TCP congestion control

Nel TCP tradizionale (Reno/NewReno), quando si verifica una perdita di pacchetto (3 ACK duplicati o timeout):

1. Il protocollo assume che il router sia pieno.
2. Dimezza ciecamente la Congestion Window ($cwnd$) e la soglia di Slow Start ($ssthresh$).
3. Riduce drasticamente la velocità di trasmissione.

Analizziamo con più precisione i due episodi di congestione:

• 3 ACK duplicati:
  • $sstresh=cwnd/2$
  • $cwnd=sshtresh$
• Timeout:
  • $sstresh=cwnd/2$
  • $cwnd=2$

Dimezzare ciecamente la cwnd è un opzione troppo azzardata e poco ottimizzata.

TCP westwood

TCP Westwood introduce un concetto chiave: la Stima della Banda Disponibile (Bandwidth Estimation - BWE). Invece di reagire "ciecamente" alla perdita, cerca di capire quanta banda è effettivamente disponibile. Il protocollo non guarda il flusso come un continuo indistinto, ma divide il tempo in intervalli discreti. Immaginiamo di scattare delle “fotografie” della rete a istanti precisi: $t_k$ (tempo attuale) e $t_{k+1}$ (tempo successivo). Tra questi due istanti ($t_k$ e $t_{k+1}$), il protocollo conta quanti ACK (conferme di ricezione) sono tornati indietro. Se tornano molti ACK, significa che i dati stanno arrivando a destinazione velocemente, invece se ne tornano pochi, la rete è lenta. Usando questi dati possiamo fare questo calcolo:

$$\text{Banda Stimata}=\frac{\text{Dati confermati (ACK)}}{\text{Tempo trascorso }(t_{k+1}-t_k)}$$

Questo dà al protocollo un’idea reale di quanto “tubo” è disponibile per far passare i dati. Le reti sono rumorose e instabili (jitter). Una singola misurazione potrebbe essere sbagliata o troppo fluttuante. Per questo motivo, si utilizza un “first order filter” (un filtro del primo ordine, solitamente un filtro passa-basso) che prende la stima appena calcolata e la media con le stime passate e ottiene una curva “liscia” e stabile della larghezza di banda, ignorando picchi improvvisi o cali momentanei.

Problema del TCP westwood

Il TCP westwood soffriva di un fenomeno chiamato ACK Compression. Immaginiamo che la rete sia lenta nel senso inverso (dal server a noi). I router potrebbero trattenere un gruppo di ACK e poi spararceli tutti insieme in un colpo solo (una raffica). Il Westwood originale, vedendo arrivare 5 ACK in un millisecondo, pensava: “Wow! 5 pacchetti in 1ms? La rete è velocissima!“. Sovrastimava la banda (vedeva picchi falsi) e non riduceva abbastanza la finestra, peggiorando la congestione. Qui l’effetto di “aliasing” (campionare il rumore invece del segnale) era fortissimo.

TCP Westwood+ (La correzione)

Questa versione è più calma con un approccio anti-aliasing. Invece di guardare ogni singolo ACK, aspetta un intero RTT.

$$\text{Banda Stimata}=\frac{\text{acked\_last\_RTT}}{RTT}$$

La formula usata per il calcolo della $cwnd$ è:

$$\text{cwnd}=\text{BWE}\times {\text{RTT}}_{min}$$

Perché questa formula?

• BWE (Larghezza di Banda stimata): È il diametro del tubo.
• RTT (Tempo di viaggio): È la lunghezza del tubo.
• Moltiplicandoli ($BWE\times RTT$): Ottieniamo il volume del tubo.

Analizzando gli episodi di congestione nel TCP Westwood, osserviamo un notevole miglioramento rispetto al TCP Reno:

• 3 ACK duplicati:
  • $sstresh={\widehat{bw}}_{k}RT{T}_{min}$
  • $cwnd=sshtresh$
• Timeout:
  • $sstresh={\widehat{bw}}_{k}RT{T}_{min}$
  • $cwnd=2$