On detection algorithms for spurious retransmissions in TCP

In TCP, a spurious packet retransmission can be caused by either spurious timeout (STO) or spurious fast retransmit (SFR). The "lost" packets are unnecessarily retransmitted and the evoked congestion control process causes network underutilization. In this paper, we focus on spurious retransmission detection. We first present a survey on some important and interesting spurious retransmission detection algorithms. Based on the insights obtained, we propose a novel yet simple detection algorithm called split-and-retransmit (SnR). SnR only requires a minor modification to the TCP sender while leaving the receiver intact. The key idea is to split the retransmitted packet into two smaller ones before retransmitting them. As the packet size is different, the ACK triggered will carry different ACK numbers. This allows the sender to easily distinguish between the original transmission and the retransmission of a packet without relying on, e.g., TCP options. We then compare our SnR with STODER, F-RTO and Newreno under both loss-free and lossy network environments. We show that our SnR is resilient to packet loss and yields good performance under various simulation settings. ©2010 IEEE.published_or_final_versionThe 2010 IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), Sydney, Australia, 18-21 April 2010. In Proceedings of WCNC, 2010, p. 1-

SCTP robusto a retransmisiones espúreas

El objetivo de este artículo es contribuir en los aspectos relacionados con la degradación de performance en los protocolos de transporte confiables, ante el fenómeno de congestión de las redes globales, en particular tomando como modelo de referencia SCTP (Stream Control Transmission Protocol). Al problema de la congestión se suman el reordenamiento de paquetes y el cambio brusco del round-trip-time, muy común en redes wireless. Estos comportamientos de la red subyacente producen una seria degradación de la performance de los protocolos de transporte . Se propone para SCTP un mecanismo adaptativo con el fin de disminuir la ocurrencia de los denominados falsos timeouts y falsos fast retransmits, que producen degradación en performance y la subutilización de recursos, principalmente de ancho de banda y buffers. La extensión del protocolo SCTP que incluimos la denominamos “RR-SCTP”.The objective of this paper is to contribute to the analysis of degradation of performance in realible transport protocols in the presence of global networks congestion assuming, as the reference model, the case of the SCTP (Stream Control Transmission Protocol). Beyond the question of congestion, this study addresses packages reordering and round-trip-time abrupt changes that are very common in wireless networks. With the current congestion control mechanisms, these underlying network behaviors significantly degrade the performance of the transport protocols. We propose an adaptive algorithm for the SCTP that will diminish the frequency of the “false timeouts” and the “false fast retransmits”. These issues both degrade performance and impede the maximum utilization of resources (principally, the bandwidth and the buffers).We call our SCTP protocol extension "RR-SCTP".I Workshop de Arquitecturas, Redes y Sistemas Operativos (WARSO)Red de Universidades con Carreras en Informática (RedUNCI

Concurrent Multipath Transfer: Scheduling, Modelling, and Congestion Window Management

Known as smartphones, multihomed devices like the iPhone and BlackBerry can simultaneously connect to Wi-Fi and 4G LTE networks. Unfortunately, due to the architectural constraints of standard transport layer protocols like the transmission control protocol (TCP), an Internet application (e.g., a file transfer) can use only one access network at a time. Due to recent developments, however, concurrent multipath transfer (CMT) using the stream control transmission protocol (SCTP) can enable multihomed devices to exploit additional network resources for transport layer communications. In this thesis we explore a variety of techniques aimed at CMT and multihomed devices, such as: packet scheduling, transport layer modelling, and resource management. Some of our accomplishments include, but are not limited to: enhanced performance of CMT under delay-based disparity, a tractable framework for modelling the throughput of CMT, a comparison of modelling techniques for SCTP, a new congestion window update policy for CMT, and efficient use of system resources through optimization. Since the demand for a better communications system is always on the horizon, it is our goal to further the research and inspire others to embrace CMT as a viable network architecture; in hopes that someday CMT will become a standard part of smartphone technology

Détection des événements de congestion de TCP

Ces dernières années ont vu un intérêt croissant pour l'étude de la mesure des flots TCP. Plusieurs méthodes ont été proposées afin d'estimer de façon précise et rapide le taux de perte des paquets. Toutefois, et à notre meilleure connaissance, l'estimation et l'identification des événements de congestion TCP ne sont actuellement pas adressées. Suite à la standardisation de TFRC (TCP Friendly Rate Control), nous assistons à un intérêt croissant pour les protocoles de transport utilisant un contrôle de congestion de type rate-based. Aussi, ce type de contrôle de congestion repose sur la même base métrologique que celle de TCP. Dans ce contexte, la détermination précise des événements de congestion (CE) est un élément clé. En effet, ces derniers donnent une information essentielle pour le calcul d'un débit d'émission qui soit équivalent à celui de TCP dans les mêmes conditions. L'objet de cet article est de mieux identifier les CE de TCP afin de fournir une référence précise à ces nouveaux protocoles. Nous vérifions dans cette étude que TCP n'identifie pas de manière efficace les CE du réseau et proposons une méthode capable de mieux les déterminer. Cette détection est effectuée passivement à partir de la capture temps réel des paquets d'un flot TCP

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

Cross-layer Assisted TCP Algorithms for Vertical Handoff

The ever expanding growth of the wireless access to the Internet in recent years has led to the proliferation of wireless and mobile devices to connect to the Internet. This has created the possibility of mobile devices equipped with multiple radio interfaces to connect to the Internet using any of several wireless access network technologies such as GPRS, WLAN and WiMAX in order to get the connectivity best suited for the application. These access networks are highly heterogeneous and they vary widely in their characteristics such as bandwidth, propagation delay and geographical coverage. The mechanism by which a mobile device switches between these access networks during an ongoing connection is referred to as vertical handoff and it often results in an abrupt and significant change in the access link characteristics. The most common Internet applications such as Web browsing and e-mail make use of the Transmission Control Protocol (TCP) as their transport protocol and the behaviour of TCP depends on the end-to-end path characteristics such as bandwidth and round-trip time (RTT). As the wireless access link is most likely the bottleneck of a TCP end-to-end path, the abrupt changes in the link characteristics due to a vertical handoff may affect TCP behaviour adversely degrading the performance of the application. The focus of this thesis is to study the effect of a vertical handoff on TCP behaviour and to propose algorithms that improve the handoff behaviour of TCP using cross-layer information about the changes in the access link characteristics. We begin this study by identifying the various problems of TCP due to a vertical handoff based on extensive simulation experiments. We use this study as a basis to develop cross-layer assisted TCP algorithms in handoff scenarios involving GPRS and WLAN access networks. We then extend the scope of the study by developing cross-layer assisted TCP algorithms in a broader context applicable to a wide range of bandwidth and delay changes during a handoff. And finally, the algorithms developed here are shown to be easily extendable to the multiple-TCP flow scenario. We evaluate the proposed algorithms by comparison with standard TCP (TCP SACK) and show that the proposed algorithms are effective in improving TCP behavior in vertical handoff involving a wide range of bandwidth and delay of the access networks. Our algorithms are easy to implement in real systems and they involve modifications to the TCP sender algorithm only. The proposed algorithms are conservative in nature and they do not adversely affect the performance of TCP in the absence of cross-layer information.Käytämme enenevissä määrin kannettavia päätelaitteita (esim. matkapuhelin, kannettava tietokone) erilaisiin sovelluksiin kuten sähköpostin lukemiseen, verkon selaamiseen, musiikin lataamiseen ja kuuntelemiseen, pelien pelaamiseen ja laskujen maksamiseen riippumatta olinpaikastamme tai liikkuvuudestamme. Pystymme yhdistämään laitteemme Internetiin milloin tahansa missä tahansa. Langattomat verkot, jotka mahdollistavat laitteen kytkemisen Internetiin radion kautta käyttävät moninaisia teknologioita ja eroavat laajalti ominaisuuksiltaan. Esimerkiksi langaton lähiverkko (WLAN), jota voidaan käyttää rakennuksen sisällä, on matkapuhelinverkkoa (esim. GPRS) nopeampi verkko, kun taas GPRS-kenttä voi ulottua kokonaisen kaupungin tai maan alueelle ja laajemmallekin. Kannettava päätelaite, jossa on monia radioliittymiä, voi siirtyä käyttämään mitä tahansa monista saatavilla olevistaverkoista riippuen olinpaikasta tai käytettävän sovelluksen tarpeista. Verkonvaihto viittaa tähän verkosta toiseen siirtymiseen, ja se tunnetaan vertikaalisena verkonvaihtona, kun siirtymisen kohteena olevien verkkojen teknologia eroaa toisistaan. TCP on tietoliikenneohjelmisto, jota sekä tiedon lähettäjä että vastaanottaja käyttävät kuljettamaan sovelluksen tiedon luotettavasti. TCP säätelee tiedon lähetysnopeutta riippuen Internetin resurssien saatavuudesta. TCP:n käyttäytyminen riippuu päästä-päähän polun ominaisuuksista ja erityisesti pullonkaulayhteydestä, siitä yhteydestä, jolla on minimikapasiteetti polulla. Langaton yhteys, joka yhdistää kannettavan laitteen Internetiin on usein pullonkaulayhteys, ja äkillinen muutos sen ominaisuuksissa vertikaalisen siirtymän aikana vaikuttaa merkittävästi TCP:n suorituskykyyn ja siten koko sovelluksen laatuun. Tämä työssä on keskitytty tutkimaan TCP:n toimintaa vertikaalisessa verkonvaihdon yhteydessä ja suunnittelemaan algoritmeja, jotka parantavat sen suorituskykyä vertikaalisen verkonvaihdon yhteydessä. Suunnitellut algoritmit käyttävät hyväksi tietoa vertikaaliseen verkonvaihtoon liittyvien langattomien yhteyksien ominaisuuksista. Ensimmäinen tapaustutkimuskohde liittyy WLAN-GPRS -ympäristöön, jossa TCP saa minimimäärän tietoa verkonvaihtoon liittyen. Tulokset näyttävät, että TCP:n suorituskykyä voidaan parantaa huomattavasti. Tutkimusta on laajennettu kattamaan verkonvaihto yleisemmässä tapauksessa käyttäen karkeita arvioita ko. verkkojen ominaisuuksista. Kehitettyjen algoritmien toiminnallisuus on evaluoitu simulaatiokokeilla kattaen laajan joukon ominaisuuksiltaan erilaisia verkkoja. Tulokset osoittavat, että TCP-suorituskykyä voidaan parantaa vertikaalisen verkonvaihdon yhteydessä huomattavasti tätä lähestymistapaa käyttäen. Kehitetyt algoritmit voivat olla hyödyksi etsiessämme ratkaisuja kannettavien laitteiden todellisen käytön tarpeisiin

Analysis and Automated Discovery of Attacks in Transport Protocols

Transport protocols like TCP and QUIC are a crucial component of today’s Internet, underlying services as diverse as email, file transfer, web browsing, video conferencing, and instant messaging as well as infrastructure protocols like BGP and secure network protocols like TLS. Transport protocols provide a variety of important guarantees like reliability, in-order delivery, and congestion control to applications. As a result, the design and implementation of transport protocols is complex, with many components, special cases, interacting features, and efficiency considerations, leading to a high probability of bugs. Unfortunately, today the testing of transport protocols is mainly a manual, ad-hoc process. This lack of systematic testing has resulted in a steady stream of attacks compromising the availability, performance, or security of transport protocols, as seen in the literature. Given the importance of these protocols, we believe that there is a need for the development of automated systems to identify complex attacks in implementations of these protocols and for a better understanding of the types of attacks that will be faced by next generation transport protocols. In this dissertation, we focus on improving this situation, and the security of transport protocols, in three ways. First, we develop a system to automatically search for attacks that target the availability or performance of protocol connections on real transport protocol implementations. Second, we implement a model-based system to search for attacks against implementations of TCP congestion control. Finally, we examine QUIC, Google’s next generation encrypted transport protocol, and identify attacks on availability and performance