Techniques for End-to-End Tcp Performance Enhancement Over Wireless Networks

Today’s wireless network complexity and the new applications from various user devices call for an in-depth understanding of the mutual performance impact of networks and applications. It includes understanding of the application traffic and network layer protocols to enable end-to-end application performance enhancements over wireless networks. Although Transport Control Protocol (TCP) behavior over wireless networks is well known, it remains as one of the main drivers which may significantly impact the user experience through application performance as well as the network resource utilization, since more than 90% of the internet traffic uses TCP in both wireless and wire-line networks. In this dissertation, we employ application traffic measurement and packet analysis over a commercial Long Term Evolution (LTE) network combined with an in-depth LTE protocol simulation to identify three critical problems that may negatively affect the application performance and wireless network resource utilization: (i) impact of the wireless MAC protocol on the TCP throughput performance, (ii) impact of applications on network resource utilization, and (iii) impact of TCP on throughput performance over wireless networks. We further propose four novel mechanisms to improve the end-to-end application and wireless system performance: (i) an enhanced LTE uplink resource allocation mechanism to reduce network delay and help prevent a TCP timeout, (ii) a new TCP snooping mechanism, which according to our experiments, can save about 20% of system resources by preventing unnecessary video packet transmission through the air interface, and (iii) two Split-TCP protocols: an Enhanced Split-TCP (ES-TCP) and an Advanced Split-TCP (AS-TCP), which significantly improve the application throughput without breaking the end-to-end TCP semantics. Experimental results show that the proposed ES-TCP and AS-TCP protocols can boost the TCP throughput by more than 60% in average, when exercised over a 4G LTE network. Furthermore, the TCP throughput performance improvement may be even superior to 200%, depending on network and usage conditions. We expect that these proposed Split-TCP protocol enhancements, together with the new uplink resource allocation enhancement and the new TCP snooping mechanism may provide even greater performance gains when more advanced radio technologies, such as 5G, are deployed. Thanks to their superior resource utilization efficiency, such advanced radio technologies will put to greater use the techniques and protocol enhancements disclosed through this dissertation

Moving toward the intra-protocol de-ossification of TCP in mobile networks: Start-up and mobility

182 p.El uso de las redes móviles de banda ancha ha aumentado significativamente los últimos años y se espera un crecimiento aún mayor con la inclusión de las futuras capacidades 5G. 5G proporcionará unas velocidades de transmisión y reducidos retardos nunca antes vistos. Sin embargo, la posibilidad de alcanzar las mencionadas cuotas está limitada por la gestión y rendimiento de los protocolos de transporte. A este respecto, TCP sigue siendo el protocolo de transporte imperante y sus diferentes algoritmos de control de congestión (CCA) los responsables finales del rendimiento obtenido. Mientras que originalmente los distintos CCAs han sido implementados para hacer frente a diferentes casos de uso en redes fijas, ninguno de los CCAs ha sido diseñado para poder gestionar la variabilidad de throughput y retardos de diferentes condiciones de red redes móviles de una manera fácilmente implantable. Dado que el análisis de TCP sobre redes móviles es complejo debido a los múltiples factores de impacto, nuestro trabajo se centra en dos casos de uso generalizados que resultan significativos en cuanto a afección del rendimiento: movimiento de los usuarios como representación de la característica principal de las redes móviles frente a las redes fijas y el rendimiento de la fase de Start-up de TCP debido a la presencia mayoritaria de flujos cortos en Internet. Diferentes trabajos han sugerido la importancia de una mayor flexibilidad en la capa de transporte, creando servicios de transporte sobre TCP o UDP. Sin embargo, estas propuestas han encontrado limitaciones relativas a las dependencias arquitecturales de los protocolos utilizados como sustrato (p.ej. imposibilidad de cambiar la configuración de la capa de transporte una vez la transmisión a comenzado), experimentando una capa de transporte "osificada". Esta tesis surge como respuesta a fin de abordar la citada limitación y demostrando que existen posibilidades de mejora dentro de la familia de TCP (intra-protocolar), proponiendo un marco para solventar parcialmente la restricción a través de la selección dinámica del CCA más apropiado. Para ello, se evalúan y seleccionan los mayores puntos de impacto en el rendimiento de los casos de uso seleccionados en despliegues de red 4G y en despliegues de baja latencia que emulan las potenciales latencias en las futuras capacidades 5G. Estos puntos de impacto sirven como heurísticas para decidir el CCA más apropiado en el propuesto marco. Por último, se valida la propuesta en entornos de movilidad con dos posibilidades de selección: al comienzo de la transmisión (limitada flexibilidad de la capa de transporte) y dinámicamente durante la transmisión (con una capa de transporte flexible). Se concluye que la propuesta puede acarrear importantes mejoras de rendimiento al seleccionar el CCA más apropiado teniendo en cuenta la situación de red y los requerimientos de la capa de aplicación

Design and implementation of simulation tools, protocols and architectures to support service platforms on vehicular networks

Tesis por compendioProducts related with Intelligent Transportation Systems (ITS) are becoming a reality on our roads. All car manufacturers are starting to include Internet access in their vehicles and to integrate smartphones directly from the dashboard, but more and more services will be introduced in the near future. Connectivity through "vehicular networks" will become a cornerstone of every new proposal, and offering an adequate quality of service is obviously desirable. However, a lot of work is needed for vehicular networks to offer performances similar to those of the wired networks. Vehicular networks can be characterized by two main features: high variability due to mobility levels that can reach up to 250 kilometers per hour, and heterogeneity, being that various competing versions from different vendors have and will be released. Therefore, to make the deployment of efficient services possible, an extensive study must be carried out and adequate tools must be proposed and developed. This PhD thesis addresses the service deployment problem in these networks at three different levels: (i) the physical and link layer, showing an exhaustive analysis of the physical channel and models; (ii) the network layer, proposing a forwarding protocol for IP packets; and (iii) the transport layer, where protocols are proposed to improve data delivery. First of all, the two main wireless technologies used in vehicular networks where studied and modeled, namely the 802.11 family of standards, particularly 802.11p, and the cellular networks focusing on LTE. Since 802.11p is a quite mature standard, we defined (i) a propagation and attenuation model capable of replicating the transmission range and the fading behavior of real 802.11p devices, both in line-of-sight conditions and when obstructed by small obstacles, and (ii) a visibility model able to deal with large obstacles, such as buildings and houses, in a realistic manner. Additionally, we proposed a model based on high-level performance indicators (bandwidth and delay) for LTE, which makes application validation and evaluation easier. At the network layer, a hybrid protocol called AVE is proposed for packet forwarding by switching among a set of standard routing strategies. Depending on the specific scenario, AVE selects one out of four different routing solutions: a) two-hop direct delivery, b) Dynamic MANET On-demand (DYMO), c) greedy georouting, and d) store-carry-and-forward technique, to dynamically adapt its behavior to the specific situation. At the transport layer, we proposed a content delivery protocol for reliable and bidirectional unicast communication in lossy links that improves content delivery in situations where the wireless network is the bottleneck. It has been designed, validated, optimized, and its performance has been analyzed in terms of throughput and resource efficiency. Finally, at system level, we propose an edge-assisted computing model that allows reducing the response latency of several queries by placing a computing unit at the network edge. This way, traffic traversal through the Internet is avoided when not needed. This scheme could be used in both 802.11p and cellular networks, and in this thesis we decided to focus on its evaluation using LTE networks. The platform presented in this thesis combines all the individual efforts to create a single efficient platform. This new environment could be used by any provider to improve the quality of the user experience obtainable through the proposed vehicular network-based services.Los productos relacionados con los Sistemas Inteligentes de Transporte (ITS) se están transformando en una realidad en nuestras carreteras. Todos los fabricantes de coches comienzan a incluir acceso a internet en sus vehículos y a facilitar su integración con los teléfonos móviles, pero más y más servicios se introducirán en el futuro. La conectividad usando las "redes vehiculares" se convertirá en la piedra angular de cada nueva propuesta, y ofrecer una calidad de servicio adecuada será, obviamente, deseable. Sin embargo, se necesita una gran cantidad de trabajo para que las redes vehiculares ofrezcan un rendimiento similar al de las redes cableadas. Las redes vehiculares quedan definidas por sus dos características básicas: alto dinamismo, pues los nodos pueden alcanzar una velocidad relativa de más de 250 km/h; y heterogeneidad, por la gran cantidad de propuestas diferentes que los fabricantes están lanzando al mercado. Por ello, para hacer posible el despliegue de servicios sobre ellas, se impone la necesidad de hacer un estudio en profundidad de este entorno, y deben de proponerse y desarrollarse las herramientas adecuadas. Esta tesis ataca la problemática del despliegue de servicios en estas redes a tres niveles diferentes: (i) el nivel físico y de enlace, mostrando varios análisis en profundidad del medio físico y modelos derivados para su simulación; (ii) el nivel de red, proponiendo un protocolo de difusión de la información para los paquetes IP; y (iii) el nivel de transporte, donde otros protocolos son propuestos para mejorar el rendimiento del transporte de datos. En primer lugar, se han estudiado y modelado las dos principales tecnologías inalámbricas que se utilizan para la comunicación en redes vehiculares, la rama de estándares 802.11, en concreto 802.11p; y la comunicación celular, en particular LTE. Dado que el estándar 802.11p es un estándar bastante maduro, nos centramos en crear (i) un modelo de propagación y atenuación capaz de replicar el rango de transmisión de dispositivos 802.11p reales, en condiciones de visión directa y obstrucción por pequeños obstáculos, y (ii) un modelo de visibilidad capaz de simular el efecto de grandes obstáculos, como son los edifcios, de una manera realista. Además, proponemos un modelo basado en indicadores de rendimiento de alto nivel (ancho de banda y retardo) para LTE, que facilita la validación y evaluación de aplicaciones. En el plano de red, se propone un protocolo híbrido, llamado AVE, para el encaminamiento y reenvío de paquetes usando un conjunto de estrategias estándar de enrutamiento. Dependiendo del escenario, AVE elige entre cuatro estrategias diferentes: a) entrega directa a dos saltos, b) Dynamic MANET On-demand (DYMO) c) georouting voraz, y d) una técnica store-carry-and- forward, para adaptar su comportamiento dinámicamente a cada situación. En el plano de transporte, se propone un protocolo bidireccional de distribución de contenidos en canales con pérdidas que mejora la entrega de contenidos en situaciones en las que la red es un cuello de botella, como las redes inalámbricas. Ha sido diseñado, validado, optimizado, y su rendimiento ha sido analizado en términos de productividad y eficiencia en la utilización de recursos. Finalmente, a nivel de sistema, proponemos un modelo de computación asistida que permite reducir la latencia en la respuesta a muchas consultas colocando una unidad de computación en el borde de la red, i.e., la red de acceso. Este esquema podría ser usado en redes basadas en 802.11p y en redes celulares, si bien en esta tesis decidimos centrarnos en su evaluación usando redes LTE. La plataforma presentada en esta tesis combina todos los esfuerzos individuales para crear una plataforma única y eficiente. Este nuevo entorno puede ser usado por cualquier proveedor para mejorar la calidad de la experiencia de usuario en los servicios desplegados sobre redes vehiculares.Els productes relacionats amb els sistemes intel · ligents de transport (ITS) s'estan transformant en una realitat en les nostres carreteres. Tots els fabri- cants de cotxes comencen a incloure accés a internet en els vehicles i a facilitar- ne la integració amb els telèfons mòbils, però en el futur més i més serveis s'hi introduiran. La connectivitat usant les xarxes vehicular esdevindrà la pedra angular de cada nova proposta, i oferir una qualitat de servei adequada serà, òbviament, desitjable. No obstant això, es necessita una gran quantitat de treball perquè les xarxes vehiculars oferisquen un rendiment similar al de les xarxes cablejades. Les xarxes vehiculars queden definides per dues característiques bàsiques: alt dinamisme, ja que els nodes poden arribar a una velocitat relativa de més de 250 km/h; i heterogeneïtat, per la gran quantitat de propostes diferents que els fabricants estan llançant al mercat. Per això, per a fer possible el desplegament de serveis sobre aquestes xarxes, s'imposa la necessitat de fer un estudi en profunditat d'aquest entorn, i cal proposar i desenvolupar les eines adequades. Aquesta tesi ataca la problemàtica del desplegament de serveis en aquestes xarxes a tres nivells diferents: (i) el nivell físic i d'enllaç , mostrant diverses anàlisis en profunditat del medi físic i models derivats per simular-lo; (ii) el nivell de xarxa, proposant un protocol de difusió de la informació per als paquets IP; i (iii) el nivell de transport, on es proposen altres protocols per a millorar el rendiment del transport de dades. En primer lloc, s'han estudiat i modelat les dues principals tecnologies sense fils que s'utilitzen per a la comunicació en xarxes vehiculars, la branca d'estàndards 802.11, en concret 802.11p; i la comunicació cel · lular, en partic- ular LTE. Atès que l'estàndard 802.11p és un estàndard bastant madur, ens centrem a crear (i) un model de propagació i atenuació capaç de replicar el rang de transmissió de dispositius 802.11p reals, en condicions de visió directa i obstrucció per petits obstacles, i (ii) un model de visibilitat capaç de simular l'efecte de grans obstacles, com són els edificis, d'una manera realista. A més, proposem un model basat en indicadors de rendiment d'alt nivell (ample de banda i retard) per a LTE, que facilita la validació i l'avaluació d'aplicacions. En el pla de xarxa, es proposa un protocol híbrid, anomenat AVE, per a l'encaminament i el reenviament de paquets usant un conjunt d'estratègies estàndard d'encaminament. Depenent de l'escenari , AVE tria entre quatre estratègies diferents: a) lliurament directe a dos salts, b) Dynamic MANET On-demand (DYMO) c) georouting voraç, i d) una tècnica store-carry-and- forward, per a adaptar-ne el comportament dinàmicament a cada situació. En el pla de transport, es proposa un protocol bidireccional de distribució de continguts en canals amb pèrdues que millora el lliurament de continguts en situacions en què la xarxa és un coll de botella, com les xarxes sense fils. Ha sigut dissenyat, validat, optimitzat, i el seu rendiment ha sigut analitzat en termes de productivitat i eficiència en la utilització de recursos. Finalment, a nivell de sistema, proposem un model de computació assistida que permet reduir la latència en la resposta a moltes consultes col · locant una unitat de computació a la vora de la xarxa, és a dir, la xarxa d'accés. Aquest esquema podria ser usat en xarxes basades en 802.11p i en xarxes cel · lulars, si bé en aquesta tesi decidim centrar-nos en la seua avaluació usant xarxes LTE. La plataforma presentada en aquesta tesi combina tots els esforços indi- viduals per a crear una plataforma única i eficient. Aquest nou entorn pot ser usat per qualsevol proveïdor per a millorar la qualitat de l'experiència d'usuari en els serveis desplegats sobre xarxes vehiculars.Báguena Albaladejo, M. (2017). Design and implementation of simulation tools, protocols and architectures to support service platforms on vehicular networks [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/85333TESISCompendi