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TCP-friendly congestion control for multimedia communication in the internet

 
: Sisalem, D.

:
urn:nbn:de:0011-b-730549 (9.9 MByte PDF)
MD5 Fingerprint: cd5dcfd4d9b270ad127d7dc6760a92d4
Created on: 31.07.2002


Sankt Augustin: GMD Forschungszentrum Informationstechnik, 2000, 197 pp.
Zugl.: Berlin, TU, Diss., 2000
GMD research series, 2000,10
ISBN: 3-88457-382-9
English
Dissertation, Electronic Publication
Fraunhofer FOKUS ()
Internet; TCP; RTP; Staukontrolle; Multimedia; Multicast; congestion control; multimedia communication

Abstract
Aufgrund seiner einfachen Architektur wird das Internet zunehmend als Netzinfrastruktur für multimediale Kommunikation genutzt. Wegen seiner Einfachheit und Unterstützung von Mehrpunkt-Kommunikation verwenden multimediale Anwendungen meist das UDP-Protokoll. Da UDP keine Staukontrollmechanismen unterstützt, kann ein vermehrter Einsatz solcher Applikationen zu Netzüberlastung und Unterdrückung von staukontrolliertem TCP-Verkehr führen. Um dies zu vermeiden, müssen daher UDP-basierte Applikationen um Staukontrollalgorithmen erweitert werden, die Informationen bezüglich der Netzüberlast sammeln, austauschen und auswerten und das Verhalten der Endsysteme anhand dieser Informationen adaptieren. Diese Mechanismen müssen die spezifischen Eigenschaften der multimedialen Applikationen berücksichtigen. Ferner muß die Skalierbarkeit und "Freundlichkeit" dieser Anwendungen TCPVerkehr gegenüber sicher gestellt werden. In diesem Kontext bedeutet TCP-Freundlichkeit, daß UDP- und TCP-Ströme, die ähnliche Verluste und Verzögerungen erleiden, ähnliche Anteile der verfügbaren Netzressourcen erhalten. In dieser Arbeit werden neuartige Staukontrollalgorithmen für UDP-basierte multimediale Kommunikation vorgestellt, die sich TCP-Verkehr gegenüber freundlich verhalten. Die Effizienz der entwickelten Mechanismen wird anhand von Simulationen und Messungen im Internet gezeigt und mit verschiedenen in der Literatur vorgeschlagenen Ansätzen verglichen. Zum Sammeln und Austausch von Kontroll- und Statusinformationen benutzen die hier vorgestellten Verfahren das "Real-Time Transport Protocol" (RTP>, das im Rahmen von multimedialer Kommunikation im Internet bereits weitverbreitet ist. RTP erlaubt den Austausch von Kontrollinformationen nur in Intervallen von einigen Sekunden. Die hier entwickelten Algorithmen sind jedoch so optimiert, daß ein geeignetes Adaptationsverhalten trotz dieser Einschränkungen gewährleistet wird. Im ersten Teil der Arbeit werden im Bereich Punkt-zu-Punkt-Kommunikation die Vor- und Nachteile von RTP bezüglich Staukontrolle analysiert, und ein neuer Algorithmus zur Staukontrolle namens "Loss-Delay Based Adjustment Algorithm" (LDA) wird vorgestellt und untersucht. Im zweiten Teil der Arbeit werden die spezifischen Charakteristika multimedialer Applikationen beschrieben und deren Einflüsse auf den Staukontrollprozeß untersucht. In diesem Kontext werden multimediale Applikationen anhand eines parametrisierten Modells dargestellt. Ferner wird ein Lösungsansatz vorgestellt, der es erlaubt Randbedingungen, die vom Benutzer und der Applikation gestellt werden, mit den Anforderungen des Netzes zu integrieren. Im dritten Teil der Arbeit wird die Staukontrollproblematik bei Mehrpunkt-Kommunikation untersucht. Es werden skalierbare Mechanismen zur Verzögerungsmessungen und zum Austausch von Kontrollinformationen vorgeschlagen und getestet. Hier wird ein Algorithinus namens "Multicast Enhanced Loss-Delay Based Adjustment" (MLDA) zur Staukontrolle für Mehr-punkt-Kommunikation vorgestellt, der die Senderate des Senders unter Berücksichtigung der Heterogenität der Empfänger und des Netzes in einer TCP-freundlichen Weise anpaßt. In den ersten drei Teilen der Arbeit ist die Kontrollfunktionalität ausschließlich bei den Endsystemen angesiedelt. Im letzten Teil der Arbeit untersuchen wir zusätzlich die Vor- und Nachteile einer Kooperation zwischen den Endsystemen und den Netzknoten, wobei die Netzknoten den Endsystemen Informationen bezüglich der vorhandenen Kapazitäten mitteilen.

 

Due to its simple design and flexible packet switching based architecture the Internet is gradually becoming the communication infrastructure for multimedia applications While data applications such as WEB and FTP are based on TCP, multimedia applications will be based on UDP due to its flexibility and support of multi-point communication. However, as UDP does not support congestion control, wide usage of multimedia applications in the Internet might lead to overload situations and cause the starvation of congestion controlled TCP traffic which reduces its bandwidth share during overload situations. To avoid such a situation, UDP-based applications must be enhanced with congestion control algorithms that collect, exchange and process information about the network congestion status and adjust the behavior of the end systems based on this information. As evaluation criteria for the developed mechanisms we consider in this work the aspects of friendliness of UDP traffic towards competing TCP connections, the consideration of multimedia specific characteristics and the scalability of the schemes for large multicast communication. In this context, TCP-friendliness indicates that competing TCP and UDP flows with similar loss and delay values should receive on the average similar bandwidth shares. In this work, we specify, implement and investigate novel TCP-friendly congestion control schemes for UDP-based multimedia communication. The efficiency of the developed schemes is shown through simulations and measurements over the Internet as well as through comparisons to similar approaches proposed in the literature. For the collection and exchange of information about the network load, losses and delays the here presented schemes use the real-time transport protocol (RTP) widely used for multimedia communication in the Internet. While RTP already offers the necessary mechanisms for collecting and exchanging information about losses and delays it only supports the exchange of information in intervals of a few seconds. Therefore the here presented schemes are designed to achieve an optimal adaptation behavior on the one side and take the infrequency of the RTP feedback messages on the other. In the first part considering point-to-point communication the advantages and disadvantages of using RTP for congestion control are discussed and an end-to-end congestion control scheme called loss-delay based adaptation (LDA) is developed and investigated. In the second part of the work, the effects of and the constraints imposed by multimedia specific characteristics on the congestion control process are investigated. Here, a general framework for incorporating user and content specific parameters with the TCP-friendly congestion control procedure is presented and evaluated. In the third part of the work, the issue of congestion control in heterogeneous multicast environments is discussed and solutions for scalable feedback and measurements are presented. Here, a scheme called multicast enhanced loss-delay based adaptation (MLDA) is developed. MLDA adjusts the transmission rate of the sender in a TCP-friendly way in accordance with the receivers' heterogeneity. Finally, while in the first three parts of the work the control functionalities are confined to the end systems, in the last part of the work the advantages and disadvantages of extending the network routers to inform the end systems about resource availability in the network are discussed. In this context, we investigate various schemes proposed for rate allocation discussed for the available bit rate (ABR) service proposed for ATM and present a similar yet scalable IP-based scheme called adaptive bad service (ALS) to be used in the Internet.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/B-73054.html