. 또한, CRD의 증가는 무선 구간의 패킷 처리 시간을 증가시켜 대역폭과 무선 단말의 한정된 에너지 자원을 불필요하게 낭비하는 문제를 초래한다. 본 논문에서는 이러한 문제점을 개선하기 위해 Cross-layer 기법을 적용한 재전송 기법인 BLD(Burst Loss Detection) 모듈을 제안한다. BLD 모듈의 알고리즘은 현재 무선 랜 환경에서 가장 널리 사용되는 IEEE 802.11 MAC 프로토콜 기반의 재전송 기법으로서, MAC 계층과 TCP에서 사용되는 재전송 기법의 효율적인 연동을 통해 손실된 패킷을 복구한다. ns-2(Network Simulator) 시뮬레이터를 이용한 실험을 통해 BLD 모듈은 무선 구간의 연집적인 패킷 손실에 대해 효율적인 보상을 수행하여 전송 성능과 에너지 효율성을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.