TCP Performance in Heterogeneous Wireless Networks

The TCP protocol is used by most Internet applications today, including the recent mobile wireless terminals that use TCP for their World-Wide Web, E-mail and other traffic. The recent wireless network technologies, such as GPRS, are known to cause delay spikes in packet transfer. This causes unnecessary TCP retransmission timeouts. This dissertation proposes a mechanism, Forward RTO-Recovery (F-RTO) for detecting the unnecessary TCP retransmission timeouts and thus allow TCP to take appropriate follow-up actions. We analyze a Linux F-RTO implementation in various network scenarios and investigate different alternatives to the basic algorithm. The second part of this dissertation is focused on quickly adapting the TCP's transmission rate when the underlying link characteristics change suddenly. This can happen, for example, due to vertical hand-offs between GPRS and WLAN wireless technologies. We investigate the Quick-Start algorithm that, in collaboration with the network routers, aims to quickly probe the available bandwidth on a network path, and allow TCP's congestion control algorithms to use that information. By extensive simulations we study the different router algorithms and parameters for Quick-Start, and discuss the challenges Quick-Start faces in the current Internet. We also study the performance of Quick-Start when applied to vertical hand-offs between different wireless link technologies.

Suurin osa Internet-sovelluksista käyttää TCP-protokollaa turvatakseen luotettavan tiedonvaihdon. Tällaisia sovelluksia ovat esimerkiksi WWW, sähköposti, ja monet pikaviestiohjelmat. TCP-protokollan pääpiirteet on suunniteltu 1970- ja 1980-luvulla, jolloin päätelaitteita ja sovelluksia oli huomattavasti nykyistä vähemmän ja yhteydet pohjautuivat kiinteiden kommunikaatiolinkkien käyttöön. Langattomien päätelaitteiden yleistyessä on huomattu, että TCP-protokollan suorituskyky ei aina ole hyväksyttävällä tasolla, koska monet sen piirteistä on alunperin suunniteltu erilaisessa käyttöympäristössä. Väitöstyö perehtyy langattoman linkin aiheuttamien vaikeasti ennustettavien viiveiden vaikutukseen TCP:n suorituskyvylle. Tällainen käyttäytyminen on ominaista esimerkiksi nykyisin laajalti matkapuhelimissa käytetylle GPRS-teknologialle. Yllättävät viiveet datansiirrossa aiheuttavat TCP:n uudelleenlähetysajastimen tarpeettoman laukeamisen. Tämä aiheuttaa useiden pakettien turhan uudelleenlähetyksen ja vaikeuttaa TCP:n ruuhkanvalvonta-algoritmien toimintaa. Väitöstyössä ehdotetaan F-RTO -nimistä parannusta TCP:n uudelleenlähetysalgoritmeihin, joka pyrkii havaitsemaan turhat uudelleenlähetykset ja välttämään edellä mainitut ongelmat tällaisissa tilanteissa. Väitöstyö analysoi F-RTO:n suorituskykyä erilaisissa kommunikaatioskenaarioissa ja tutkii erilaisia variaatioita perusalgoritmiin. Lisäksi väitöskirjassa tutkitaan TCP:n lähetysnopeuden pikaista sopeuttamista vallitseville siirto-olosuhteille. Normaalisti TCP tarvitsee huomattavan ajan löytääkseen oikean siirtonopeuden yhteyden alussa, mikäli siirtolinkki on erityisen nopea ja siirtoviiveet verraten pitkiä. Tämä on tilanne uusimmissa langattomissa kommunikaatioteknologioissa. Samankaltainen ongelma esiintyy myös, mikäli TCP-yhteys vaihtaa käyttämäänsä siirtoteknologiaa kesken yhteyden esimerkiksi liikkuvuuden seurauksena. Tämä voi tapahtua uusimmissa päätelaitteissa, jotka tukevat useita erityyppisiä radioteknologioita, kuten WLAN ja GPRS. Väitöskirjassa tutkitaan Quick-Start - nimistä mekanismia, joka nopeuttaa huomattavasti TCP:n sopeutumisnopeutta edellä mainitun kaltaisissa tilanteissa. Työssä tarkastellaan erilaisia algoritmeja Quick-Startin käyttöön ja analysoidaan simulointien avulla algoritmien toimintaa erilaisissa ympäristöissä. Väitöstyössä esitetyillä tuloksilla Internet-kommunikaation suorituskykyä ja käytettävyyttä langattomilla laitteilla voidaan parantaa huomattavasti.