Stochastic scheduling and its application to TCP/IP networks

par Urtzi Ayesta

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Konstantin Avrachenkov.

Soutenue en 2004

à Nice .

mots clés

• Internet
• TCP/IP (protocole de réseaux d'ordinateurs)
• Ordonnancement (gestion)
• Temps partagé (informatique)

Titre traduit

Ordonnancement stochastique et application aux réseaux TCP/IP

Résumé

Cette thèse contient des travaux de recherche concernant la performance des connexions courtes dans l’Internet, l’analyse des politiques d’ordonnancement et l’étude des politiques à temps partagé avec plusieurs classes. D’abord, nous avons observé que le protocole TCP n’est pas très efficace lorsqu’il y a des paquets perdus et que la taille de la fenêtre de congestion est petite. Nous proposons une modification de TCP afin de corriger cette défaillance du protocole TCP. Ensuite, nous étudions des mécanismes de priorités dans les routeurs où les premiers paquets de chaque connexion sont classés avec priorité haute. Afin d’étudier la performance obtenue par un tel mécanisme, nous avons analysé les politiques d’ordonnancement connus comme « Multi-level Processor Sharing » (MLPS), qui forme un sous-ensemble dans la classe de politique d’ordonnancement qui connaissent seulement l’âge des clients. Nous comparons la performance de politique MLPS avec une politique à temps partagé « processor sharing » (PS). D’abord, nous prouvons que lorsque le « hazard-rate » de la distribution du temps de service est décroissante, une discipline MLPS à deux niveaux diminue le temps moyen de séjour dans un système PS. Dans le courant de nos travaux, nous avons dû étudier une politique d’ordonnancement à temps partagé avec des arrivées en rafales pour laquelle nous avons prouvé de nouveaux résultats qui étaient inconnus précédemment. Enfin, nous avons étudié un système à temps partagé avec plusieurs classes.

Résumé

This thesis contains original research results concerning the performance analysis of short TCP connections in the Internet, the study of scheduling disciplines and the analysis of multi-class single-server queues. First of all we develop a fixed-point based mathematical model for the calculation of the main transfer time of a TCP connection. We observe that TCPs loss recovery mechanism performs poorly when the congestion window size is small. To overcome this deficiency we propose to reduce, under certain restrictive circumstances, the number of duplicate ACKs required retransmitting a packet. Then we study priority mechanisms at the routers in order to provide preferential treatment to the first part of each TCP connection. In order to study the performance of such a mechanism we analyze the set of scheduling discipline referred as Multi-Level Processor Sharing (MLPS). We compare the performance of MLPS disciplines with performance provided by an egalitarian Processor-Sharing discipline (PS). First we show that if the hazard-rate of the service time distribution is decreasing, the MLPS disciplines reduce the expected number of active jobs in the system with respect to a PS discipline. Moreover, we show that very long jobs obtain similar expected throughput under both policies MLPS and PS. It turns out that for the analyze a PS queue with batch arrival ; for which we have shown results that enhance the current state-of-the-art. Finally, we have analyzed several issues concerning single-server multi-class queues : we have developed a conservation-law and we have analyzed the Discriminatory Processor Sharing model.