Propositions for a robust and inter-operable eXplicit Control Protocol on heterogeneous high speed networks
Propositions pour une version robuste et inter-operable d' eXpliciit Control Protocol dans des réseaux hétérogènes à haut débit
Résumé
The congestion control protocols aim to fairly share the network resources between users and avoid congestion. In this thesis, we have first compared the performance of different protocols in networks where the bandwidth varies over time (Variable Bandwidth Environments -- VBE --) due to the aggregation/disaggregation of flows and/or the presence of Quality of Service (QoS) mechanisms.
Thus, we have shown that the routers-assisted protocols providing Explicit Rate Notification (ERN protocols) provide higher fairness level and avoid congestion better than End-to-End (E2E) protocols (e.g., TCP-based protocols). However, the absence of inter-operability of ERN protocols with the non-ERN routers (like the DropTail routers) and the E2E congestion control protocols (like TCP) prevent the deployed of ERN protocols in current networks.
In order to solve the problems of inter-operability of ERN protocols with non-ERN routers, we have proposed a solution which detects the set of non-ERN router between two ERN routers, estimates the available bandwidth in that set of non-ERN routers, and creates a virtual router that computes a feedback reflecting the estimated available bandwidth.
Regarding the inter-operability problems of ERN protocols with E2E protocols, we have proposed a solution which provides friendliness between both kind of protocols. The mechanisms implemented by our friendliness solution can be divided in two steps. First, our solution estimates the resources needed by the ERN and E2E protocols in terms of bandwidth. Later, our friendliness solution randomly drops packets belonging to the E2E flows, with a probability updated on base of the results found in the first step.
Since the success of ERN protocols depends on the information about the state of the network provided by the routers (the feedback), in this thesis we have studied the behavior of ERN protocols in scenarios where a percentage of the feedback has been lost. Such studies show that feedback losses in networks with VBE may lead to a chaotic behavior of ERN flows. Therefore, we have proposed a new architecture for ERN protocols which improves the responsiveness and the robustness of ERN flows in networks with VBE and feedback losses.
The set of mechanisms and solutions presented in this thesis, easy to apply to several ERN protocols, have been implemented and validated on the eXplicit Control Protocol (XCP). Thus, we have shown that our solutions surmount the inter-operability problems of ERN protocols in a wide range of network topologies and scenarios.
This thesis has provided the basis for creating an ERN protocol able to be gradually deployed in current heterogeneous large bandwidth-delay product networks, where users frequently need to move very large amount of data (e.g., Data Grid).
Thus, we have shown that the routers-assisted protocols providing Explicit Rate Notification (ERN protocols) provide higher fairness level and avoid congestion better than End-to-End (E2E) protocols (e.g., TCP-based protocols). However, the absence of inter-operability of ERN protocols with the non-ERN routers (like the DropTail routers) and the E2E congestion control protocols (like TCP) prevent the deployed of ERN protocols in current networks.
In order to solve the problems of inter-operability of ERN protocols with non-ERN routers, we have proposed a solution which detects the set of non-ERN router between two ERN routers, estimates the available bandwidth in that set of non-ERN routers, and creates a virtual router that computes a feedback reflecting the estimated available bandwidth.
Regarding the inter-operability problems of ERN protocols with E2E protocols, we have proposed a solution which provides friendliness between both kind of protocols. The mechanisms implemented by our friendliness solution can be divided in two steps. First, our solution estimates the resources needed by the ERN and E2E protocols in terms of bandwidth. Later, our friendliness solution randomly drops packets belonging to the E2E flows, with a probability updated on base of the results found in the first step.
Since the success of ERN protocols depends on the information about the state of the network provided by the routers (the feedback), in this thesis we have studied the behavior of ERN protocols in scenarios where a percentage of the feedback has been lost. Such studies show that feedback losses in networks with VBE may lead to a chaotic behavior of ERN flows. Therefore, we have proposed a new architecture for ERN protocols which improves the responsiveness and the robustness of ERN flows in networks with VBE and feedback losses.
The set of mechanisms and solutions presented in this thesis, easy to apply to several ERN protocols, have been implemented and validated on the eXplicit Control Protocol (XCP). Thus, we have shown that our solutions surmount the inter-operability problems of ERN protocols in a wide range of network topologies and scenarios.
This thesis has provided the basis for creating an ERN protocol able to be gradually deployed in current heterogeneous large bandwidth-delay product networks, where users frequently need to move very large amount of data (e.g., Data Grid).
Les protocoles de contrôle de congestion ont pour but d'autoriser un partage équitable des ressources entre les utilisateurs et d'éviter la congestion dans les réseaux de communications. Dans cette thèse, nous avons commencé par comparer la performance des différents protocoles dans des modèles de réseaux qui intègrent la notion de variation de bande passante produit par l'agrégation/désagrégation des flux ainsi que la présence des mécanismes fournissant de la Qualité du Service.
Ainsi, nous avons montré que ce sont les protocoles basés sur l'assistance de routeurs fournissant aux émetteurs un taux d'émission explicite (``Explicit Rate Notification'' - ERN) partagent mieux les ressources du réseaux entre les utilisateurs et évitent mieux la congestion que les protocoles de bout-en-bout (comme les protocoles basés sur TCP). Cependant, l'absence d'inter-opérabilité des protocoles ERN avec les routeurs non-ERN (par exemple, les routeurs DropTail) et les protocoles de congestion de bout-en-bout (comme TCP), empêche leur mise en place dans les réseaux actuels.
Pour résoudre les problèmes d'inter-opérabilité des protocoles ERN avec des routeurs non-ERN, nous avons proposé des stratégies et des mécanismes capables de détecter les groupes des routeurs non-ERN entre deux routeurs ERN, d'estimer la bande passante minimale disponible à l'intérieur de ces groupes, et de créer des routeurs virtuels qui remplacent chaque groupe de routeurs non-ERN par un routeur ERN.
Nous avons également proposé un système d'équité intra-protocolaire entre les protocoles ERN et les protocoles de bout-en-bout. Avec notre solution, les routeurs ERN dans une première étape estiment les besoins en terme de bande passante des flux ERN et non-ERN puis, dans une deuxième étape, limitent le débit des flux non-ERN en rejetant leurs paquets avec une probabilité qui dépend des résultats de la première étape.
Le succès des protocoles ERN est basé sur l'information de rétroalimentation, calculée par les routeurs, et renvoyée par les récepteurs aux émetteurs. Nous avons montré que les protocoles ERN deviennent instables face aux pertes de l'information de rétroalimentation dans des environnements hétérogènes et à bande passante variable. Dans ce cadre là, nous avons proposé une nouvelle architecture qui améliore la robustesse des protocoles ERN, ainsi que la réactivité des émetteurs.
Toutes nos propositions, applicables sur d'autres protocoles ERN, ont été expérimentées et validées sur le protocole eXplicit Control Protocol (XCP). Ainsi, nous avons montré que nos solutions surmontent les défis concernant les problèmes d'inter-opérabilité des protocoles ERN dans un grand nombre des scénarios et de topologies.
De cette façon, nous avons développé les bases pour bénéficier d'un protocole ERN capable d'être déployé dans des réseaux hétérogènes à grand produit bande passante - délai où le transfert de grande quantité des données est nécessaire, tels que les réseaux de grilles (ex. GÉANT).
Ainsi, nous avons montré que ce sont les protocoles basés sur l'assistance de routeurs fournissant aux émetteurs un taux d'émission explicite (``Explicit Rate Notification'' - ERN) partagent mieux les ressources du réseaux entre les utilisateurs et évitent mieux la congestion que les protocoles de bout-en-bout (comme les protocoles basés sur TCP). Cependant, l'absence d'inter-opérabilité des protocoles ERN avec les routeurs non-ERN (par exemple, les routeurs DropTail) et les protocoles de congestion de bout-en-bout (comme TCP), empêche leur mise en place dans les réseaux actuels.
Pour résoudre les problèmes d'inter-opérabilité des protocoles ERN avec des routeurs non-ERN, nous avons proposé des stratégies et des mécanismes capables de détecter les groupes des routeurs non-ERN entre deux routeurs ERN, d'estimer la bande passante minimale disponible à l'intérieur de ces groupes, et de créer des routeurs virtuels qui remplacent chaque groupe de routeurs non-ERN par un routeur ERN.
Nous avons également proposé un système d'équité intra-protocolaire entre les protocoles ERN et les protocoles de bout-en-bout. Avec notre solution, les routeurs ERN dans une première étape estiment les besoins en terme de bande passante des flux ERN et non-ERN puis, dans une deuxième étape, limitent le débit des flux non-ERN en rejetant leurs paquets avec une probabilité qui dépend des résultats de la première étape.
Le succès des protocoles ERN est basé sur l'information de rétroalimentation, calculée par les routeurs, et renvoyée par les récepteurs aux émetteurs. Nous avons montré que les protocoles ERN deviennent instables face aux pertes de l'information de rétroalimentation dans des environnements hétérogènes et à bande passante variable. Dans ce cadre là, nous avons proposé une nouvelle architecture qui améliore la robustesse des protocoles ERN, ainsi que la réactivité des émetteurs.
Toutes nos propositions, applicables sur d'autres protocoles ERN, ont été expérimentées et validées sur le protocole eXplicit Control Protocol (XCP). Ainsi, nous avons montré que nos solutions surmontent les défis concernant les problèmes d'inter-opérabilité des protocoles ERN dans un grand nombre des scénarios et de topologies.
De cette façon, nous avons développé les bases pour bénéficier d'un protocole ERN capable d'être déployé dans des réseaux hétérogènes à grand produit bande passante - délai où le transfert de grande quantité des données est nécessaire, tels que les réseaux de grilles (ex. GÉANT).
Mots clés
Congestion control protocols
Routers-assisted protocols
Explicit Rate Notification protocols
Inter-operable ERN protocols
End-to-End protocols
Variable Bandwidth Environments
heterogeneous high speed networks.
réseaux à haut débit hétérogènes
Protocoles de contrôle de congestion
Protocoles basés sur l'assistance des routeurs
Protocoles de notification de vitesse explicite
Protocoles ERN inter-opérables
Protocoles de bout-en-bout
eXplicit Control Protocol
TCP
High Speed TCP
Environnements à bande passante variable
réseaux à haut débit hétérogènes.