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Hop-by-Hop TCP over MANET適用於無線隨意式網路之逐節點 TCP 傳輸協定
政治大學資訊科學所指導教授 : 連耀南 教授學生 : 游逸帆2007.12.27
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Introduction Related works Our approach Performance evaluation Conclusion
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Introduction What is TCP ?
網路上被廣為使用的端對端傳輸層協定 Reliable , in-order Connection-oriented Flow controlled
TCP flow control & congestion control Trial-and-error based flow control for control congestion Sliding window mechanism
調整 window size 調整 flow 的快慢
TCP 的設計目標: 確保網路從 sender 端可以可靠的傳輸至 receiver 端,保證 p
acket 到達,在不把網路塞爆的情況下盡量利用剩餘頻寬
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Introduction (cont.)
傳統 TCP 的假設: packet loss 的最主要原因是因為網路壅塞
TCP 是用 packet loss 當成 congestion的 indicator TCP 對於所有的 loss 都當成 congestion lo
ss 來處理,並且依賴 fast retransmit 以及 time out 的機制來處理 packet loss
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Introduction (cont.)
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Challenges in Wireless Networks (cont.)
Bad Network Condition
Route Failure and Random Loss
Slowness
Falsely
Trigger
End-to-End
Congestion
Control
Retransmission
by Sender
Long Delay and
Performance
Degradation
What happen if we can retransmit not only from sender??
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Introduction (cont.)
如果我們能從每個 intermediate node進行 local 重傳,則反應封包遺失的速度可以提升
HB
H R
TT
A B C D
E2E
RT
T
A B C D
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Introduction (cont.) 傳統的 TCP 只會在兩個端點上執行
一般而言網路的中間節點都是 Router ,因此不可能會有 TCP 在第四層中
在 MANET 中每個 node 可能都是 computer ,因此我們可以 Run protocol 在各個node 上 我們利用 MANET 的這個特性,設計 Hop-by-
Hop TCP ,使封包一站一站確保傳送,期望縮短傳送的 delay time 、提升 throughput 。
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Related Works
利用網路提供的一些資訊分辨封包遺失原因以免不必要降速 ATCP (Ad Hoc TCP) TCP Muzha
運用中間節點幫助傳送封包 The transport layer revisited
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ATCP A layer called ATCP is inserted between the TCP and IP layers of the sourc
e node
ATCP listens to the network state by ECN (Explicit Congestion Notification) message
Congestion!! ICMP “Destination Unreachable” message
Network Partitioning!!
Sender can be put into 3 states: Persist State – by ICMP message Congestion Control State – by ECN message Retransmit State – by packet loss without ECN flag
Note - After receiving three duplicate ACKs, sender does not invoke congestion control and puts TCP in Persist State and quickly retransmit the loss packet from buffer ( Multipath routing or channel loss)
Recomputation of congestion window size after route re-establishment
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TCP-Muzha 藉由路由器協助,提供網路內部資訊給傳送端
在未發生擁塞前不需依賴封包遺失便可進行適度的傳輸速度控制
尋找傳送路徑中的瓶頸,進而計算出瓶頸提供的可用頻寬,藉由瓶頸所提供的資訊動態的進行流量控制以充份利用頻寬並避免產生擁塞
可辨別出封包遺失的原因是否為網路擁塞所引起或是 Random loss 而遺失並進而作相對應的處理
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Adaptive CWL (Congestion Window Limit) If the congestion window size is greater
than an upper bound, the TCP performance will degrade.
Find the BDP (Bandwidth Delay Product) of a path in MANET
They use this upper bound of BDP to dynamically adjust TCP’s max. window size
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The Transport Layer Revisited Heimlicher, Simon Baumann, Rainer May, Martin Pl
attner, Bernhard, “ The Transport Layer Revisited,” Communication Systems Software and Middleware, 2007. COMSWARE 2007.
The framework is implemented on two sublayers The hop-by-hop layer runs on every node and provides pe
r-link flow control and congestion control On this layer, data is managed in units of fragments(8 packe
ts) The end-to-end layer operates at the end points of the co
nnection, provides a reliable-byte-stream interface to the application-layer, just like TCP
Data is managed as segments, which are data units comprising a few fragments(4 fragments)
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The Transport Layer Revisited (cont.)
The end-to-end congestion control mechanism has a job similar to the congestion control algorithm of TCP: it limits the number of un-acknowledged segments on a per-connection basis.
If no acknowledgement is received for a segment for a certain period, the source needs to retransmit the segment.
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The Transport Layer Revisited (cont.)
If a packet is lost on any intermediate link, the node at the receiving side will not acknowledge the corresponding fragment and the last hop will retransmit the fragment.
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Comment 如果 sender沒收到 segment 的 ACK ,則必須重傳整
個 segment ACK 遺失則重傳 overhead相當大 Segment 的重傳使用 exponential back-off , delay time將會拉更長
若中間節點遺失一個封包,則必須重傳整個 fragment 網路環境不穩定,容易因為一個封包遺失而重新傳送沒遺失
的封包 如果網路上不止有一條 flow ,節點一次傳送整個 fra
gment時,其他 flow 的封包就必須等待較多時間,且傳送失敗的機會亦相對高。
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Summary 目前在無線隨意式網路中大部分的方法,大都著重在於利用分辨封包遺失的原因,以減少 TCP容易不必要降低傳送速率的機率,較少利用中間節點以幫助確保傳送的方法
然而在無線隨意式網路環境下,不穩定的環境使封包容易遺失 從傳送端重傳 每次從傳送端重傳會遭遇到相同的條件 造成惡性循環,不斷從傳送端重送,封包送達速度緩慢,效能低落。
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Introduction Related works Our approach Performance evaluation Conclusion
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Our approach
Hop-by-Hop TCP 我們建議讓網路中的每個 intermediate no
de 可以一站一站進行 retransmission ,提昇傳輸可靠度
每個 node 都幫忙 keep住封包 封包遺失時,只需從 Local 端重新發送,而
不需回到 sender 端重送
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Our approach (cont.) Hop-by-Hop TCP
Composed by End-to-End TCP and One-hop TCP
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設計目標 降低平均 delay time 使封包能快速送
達 減少 Number of retransmission 提升 throughput 和其它協定共存時 (NewReno) ,仍能
保有相當的效能
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TCP Design issues 速度調控 : 如何不造成 congestion 並有效
利用頻寬 Fairness 如何處理 Packet loss (End-to-End packet l
oss 如何處理 ) 如何處理 ACK loss 重傳機制 Buffer 控制 重送次數
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Hop-by-Hop TCP
利用 MANET 特性,使傳輸 delay time能降低的 protocol
由 End-to-End TCP One-Hop TCP 所組成
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End-to-End TCP 用於網路的兩個端點,確保封包能從 sender
端成功傳輸至 receiver 端的 protocol 延續 TCP Reno 的機制 不同之處:
我們將 Sender 的 congestion window 設定一個 upper bound ,使其不會過度的成長
Time Out 重傳: 採取較大的 End-to-End RTO 計算方式
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One-Hop TCP
用於相鄰兩個節點之間,提升 packet 傳輸可靠度,保證送達下一站的傳輸層協定
功能: Buffer packet 進行遺失封包的重傳
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One-Hop TCP 速度調控:
一次送一個 packet過去,等待 ACK回來,再送下個 packet
重傳: One-Hop RTO之內 downstream node 未回覆 AC
K 則重傳封包 提昇傳輸可靠度
超過 Retransmission Threshold 則不再重傳 Route Failure Congestion
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End-to-End ACK
End-to-End ACK : 傳統 TCP 中 Receiver 傳送至 Sender 的 AC
K 提昇 End-to-End ACK 存活率:
Receiver 端使用 One-Hop TCP 機制,將 End-to-End ACK 一站一站確保傳輸成功,傳送至 Sender 端
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Our approach (cont.)
StartBuffer,Return LACK/Receive packet when another packet is outgoing
Buffer, Return LACK, Send/Receive packet and no packet is outgoing
Purge buffer,Cancel timer/Receive LACKSet no packet is outgoing/Buffer empty
Send/Other packet in buffer
Retransmit from buffer/Timeout and retry times<=5
Ready
Done
Wait
Drop packet, Cancel timer/Timeout and retry times >5
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Our approach (cont.)Event Status Behavior of received node Next state
Receive packet when another on the air
Ready 檢查是否重複封包,若不是則暫存此封包 ,;回覆此封包之 Local ACK,若反方向有封包欲傳送,則 piggyback上去
Ready
Receive packet and no packet is outgoing
Ready 檢查是否重複封包,若不是則暫存此封包 ,;回覆此封包之 Local ACK,若反方向有封包欲傳送,則 piggyback上去;送出封包、開始計時器
Wait
Local Timeout and retry times less then 6
Wait 重傳超時的封包;重新開始計時器 Wait
Local Timeout and retry times large then 5
Wait 從暫存器清除重傳超過五次的封包;停止計時器 Done
Receiving a LACK from downstream node
Wait 停止計時器;清除暫存器內相對應封包 Done
Other Packet in Buffer Done 送出暫存器內的下一個封包,並開始計時器 Wait
Buffer empty Done 設定為無封包正在傳送,等待接收下一個封包 Ready
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How to reduce overhead 為了要減少過多 ACK 的 overhead ,我們將 Local AC
K for E2E ACK 封包及 Loacl ACK 封包分別利用 Piggybacking 的方式搭在 Data 封包及 End-to-End ACK 封包上。
Header新增 piggyback_ 欄位 Forward :
Data Local ACK for E2E ACK
Backward : End-to-End ACK Local ACK
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How to reduce overhead
Data
ACKforE2E
Sender
Receiver
ONEHOP
ACK
Data
ACKforE2E
Data
ACKforE2E
ONEHOP
ACK
ONEHOP
ACK
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收到資料封包流程
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Introduction Related work Our approach Performance evaluation Conclusion
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Performance Evaluation
本研究將以 NS-2模擬器評估我們提出的方法,驗證我們的機制可以降低傳輸的delay time ,提升效能
測試環境:我們的研究將以 NS-2模擬器模擬MANET環境,在 MANET 中使用 TCP通訊協定進行資料傳輸。
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Performance Evaluation 實驗 scenario :
在 MANET 下比較 Hop-by-Hop TCP與不同版本的TCP ,在不同參數下的表現
評估指標: Average Delay Time Average Throughput Retransmission CWND (congestion window size) 的變化狀況 Fairness Index
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實驗設計1. Performance Test
觀察 Hop-by-Hop TCP 在不同變因下的整體效能 調整 hop count 調整 error rate 調整 buffer size 調整 bandwidth 調整 window size
2. Fairness Test1. 觀察多協定共存狀態下的公平性 (Fairness)
和 Reno共存的情形2. 觀察有多個 Hop-by-Hop TCP flow 並存時的情形
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實驗 1Performance Test 實驗目標
觀察在單一 TCP 的情況下, Hop-by-Hop TCP 機制的整體效能。
實驗流程 一個傳送端、一個接收
端中間隔著數個中間節點
改變 buffer size 、 error rate 、 hop count來觀察
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39
Topology
觀察 整體效能的變化
Simulation 1
CWND Upper Bound
4
Bandwidth 0.5Mbps~1Mbps
Error Rate 0.0~0.2
Number of Nodes 5~11
實驗參數
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40
Delay at different Number of hops
在封包容易遺失的 MANET 中,遺失的封包直接從 local 端快速重傳而不必由 sender 端重傳
能縮短 20%以上的 Delay time
Delay v.s. Number of hops(window =4, loss rate=0.0 )
0
250
500
4 5 6 7 8 9 10
Number of hops
Dela
y[ms
] NewReno
Hop-by-HopTCPVegas
Sack
Delay v.s. Number of hops(window =4, loss rate=0.1 )
0
500
1000
1500
2000
4 5 6 7 8 9
Number of hopsDe
lay[
ms]
NewReno
Hop-by-HopTCPVegas
Sack
Delay v.s. Number of hops(window =4, loss rate=0.2 )
1000
2000
3000
4000
5000
4 5 6 7 8
Number of hops
Dela
y[ms
] NewReno
Hop-by-HopTCPVegas
Sack
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41
Delay at different Number of hops (cont.)
Delay v.s. Number of hops(window =4, loss rate=0.0 )
0
250
500
750
4 5 6 7 8 9 10
Number of hops
Dela
y[ms
] NewReno
Hop-by-HopTCPVegas
Sack
Delay v.s. Number of hops(window =4, loss rate=0.1 )
010002000300040005000
4 5 6 7 8 9
Number of hopsDe
lay[
ms] NewReno
Hop-by-HopTCPVegas
SackDelay v.s. Number of hops(window =4, loss rate=0.2 )
1000
3000
5000
7000
9000
4 5 6 7 8
Number of hops
Dela
y[ms
] NewReno
Hop-by-HopTCPVegas
Sack
可用頻寬不多時,封包遺失的傷害相對較大,提升封包傳輸可靠度也能縮短傳輸時間
能縮短 15%以上的 Delay time
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42
Throughput at different Number of hops
在封包容易遺失的 MANET 中,中間節點一站一站確保傳送成功,使得封包到達的機率提升
能提升 25%以上的 throughput
Throughput v.s. Number of hops(window =4, loss rate=0.0 )
0
50
100
150
200
4 5 6 7 8 9 10
Number of hops
Thr
ough
put[K
pbs] NewReno
Hop-by-HopTCPVegas
Sack
Throughput v.s. Number of hops(window =4, loss rate=0.1 )
01020304050
4 5 6 7 8 9 10
Number of hops
Thro
ughp
ut[K
pbs] NewReno
Hop-by-HopTCPVegas
Sack
Throughput v.s. Number of hops(window =4, loss rate=0.2 )
0
5
10
15
4 5 6 7 8 9 10
Number of hops
Thr
ough
put[K
pbs] NewReno
Hop-by-HopTCPVegas
Sack
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43
Throughput at different Number of hops (cont.)
可用頻寬不多時不穩定的環境下能提升 20%以上的 throughput
Throughput v.s. Number of hops(window =4, loss rate=0.0 )
01020304050
4 5 6 7 8 9 10
Number of hops
Thr
ough
put[K
pbs] NewReno
Hop-by-HopTCPVegas
Sack
Throughput v.s. Number of hops(window =4, loss rate=0.1 )
05
10152025
4 5 6 7 8 9 10
Number of hopsTh
roug
hput
[Kpb
s] NewReno
Hop-by-HopTCPVegas
SackThroughput v.s. Number of hops(window =4, loss rate=0.2 )
02468
10
4 5 6 7 8 9 10
Number of hops
Thr
ough
put[K
pbs] NewReno
Hop-by-HopTCPVegas
Sack
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44
Retransmission Rate
Number of Retransmission(error rate=0.0, window=4)
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
4 5 6 7 8 9
Number of Hops
Retra
nsmi
ssion
rate NewReno
Hop-by-Hop TCPVegas
Sack
Number of Retransmission(error rate=0.1, window=4)
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
4 5 6 7 8 9
Number of Hops
Retra
nsmi
ssion
rate NewReno
Hop-by-Hop TCPVegas
Sack
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45
Number of control message v.s. Data packet
Number of control message(LACK+E2E ACK's LACK) v.s. Datapacket (TCP+ACK)
0
1000
2000
3000
4000
4hop 5hop 6hop 7hop 8hop 9hop
Number of hops
Num
ber of
pac
kets(p
kt) data with piggyback
data withoutpiggyback
control message withpiggyback
control messagewithout piggyback
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46
Change of Congestion window size
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47
Summary-實驗一
在不穩定的網路環境中,遺失的封包能從 local 端立刻重傳,平均延遲時間比 NewReno 縮短了 20%以上,整體效能高於 25%以上
不會因為 MANET 不穩定的環境遺失封包而影響 congestion window size ,造成傳輸速度不必要的降低
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48
實驗 2Fairness Test 公平性 (Fairness)
在網路上不完全採用同一版本 TCP時,會有共存的問題
TCP Vegas 的一個問題便是它和 TCP Reno共存時會因為 Reno採用較具侵略性的擁塞控制方法,因此在共存時, Vegas效能差了很多
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49
Performance Evaluation Fairness test 1
Cross Topology 4 hops, 6 hops, and 8 hops Bandwidth : 1Mb/s Simulation time: 100 sec Two Sets
TCP Vegas, TCP NewReno Hop-by-Hop TCP, TCP Ne
wReno
Fairness test 2 Throughput dynamics
TCP Flow 1
TCP Flow 2
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50
Fairness Index
Fairness Index Jain’s Fairness Index [ ]
n: Number of Flow
χi : Throughput of the i-th Flow
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51
Fairness Test 1
Fairness comparison - Throughput
Fairness Test 1 (Cross Topology)
0
50
100
150
4hop 6hop 8hop
Number of Hop
Avg
. Thr
ough
put (
Kpb
s)
NewReno
Vegas
Fairness Test 2 (Cross Topology)
0
50
100
150
4hop 6hop 8hop
Number of Hop
Avg
. Thr
ough
put (
Kpb
s)
NewReno
Hop-by-Hop TCP
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52
Fairness Test 1
Fairness comparison – Jain’s Index
Fairness Index (Vegas vs. NewReno)
0
0.20.4
0.60.8
11.2
4hop 6hop 8hop
Number of Hop
Vegas vs. NewReno
Fairness Index (Hop-by-Hop TCP vs. NewReno)
0
0.20.4
0.60.8
11.2
4hop 6hop 8hop
Number of Hop
Hop-by-Hop TCP vs.NewReno
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53
實驗 2Fairness Test Fairness test 1
Cross Topology 4 hops, 6 hops, and 8 hops Bandwidth : 1Mb/s Simulation time: 100 sec Two Sets
TCP Vegas, TCP NewReno Hop-by-Hop TCP, TCP NewReno
Fairness test 2 Throughput dynamics Three flows, each starts at different times
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54
Fairness Test 2Jain's Fairness Index
0.50.60.70.80.9
1
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
Time(sec)
NewReno
Jain's Fairness Index
0.50.60.70.80.9
1
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
Time(sec)
Hop-by-HopTCP
Throughput Dynamics(NewReno error rate=0.0, window=4)
0
1
2
3
4
5
6
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30
Time(sec)
Con
gest
ion
win
dow
siz
e(pk
ts)
cwnd0.0
cwnd10.0
cwnd20.0
Throughput Dynamics(HBH TCP error rate=0.0, window=4)
0
1
2
3
4
5
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30
Time(sec)
Con
gest
ion
win
dow
siz
e(pk
ts)
cwnd0.0
cwnd10.0
cwnd20.0
![Page 55: 1 Hop-by-Hop TCP over MANET 適用於無線隨意式網路之逐節點 TCP 傳輸協定 政治大學資訊科學所 指導教授 : 連耀南 教授 學生 : 游逸帆 2007.12.27](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062221/56649d6a5503460f94a48f8d/html5/thumbnails/55.jpg)
55
Fairness Test 2 Fairness comparison – Jain’s Index
Jain's Fairness Index
0.50.60.70.80.9
1
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
Time(sec)
NewReno
Hop-by-HopTCP
2 flows 3 flows
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56
Fairness Test 2
Fairness Test 2
0
10
20
30
40
50
flow0 flow1 flow2
Avg.
Throu
ghpu
t (Kpb
s)
NewReno
Hop-by-Hop TCP
Fairness Test 2
0
20
40
60
80
100
120
140
0~10 10~20 20~30
Avg.
Throu
ghpu
t (Kpb
s)
Hop-by-Hop TCP flow0
Hop-by-Hop TCP flow1
Hop-by-Hop TCP flow2
NewReno flow0
NewReno flow1
NewReno flow2
Fairness comparison - Throughput
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57
Fairness Test 2 Fairness comparison – Jain’s Index
Fairness Comparison(3flow)
0
0.2
0.40.6
0.8
1
1.2
3flow fairness flow0,1 10~20 flow0,1,2 20~30
Number of Flow
NewReno
Hop-by-Hop TCP
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58
Summary-實驗二 我們的方法承襲了 Reno 的擁塞控制機制
雖然效能略有下降,不至於因為 Reno較侵略性擁塞控制方法而使得效能降低過多
因此相對於 Vegas 能有較好的公平性 在多條 flow時候能達到同步化,可用頻寬較
一致 每條 flow 在每個節點皆一次傳送一個封包 晚到的 flow也能一起競爭頻道傳送,因此公平性較佳
![Page 59: 1 Hop-by-Hop TCP over MANET 適用於無線隨意式網路之逐節點 TCP 傳輸協定 政治大學資訊科學所 指導教授 : 連耀南 教授 學生 : 游逸帆 2007.12.27](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062221/56649d6a5503460f94a48f8d/html5/thumbnails/59.jpg)
59
Outline
Introduction Related work Our approach Performance evaluation Conclusion
![Page 60: 1 Hop-by-Hop TCP over MANET 適用於無線隨意式網路之逐節點 TCP 傳輸協定 政治大學資訊科學所 指導教授 : 連耀南 教授 學生 : 游逸帆 2007.12.27](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062221/56649d6a5503460f94a48f8d/html5/thumbnails/60.jpg)
60
Conclusion & Future work 我們提出了一個運用中間節點的 TCP Layer 幫忙確保
傳送的想法 經過實驗驗證所提出的想法是可行的 在不穩定的網路中可有優於 NewReno 及 Vegas 的平均吞吐量及延遲時間
和 NewReno共存的環境下則效能高於 Vegas 同步化的公平性優於 NewReno 使用中間節點幫忙傳輸的想法及細節還有很多可以改
進的地方 與下層協定的結合 將其他可能影響的參數列入考量 (queue size 、 RTT) 以提升效能。
![Page 61: 1 Hop-by-Hop TCP over MANET 適用於無線隨意式網路之逐節點 TCP 傳輸協定 政治大學資訊科學所 指導教授 : 連耀南 教授 學生 : 游逸帆 2007.12.27](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062221/56649d6a5503460f94a48f8d/html5/thumbnails/61.jpg)
61
Q & A
謝謝!