TCP and network coding : equilibrium and dynamic properties

par Hamlet Medina Ruiz

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Michel Kieffer.

Le président du jury était Muriel Médard.

Le jury était composé de Muriel Médard, Jérôme Lacan, Daniel Lucani, Cédric Adjih, Silviu-Iulian Niculescu, Béatrice Pesquet-Popescu.

Les rapporteurs étaient Jérôme Lacan, Daniel Lucani.

  • Titre traduit

    TCP et codage réseau : équilibre et propriétés dynamiques


  • Résumé

    Lors d'une communication dans un réseau, les nœuds intermédiaires se contentent en général de retransmettre les paquets de données qu'ils reçoivent. Grâce au codage de réseau (NC), ces nœuds intermédiaires peuvent envoyer des combinaisons linéaires des paquets qu'ils ont reçus. Ceci permet une meilleure exploitation de la capacité du réseau et une plus grande robustesse à l'égard de pertes.Cette thèse s'intéresse à une implantation du NC en lien avec TCP (TCP-NC). Grâce à la redondance introduite par le NC, une partie des pertes liées à des liens sans fils peut être compensée. Elle propose en particulier un mécanisme d'adaptation de la redondance introduite par le codage de réseau. Une première partie de cette thèse est consacrée à l'analyse de la dynamique de TCP-NC avec Random Early Detection (RED) comme mécanisme de gestion des files d'attente en utilisant les outils d'optimisation convexe et issus de l’automatique. Nous caractérisons l'équilibre du réseau et les propriétés de stabilité de TCP-Reno en présence de NC. Dans une seconde partie, cette thèse propose un algorithme d'adaptation de la redondance introduite par NC. Dans TCP-NC avec redondance adaptative (TCP-NCAR), cet ajustement se fait grâce à un schéma de différenciation des pertes, qui estime la répartition des pertes entre erreurs de transmission dues aux liens sans fils et pertes liées à la congestion. Les propriétés d'équilibre et de stabilité de TCP-NCAR/RED sont caractérisées. Les résultats théoriques et de simulation montrent que TCP-NCAR adopte une redondance proche de l'optimum quand les taux de perte de paquets sur les liens sans fils sont petits. En outre, le modèle linéarisé autour de l'équilibre montre que TCP-NCAR augmente la taille de la région de stabilité de TCP-Reno.


  • Résumé

    Communication networks today share the same fundamental principle of operation: information is delivered to their destination by nodes intermediate in a store-and-forward manner.Network coding (NC) is a technique that allows intermediate nodes to send out packets that are linear combinations of previously received information. The main benefits of NC are the potential throughput improvements and a high degree of robustness, which is translated into loss resilience. These benefits have motivated deployment efforts for practical applications of NC, e.g., incorporating NC into congestion control schemes such as TCP-Reno to get a TCP-NC congestion protocol. In TCP-NC, TCP-Reno throughput is improved by sending a fixed amount of redundant packets, which mask part of the losses due, e.g., to channel transmission errors. In this thesis, we first analyze the dynamics of TCP-NC with random early detection (RED) as active queue management (AQM) using tools from convex optimization and feedback control. We study the network equilibrium point and the stability properties of TCP-Reno when NC is incorporated into the TCP/IP protocol stack. The existence and uniqueness of an equilibrium point is proved, and characterized in terms of average throughput, loss rate, and queue length. Our study also shows that TCP-NC/RED becomes unstable when delay or link capacities increases, but also, when the amount of redundant packets added by NC increases. Using a continuous-time model and neglecting feedback delays, we prove that TCP-NC is globally stable. We provide a sufficient condition for local stability when feedback delays are present. The fairness of TCP-NC with respect to TCP-Reno-like protocols is also studied. Second, we propose an algorithm to dynamically adjust the amount of redundant linear combinations of packets transmitted by NC. In TCP-NC with adaptive redundancy (TCP-NCAR), the redundancy is adjusted using a loss differentiation scheme, which estimates the amount of losses due to channel transmission errors and due to congestion. Simulation results show that TCP-NCAR outperforms TCP-NC in terms of throughput. Finally, we analyze the equilibrium and stability properties of TCP-NCAR/RED. The existence and uniqueness of an equilibrium point is characterized experimentally. The TCP-NCAR/RED dynamics are modeled using a continuous-time model. Theoretical and simulation results show that TCP-NCAR tracks the optimal value for the redundancy for small values of the packet loss rate. Moreover, simulations of the linearized model around equilibrium show that TCP-NCAR increases the size of the TCP-Reno stability region. We show that this is due to the compensator effect of the redundancy adaptation dynamics to TCP-Reno. These characteristics of TCP-NCAR allow the congestion window adaptation mechanism of TCP-Reno to react in a smooth way to channel losses, avoiding some unnecessary rate reductions, and increasing the local stability of TCP-Reno.


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