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A fuzzy logic based controller to provide end-to-end congestion control for streaming media applications

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Material Information

Title:
A fuzzy logic based controller to provide end-to-end congestion control for streaming media applications
Physical Description:
Book
Language:
English
Creator:
Pavlick, Bay
Publisher:
University of South Florida
Place of Publication:
Tampa, Fla.
Publication Date:

Subjects

Subjects / Keywords:
Fuzzy inference system
Congestion collapse
Tcp friendliness
Udp
Voice and video applications
Dissertations, Academic -- Computer Science -- Masters -- USF   ( lcsh )
Genre:
government publication (state, provincial, terriorial, dependent)   ( marcgt )
bibliography   ( marcgt )
theses   ( marcgt )
non-fiction   ( marcgt )

Notes

Summary:
ABSTRACT: The stability of the Internet is at risk if the amount of voice and video traffic continues to increase at the current pace. While current transport layer protocols do work well for most applications, they still present some problems. TCP is reliable, tracks the state of some network conditions and reacts drastically to an indication of congestion. TCP serves data-oriented applications very well but it can lead to unacceptably low quality for streaming applications by multiplicatively reducing the congestion window upon a sign of congestion. The other main transport layer protocol, UDP, provides good service for streaming applications but is not friendly to TCP and can cause the well-known existing congestion collapse problem in the Internet.This thesis proposes a new protocol to provide a good service for voice and video applications while being friendly to TCP and solving the congestion collapse problem.The protocol utilizes a fuzzy logic controller that considers network related information to govern the applications sending rate while satisfying the users needs. Using network information such as the available bandwidth, Packet Loss Rates (PLR), and Round Trip Times (RTT) a fuzzy inference system optimizes the applications send rate to meet the requested rate in a smooth manner without wasting network resources unnecessarily. The fuzzy logic controller is designed and its performance evaluated using MATLAB model simulations. The results indicate that the fuzzy controller solves the congestion collapse problem by reducing the number of undelivered packets into the network by nearly 100%. It provides smooth transition changes as demonstrated by the controlled UDP flow utilizing an estimated 44% more of the available bandwidth to smooth the send rate than the TCP flow in a highly varying bandwidth environment.
Thesis:
Thesis (M.S.C.S.)--University of South Florida, 2005.
Bibliography:
Includes bibliographical references.
System Details:
System requirements: World Wide Web browser and PDF reader.
System Details:
Mode of access: World Wide Web.
Statement of Responsibility:
by Bay Pavlick.
General Note:
Title from PDF of title page.
General Note:
Document formatted into pages; contains 63 pages.

Record Information

Source Institution:
University of South Florida Library
Holding Location:
University of South Florida
Rights Management:
All applicable rights reserved by the source institution and holding location.
Resource Identifier:
aleph - 001670383
oclc - 62322197
usfldc doi - E14-SFE0001253
usfldc handle - e14.1253
System ID:
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Pavlick, Bay.
2 245
A fuzzy logic based controller to provide end-to-end congestion control for streaming media applications
h [electronic resource] /
by Bay Pavlick.
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[Tampa, Fla.] :
b University of South Florida,
2005.
502
Thesis (M.S.C.S.)--University of South Florida, 2005.
504
Includes bibliographical references.
516
Text (Electronic thesis) in PDF format.
538
System requirements: World Wide Web browser and PDF reader.
Mode of access: World Wide Web.
500
Title from PDF of title page.
Document formatted into pages; contains 63 pages.
520
ABSTRACT: The stability of the Internet is at risk if the amount of voice and video traffic continues to increase at the current pace. While current transport layer protocols do work well for most applications, they still present some problems. TCP is reliable, tracks the state of some network conditions and reacts drastically to an indication of congestion. TCP serves data-oriented applications very well but it can lead to unacceptably low quality for streaming applications by multiplicatively reducing the congestion window upon a sign of congestion. The other main transport layer protocol, UDP, provides good service for streaming applications but is not friendly to TCP and can cause the well-known existing congestion collapse problem in the Internet.This thesis proposes a new protocol to provide a good service for voice and video applications while being friendly to TCP and solving the congestion collapse problem.The protocol utilizes a fuzzy logic controller that considers network related information to govern the applications sending rate while satisfying the users needs. Using network information such as the available bandwidth, Packet Loss Rates (PLR), and Round Trip Times (RTT) a fuzzy inference system optimizes the applications send rate to meet the requested rate in a smooth manner without wasting network resources unnecessarily. The fuzzy logic controller is designed and its performance evaluated using MATLAB model simulations. The results indicate that the fuzzy controller solves the congestion collapse problem by reducing the number of undelivered packets into the network by nearly 100%. It provides smooth transition changes as demonstrated by the controlled UDP flow utilizing an estimated 44% more of the available bandwidth to smooth the send rate than the TCP flow in a highly varying bandwidth environment.
590
Adviser: Dr. Miguel Labrador.
Co-adviser:
653
Fuzzy inference system.
Congestion collapse.
Tcp friendliness.
Udp.
Voice and video applications.
0 690
Dissertations, Academic
z USF
x Computer Science
Masters.
773
t USF Electronic Theses and Dissertations.
4 856
u http://digital.lib.usf.edu/?e14.1253



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A F u z z y L o g i c B a s e d C o n t r o l l e r t o P r o v i d e E n d T o E n d C o n g e s t i o n C o n t r o l f o r S t r e a m i n g M e d i a A p p l i c a t i o n s b y B a y P a v l i c k A t h e s i s s u b m i t t e d i n p a r t i a l f u l f i l l m e n t o f t h e r e q u i r e m e n t s f o r t h e d e g r e e o f M a s t e r o f S c i e n c e i n C o m p u t e r S c i e n c e D e p a r t m e n t o f C o m p u t e r S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g C o l l e g e o f E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f S o u t h F l o r i d a M a j o r P r o f e s s o r : M i g u e l A L a b r a d o r P h D K e n n e t h J C h r i s t e n s e n P h D D e w e y J R u n d u s P h D D a t e o f A p p r o v a l : J u l y 5 2 0 0 5 K e y w o r d s : f u z z y i n f e r e n c e s y s t e m c o n g e s t i o n c o l l a p s e t c p f r i e n d l i n e s s u d p v o i c e a n d v i d e o a p p l i c a t i o n s C o p y r i g h t 2 0 0 5 B a y P a v l i c k

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i T a b l e o f C o n t e n t s L i s t o f F i g u r e s i i A b s t r a c t i v C h a p t e r O n e I n t r o d u c t i o n 1 1 1 I n t r o d u c t i o n a n d M o t i v a t i o n s 1 1 2 C o n t r i b u t i o n s o f t h e T h e s i s 4 1 3 O u t l i n e o f t h e T h e s i s 5 C h a p t e r T w o – L i t e r a t u r e R e v i e w 6 2 1 A v a i l a b l e B a n d w i d t h E s t i m a t i o n 6 2 2 T r a n s p o r t L a y e r P r o t o c o l s 7 2 3 D a t a a n d S t r e a m i n g M e d i a A p p l i c a t i o n s 9 2 4 F u z z y I n f e r e n c e S y s t e m s 1 0 2 5 C u r r e n t P r o b l e m s i n t h e I n t e r n e t 1 2 2 6 P r e v i o u s W o r k 1 5 2 6 1 R o u t e r B a s e d S o l u t i o n s 1 7 2 6 2 E n d S y s t e m B a s e d S o l u t i o n s 2 0 C h a p t e r T h r e e – S o l u t i o n 3 0 3 1 S o l u t i o n R e q u i r e m e n t s 3 0 3 2 S o l u t i o n D e s i g n 3 1 3 3 F u z z y I n f e r e n c e S y s t e m C o n t r o l l e r 3 3 3 4 F u z z y I n f e r e n c e S y s t e m D e t a i l s 3 7 C h a p t e r F o u r – M e t h o d o l o g y a n d E v a l u a t i o n 4 3 C h a p t e r F i v e – C o n c l u s i o n s a n d F u t u r e W o r k 5 4 R e f e r e n c e s 5 5

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i i L i s t o f F i g u r e s F i g u r e 1 T h e G e n e r a l I n p u t s a n d O u t p u t o f t h e C o n t r o l l e r 4 F i g u r e 2 T C P C o n g e s t i o n C o n t r o l P h a s e s 9 F i g u r e 3 O f f e r e d L o a d v s G o o d p u t f o r K = 2 1 4 F i g u r e 4 S o l u t i o n S p a c e 1 6 F i g u r e 5 S o l u t i o n M o d e l 3 1 F i g u r e 6 S o l u t i o n C o m p o n e n t s 3 3 F i g u r e 7 T h e A v a i l a b l e B a n d w i d t h M e m b e r s h i p F u n c t i o n s 3 9 F i g u r e 8 T h e T C P R e s p o n s e M e m b e r s h i p F u n c t i o n s 4 0 F i g u r e 9 T h e C h a n g e R a t e M e m b e r s h i p F u n c t i o n s 4 0 F i g u r e 1 0 T h e S e n d R a t e M e m b e r s h i p F u n c t i o n s 4 1 F i g u r e 1 1 R u l e V i e w e r 4 2 F i g u r e 1 2 T e s t 1 M o d e l 4 5 F i g u r e 1 3 T e s t 1 R e s u l t s 4 6 F i g u r e 1 4 T e s t 2 N e t w o r k C o n f i g u r a t i o n 4 7 F i g u r e 1 5 T e s t 2 a M o d e l 4 8 F i g u r e 1 6 T e s t 2 a R e s u l t s 4 9 F i g u r e 1 7 T e s t 2 b M o d e l 5 0 F i g u r e 1 8 T e s t 2 b R e s u l t s 5 1

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i i i F i g u r e 1 9 T e s t 3 M o d e l 5 2 F i g u r e 2 0 T e s t 3 R e s u l t s 5 3

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i v A F u z z y L o g i c B a s e d C o n t r o l l e r t o P r o v i d e E n d T o E n d C o n g e s t i o n C o n t r o l f o r S t r e a m i n g M e d i a A p p l i c a t i o n s B a y P a v l i c k A B S T R A C T T h e s t a b i l i t y o f t h e I n t e r n e t i s a t r i s k i f t h e a m o u n t o f v o i c e a n d v i d e o t r a f f i c c o n t i n u e s t o i n c r e a s e a t t h e c u r r e n t p a c e W h i l e c u r r e n t t r a n s p o r t l a y e r p r o t o c o l s d o w o r k w e l l f o r m o s t a p p l i c a t i o n s t h e y s t i l l p r e s e n t s o m e p r o b l e m s T C P i s r e l i a b l e t r a c k s t h e s t a t e o f s o m e n e t w o r k c o n d i t i o n s a n d r e a c t s d r a s t i c a l l y t o a n i n d i c a t i o n o f c o n g e s t i o n T C P s e r v e s d a t a o r i e n t e d a p p l i c a t i o n s v e r y w e l l b u t i t c a n l e a d t o u n a c c e p t a b l y l o w q u a l i t y f o r s t r e a m i n g a p p l i c a t i o n s b y m u l t i p l i c a t i v e l y r e d u c i n g t h e c o n g e s t i o n w i n d o w u p o n a s i g n o f c o n g e s t i o n T h e o t h e r m a i n t r a n s p o r t l a y e r p r o t o c o l U D P p r o v i d e s g o o d s e r v i c e f o r s t r e a m i n g a p p l i c a t i o n s b u t i s n o t f r i e n d l y t o T C P a n d c a n c a u s e t h e w e l l k n o w n e x i s t i n g c o n g e s t i o n c o l l a p s e p r o b l e m i n t h e I n t e r n e t T h i s t h e s i s p r o p o s e s a n e w p r o t o c o l t o p r o v i d e a g o o d s e r v i c e f o r v o i c e a n d v i d e o a p p l i c a t i o n s w h i l e b e i n g f r i e n d l y t o T C P a n d s o l v i n g t h e c o n g e s t i o n c o l l a p s e p r o b l e m T h e p r o t o c o l u t i l i z e s a f u z z y l o g i c c o n t r o l l e r t h a t c o n s i d e r s n e t w o r k r e l a t e d i n f o r m a t i o n t o g o v e r n t h e a p p l i c a t i o n ’ s s e n d i n g r a t e w h i l e s a t i s f y i n g t h e u s e r ’ s n e e d s U s i n g n e t w o r k i n f o r m a t i o n s u c h a s t h e a v a i l a b l e b a n d w i d t h P a c k e t L o s s R a t e s ( P L R ) a n d R o u n d T r i p T i m e s ( R T T ) a f u z z y i n f e r e n c e s y s t e m o p t i m i z e s t h e a p p l i c a t i o n ’ s s e n d r a t e t o m e e t t h e r e q u e s t e d r a t e i n a s m o o t h m a n n e r w i t h o u t w a s t i n g n e t w o r k r e s o u r c e s u n n e c e s s a r i l y

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v T h e f u z z y l o g i c c o n t r o l l e r i s d e s i g n e d a n d i t s p e r f o r m a n c e e v a l u a t e d u s i n g M A T L A B m o d e l s i m u l a t i o n s T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e f u z z y c o n t r o l l e r s o l v e s t h e c o n g e s t i o n c o l l a p s e p r o b l e m b y r e d u c i n g t h e n u m b e r o f u n d e l i v e r e d p a c k e t s i n t o t h e n e t w o r k b y n e a r l y 1 0 0 % I t p r o v i d e s s m o o t h t r a n s i t i o n c h a n g e s a s d e m o n s t r a t e d b y t h e c o n t r o l l e d U D P f l o w u t i l i z i n g a n e s t i m a t e d 4 4 % m o r e o f t h e a v a i l a b l e b a n d w i d t h t o s m o o t h t h e s e n d r a t e t h a n t h e T C P f l o w i n a h i g h l y v a r y i n g b a n d w i d t h e n v i r o n m e n t T h e c o n t r o l l e r a l s o r e m a i n s f r i e n d l y t o T C P w h i c h w a s d e m o n s t r a t e d t o s h a r e t h e b a n d w i d t h a t n e a r l y 5 0 % w i t h o n e o t h e r c o m p e t i n g c o n t r o l l e d U D P f l o w

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1 C h a p t e r O n e I n t r o d u c t i o n 1 1 I n t r o d u c t i o n a n d M o t i v a t i o n s T h e I n t e r n e t i s i n c r e a s i n g l y b e i n g u s e d f o r n o n d a t a a p p l i c a t i o n s s u c h a s v o i c e a n d s t r e a m i n g v i d e o a s n o t e d i n G i r o d e t a l [ 2 7 ] T h i s t r e n d s h o w s t h e b e h a v i o r o f n e t w o r k f l o w s c h a n g i n g f r o m m o s t l y s h o r t b u r s t y t r a f f i c t o t h e i n c l u s i o n o f f l o w s t h a t a r e t i m e s e n s i t i v e a n d o f l o n g e r d u r a t i o n T h e a r c h i t e c t u r e o f t h e I n t e r n e t t h e n l o s e s s o m e o f i t s e f f e c t i v e n e s s t o p r o v i d e s t a b i l i t y f a i r n e s s a n d q u a l i t y t o t h e a p p l i c a t i o n s a s t h e c u r r e n t t r a n s p o r t l a y e r p r o t o c o l s d o n o t w o r k t o g e t h e r v e r y w e l l T r a n s m i s s i o n C o n t r o l P r o t o c o l ( T C P ) d o e s a c t f a i r l y t o w a r d s o t h e r f l o w s a n d h a s c o n t r o l s f o r p r e v e n t i n g t h e a p p l i c a t i o n f r o m s e n d i n g m o r e d a t a t h a n t h e n e t w o r k c a n h a n d l e T h e s e c o n t r o l s m a k e T C P r e a c t d r a s t i c a l l y t o c o n g e s t i o n e v e n t s p r o v i d i n g a f l u c t u a t i n g t r a n s m i s s i o n r a t e t o a p p l i c a t i o n s H o w e v e r t h e r e l i a b i l i t y o f t h e T C P p r o t o c o l h a s m a d e i t t h e p r o t o c o l o f c h o i c e f o r d a t a o r i e n t e d a p p l i c a t i o n s A s s u c h m o s t a p p l i c a t i o n s u s e t h e T C P p r o t o c o l s u c h a s f i l e t r a n s f e r s ( u s i n g F i l e T r a n s f e r P r o t o c o l ) e m a i l s ( u s i n g S i m p l e M a i l T r a n s f e r P r o t o c o l ) a n d w e b b r o w s i n g ( u s i n g H y p e r T e x t T r a n s f e r P r o t o c o l ) U s e r D a t a g r a m P r o t o c o l ( U D P ) d o e s p r o v i d e a p p l i c a t i o n s w i t h a r a t h e r s t e a d y t r a n s f e r r a t e b u t i t i s u n r e l i a b l e a n d l a c k s a n y e n d t o e n d f l o w a n d c o n g e s t i o n c o n t r o l m e c h a n i s m A s a r e s u l t U D P i s t h e p r o t o c o l o f c h o i c e f o r s t r e a m i n g a p p l i c a t i o n s s i n c e t h e y

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2 c a n a f f o r d s o m e p a c k e t l o s s b u t a r e s e n s i t i v e t o s m a l l a m o u n t s o f j i t t e r T h i s a l l o w s t h e a p p l i c a t i o n t o r e c e i v e a s m o o t h e r r a t e o v e r t i m e b u t a t T C P ’ s e x p e n s e a s U D P d o e s n o t r e a c t t o c o n g e s t i o n F u r t h e r m o r e U D P w i l l c o n t i n u e i n s e r t i n g p a c k e t s i n t o t h e n e t w o r k r e g a r d l e s s o f w h e t h e r o r n o t t h e y a r e r e a c h i n g t h e i r d e s t i n a t i o n T h e s e a r e t h e w e l l k n o w n T C P f r i e n d l i n e s s a n d c o n g e s t i o n c o l l a p s e p r o b l e m s d o c u m e n t e d i n F l o y d a n d F a l l [ 5 ] R e c e n t l y t h e i n c l u s i o n o f f l o w a n d c o n g e s t i o n c o n t r o l m e c h a n i s m s t o e n d t o e n d s t r e a m i n g o r i e n t e d p r o t o c o l s h a s b e e n e m p h a s i z e d a s a n i m p o r t a n t m e a s u r e t o d e a l w i t h t h e s e p r o b l e m s T h e s e n e w m e c h a n i s m s n e e d t o s a t i s f y t h e f o l l o w i n g g o a l s : 1 A v o i d c o n g e s t i o n c o l l a p s e : I n o r d e r t o s o l v e t h e c o n g e s t i o n c o l l a p s e f r o m u n d e l i v e r e d p a c k e t s t h e a p p l i c a t i o n n e e d s t o b e a w a r e i f t h e n e t w o r k h a s n o ( o r l i m i t e d ) a v a i l a b l e b a n d w i d t h a l o n g t h e d e s t i n a t i o n p a t h s o t h a t i t c a n r e s t r i c t i t s f l o w t o w h a t i s a p p r o p r i a t e I t w i l l n e e d t o r e s t r i c t b a n d w i d t h i f t h e r e i s n o a v a i l a b l e b a n d w i d t h a n d t h u s n o t i n s e r t p a c k e t s i n t o t h e n e t w o r k t h a t w o n ’ t m a k e i t t o t h e i r d e s t i n a t i o n 2 S m o o t h n e s s f o r s t r e a m i n g m e d i a a p p l i c a t i o n s : T h e m e c h a n i s m m u s t a l s o a c c o u n t f o r t h e s m o o t h n e s s g i v e n t o t h e a p p l i c a t i o n F o r T C P u p o n f i n d i n g c o n g e s t i o n i t w i l l b a c k o f f m u l t i p l i c a t i v e l y T h i s r e a c t i o n w o u l d m a k e a s t r e a m i n g a p p l i c a t i o n j i t t e r T h e s o l u t i o n n e e d s t o p r o v i d e a l e s s d r a s t i c v a r y i n g r a t e 3 T C P f r i e n d l y : I f t h e m e c h a n i s m i s t o b e T C P f r i e n d l y i t n e e d s t o a d d i t i o n a l l y c o n s i d e r h o w T C P w o u l d r e s p o n d a n d t a k e o n l y a n a p p r o p r i a t e a m o u n t o f b a n d w i d t h a s g u i d e d b y t h e T C P R e s p o n s e f u n c t i o n

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3 T h i s t h e s i s p r o p o s e s a n e w t r a n s p o r t l a y e r p r o t o c o l w h i c h u t i l i z e s a c o n t r o l l e r t h a t u s i n g n e t w o r k i n f o r m a t i o n s u c h a s a v a i l a b l e b a n d w i d t h P a c k e t L o s s R a t e s a n d R o u n d T r i p T i m e s m e e t s t h e g o a l s a n d r e a c t s a p p r o p r i a t e l y t o s i g n s o f c o n g e s t i o n T h e c o n t r o l l e r u s e s t h i s i n f o r m a t i o n a n d t h e T C P r e s p o n s e f u n c t i o n t o d e t e r m i n e w h a t T C P w o u l d d o i n t h e s a m e s i t u a t i o n H o w e v e r i n s t e a d o f r e a c t i n g t o c o n g e s t i o n u s i n g t h e M u l t i p l i c a t i v e D e c r e a s e s t r a t e g y o f T C P i t r e a c t s w i t h a n o p t i m i z e d t r a n s m i s s i o n r a t e b a s e d o n t h e n e t w o r k i n f o r m a t i o n t h e a p p l i c a t i o n ’ s r e q u e s t e d r a t e a n d c o n s i d e r i n g t h e r e s p o n s e o f a T C P f l o w I n a d d i t i o n t h e c o n t r o l l e r c o n s i d e r s t h e h i s t o r y o f t h e r a t e i t h a s p r o v i d e d i n o r d e r t o s m o o t h t h e s e n d i n g r a t e a n d m i n i m i z e d r a s t i c c h a n g e s i n a v a i l a b l e b a n d w i d t h T h e g e n e r a l i n p u t s a n d o u t p u t o f t h e c o n t r o l l e r i s s h o w n i n F i g u r e 1 T h e c o n t r o l l e r i s b a s e d o n F u z z y L o g i c g i v e n t h e i m p r e c i s i o n o f t h e n e t w o r k i n f o r m a t i o n u t i l i z e d a n d t h e r a t h e r l a r g e n u m b e r o f v a r i a b l e s i n v o l v e d i n t h e o p t i m i z a t i o n T h e f u z z y l o g i c i s u s e d t o o p t i m i z e t h e o u t p u t ( t h e a p p l i c a t i o n s e n d r a t e ) g i v e n t h e i n p u t s ( t h e n e t w o r k i n f o r m a t i o n a n d T C P r e s p o n s e ) a n d a s e t o f r u l e s t o g u i d e t h e o u t p u t F u z z y c o n t r o l l e r s c a n b e d e s i g n e d a n d e v a l u a t e d i n M A T L A B a n d S i m u l i n k a n d t h e n e x p r e s s e d i n t h e C l a n g u a g e t o b e i n c l u d e d i n o p e r a t i n g s y s t e m s

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4 F i g u r e 1 – T h e G e n e r a l I n p u t s a n d O u t p u t o f t h e C o n t r o l l e r 1 2 C o n t r i b u t i o n s o f t h e T h e s i s T h i s t h e s i s p r o p o s e s a n e w t r a n s p o r t l a y e r p r o t o c o l t h a t i n c l u d e s f l o w a n d c o n g e s t i o n c o n t r o l f o r s t r e a m i n g a p p l i c a t i o n s T h e m a i n c o n t r i b u t i o n s i n c l u d e d i n t h e t h e s i s a r e : 1 A F u z z y I n f e r e n c e S y s t e m ( F I S ) t o i m p l e m e n t f l o w a n d c o n g e s t i o n c o n t r o l a t t h e t r a n s p o r t l a y e r f o r s t r e a m i n g a p p l i c a t i o n s T h e F I S f i n d s t h e o p t i m u m r a t e b a s e d o n t h e a p p l i c a t i o n r e q u i r e m e n t s i n f o r m a t i o n i n t h e n e t w o r k a n d t h e r e s p o n s e o f T C P u n d e r t h e s a m e c o n d i t i o n s 2 A F I S C o n t r o l l e r d e s i g n e d t o g a t h e r n e c e s s a r y p a r a m e t e r s f o r t h e F I S t o c a l l t h e F I S a n d t o r e t u r n t h e r e s u l t s t o t h e a p p l i c a t i o n T h e c o n t r o l l e r i s u s e d a s t h e i n t e r f a c e b e t w e e n t h e a p p l i c a t i o n a n d t h e F I S P a c k e t L o s s R a t e R o u n d T r i p T i m e A v a i l a b l e B a n d w i d t h E s t i m a t i o n A p p l i c a t i o n R e q u e s t e d R a t e S e n d R a t e C o n t r o l l e r

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5 3 A k e r n e l r e a d y C l a n g u a g e i m p l e m e n t a t i o n o f t h e F I S a n d F I S C o n t r o l l e r T h i s w i l l a l l o w f o r t e s t i n g a n d a n a l y s i s u n d e r r e a l w o r l d c o n d i t i o n s 4 P e r f o r m a n c e e v a l u a t i o n o f t h e c o n t r o l l e r s y s t e m T h e s y s t e m i s m o d e l e d t o s h o w r e a l t i m e r e s u l t s i n t e r a c t i o n s a n d e f f e c t s o n o t h e r p r o t o c o l f l o w s 1 3 O u t l i n e o f t h e T h e s i s T h e t h e s i s i s o r g a n i z e d a s f o l l o w s C h a p t e r 2 d i s c u s s e s i n d e t a i l t h e c u r r e n t I n t e r n e t t r a n s p o r t l a y e r p r o t o c o l s t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f s t r e a m i n g a p p l i c a t i o n s a n d p r e v i o u s l y p r o p o s e d e n d t o e n d c o n g e s t i o n c o n t r o l s o l u t i o n s C h a p t e r 3 d i s c u s s e s t h e p r o p o s e d s o l u t i o n C h a p t e r 4 d e t a i l s t h e e v a l u a t i o n m e t h o d o l o g y a n d i n c l u d e s t h e p e r f o r m a n c e e v a l u a t i o n o f t h e c o n t r o l l e r F i n a l l y C h a p t e r 5 c o n c l u d e s t h e t h e s i s a n d p o i n t s o u t d i r e c t i o n s f o r f u t u r e r e s e a r c h

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6 C h a p t e r T w o L i t e r a t u r e R e v i e w I n t h i s c h a p t e r b a c k g r o u n d i n f o r m a t i o n i s p r o v i d e d a b o u t s e v e r a l c o n c e p t s a n d t e r m s i n t h e a r e a o f n e t w o r k s n e t w o r k p r o t o c o l s m e a s u r i n g n e t w o r k c o n d i t i o n s d a t a a n d s t r e a m i n g a p p l i c a t i o n s a n d i s s u e s t r a n s p o r t i n g i n f o r m a t i o n o v e r s h a r e d m e d i a I n t h i s t h e s i s a v a i l a b l e b a n d w i d t h e s t i m a t i o n s P a c k e t L o s s R a t i o s ( P L R ) a n d R o u n d T r i p T i m e s ( R T T ) m e a s u r e m e n t s f u z z y l o g i c c o n t r o l l e r s a n d t r a n s p o r t l a y e r p r o t o c o l s a r e a l l i n t e g r a t e d t o s o l v e s e v e r a l i m p o r t a n t p r o b l e m s s u c h a s t h e T C P f r i e n d l i n e s s p r o b l e m t h e c o n g e s t i o n c o l l a p s e p r o b l e m a n d p r o v i d i n g s t r e a m i n g m e d i a a p p l i c a t i o n s w i t h t h e s e r v i c e t h e y r e q u i r e 2 1 A v a i l a b l e B a n d w i d t h E s t i m a t i o n I n P r a s a d e t a l [ 1 8 ] t h e a u t h o r s d e f i n e t h e t e r m s r e l a t e d t o b a n d w i d t h e s t i m a t i o n a n d i n t r o d u c e t h e t o o l s a n d t e c h n i q u e s c u r r e n t l y a v a i l a b l e t o m e a s u r e i t I n t h e p a p e r B a n d w i d t h e s t i m a t i o n i s a m e c h a n i s m u s e d t o m e a s u r e n e t w o r k c o n d i t i o n s a n d i s a c c o m p l i s h e d b y a v a r i e t y o f t o o l s a n d i n v o l v e s s e v e r a l o t h e r t e r m s B a n d w i d t h c a n b e m e a s u r e d f o r t h e f o r w a r d p a t h ( f r o m s e n d e r t o r e c e i v e r ) t h e r e v e r s e p a t h ( f r o m r e c e i v e r t o t h e s e n d e r ) o r b o t h C a p a c i t y i s d e f i n e d a s t h e m a x i m u m p o s s i b l e a m o u n t o f d a t a p e r u n i t t i m e a n e t w o r k c a n d e l i v e r a l o n g a p a t h a n d t h e n a r r o w l i n k i s d e f i n e d a s t h e h o p w i t h t h e m i n i m u m c a p a c i t y

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7 t h r o u g h t h a t p a t h A v a i l a b l e b a n d w i d t h o n t h e o t h e r h a n d i s t h e a m o u n t o f d a t a p e r u n i t t i m e t h a t i s c u r r e n t l y u n u s e d o r a v a i l a b l e o v e r t h e n e t w o r k p a t h a n d t h e t i g h t l i n k i s d e s c r i b e d a s t h e h o p w i t h t h e m i n i m u m a v a i l a b l e b a n d w i d t h i n t h e p a t h T h e a v a i l a b l e b a n d w i d t h i s a t i m e v a r i a n t m e a s u r e m e n t a n d t o b e m e a n i n g f u l s h o u l d b e a v e r a g e d o v e r t i m e a n d m e a s u r e d q u i c k l y i n o r d e r t o g e t a n a c c u r a t e a n d r e l e v a n t e s t i m a t e N e t w o r k e n d u s e r s c a n o n l y e s t i m a t e a v a i l a b l e b a n d w i d t h t h r o u g h t h e e n d s y s t e m u n l e s s t h e y h a v e a c c e s s t o i n t e r m e d i a t e d e v i c e s ( s u c h a s r o u t e r s ) t o g a t h e r n e t w o r k s t a t i s t i c s F o r t h e p u r p o s e o f t h i s t h e s i s i t i s a s s u m e d t h a t a n a v a i l a b l e b a n d w i d t h e s t i m a t i o n t o o l p r o v i d e s e n d t o e n d a v a i l a b l e b a n d w i d t h e s t i m a t e s t o t h e p r o p o s e d f u z z y l o g i c c o n t r o l l e r H o w e v e r t h e t y p e o f t o o l a n d d e t a i l s a r e n o t s p e c i f i e d 2 2 T r a n s p o r t L a y e r P r o t o c o l s A s d e s c r i b e d i n R F C 7 6 8 [ 1 7 ] U s e r D a t a g r a m P r o t o c o l ( U D P ) i s a t r a n s p o r t l a y e r p r o t o c o l u s e d t o s e n d p a c k e t s f r o m o n e s y s t e m ’ s a p p l i c a t i o n p o r t t o a n o t h e r ’ s a p p l i c a t i o n p o r t U D P d i f f e r e n t i a t e s f r o m T r a n s m i s s i o n C o n t r o l P r o t o c o l ( T C P ) i n t h a t i t i s a n u n r e l i a b l e p r o t o c o l t h a t d o e s n o t e n s u r e p a c k e t s r e a c h t h e i r d e s t i n a t i o n I t d o e s n o t p r o v i d e s e q u e n c i n g s e r v i c e s t h a t w o u l d e n s u r e p a c k e t s a r r i v e i n t h e o r d e r r e q u e s t e d b y a n a p p l i c a t i o n n o r a n y t y p e o f f l o w o r c o n g e s t i o n c o n t r o l s I t i n c l u d e s a h e a d e r u s e d t o c a r r y t h e s o u r c e p o r t t h e d e s t i n a t i o n p o r t t h e l e n g t h a n d t h e c h e c k s u m t o e n s u r e t h e r e a r e n o e r r o r s i n t h e d a t a S o m e a p p l i c a t i o n s u s e U D P t o s a v e p r o c e s s i n g

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8 t i m e w i t h a r e d u c e d h e a d e r ( c o m p a r e d t o T C P ) a n d l e s s d e l a y c a u s e d b y o r d e r i n g t h e p a c k e t s a t t h e r e c e i v e r o r r e t r a n s m i t t i n g p a c k e t s b e c a u s e o f e r r o r s d u r i n g t r a n s m i s s i o n t i m e T r a n s m i s s i o n C o n t r o l P r o t o c o l ( T C P ) i s a n o t h e r t r a n s p o r t l a y e r p r o t o c o l t h a t i s d e f i n e d i n R F C 7 9 3 [ 2 4 ] T C P i s a w i d e l y u s e d p r o t o c o l t h a t h a s g o n e t h r o u g h s e v e r a l v e r s i o n s t o e n h a n c e i t s a b i l i t i e s T C P i s p a r t i c u l a r l y s u i t e d f o r d a t a a p p l i c a t i o n s a s i t g u a r a n t e e s t h e o r d e r a n d d e l i v e r y o f t h e d a t a I t d o e s n o t w o r k e f f i c i e n t l y f o r t i m e s e n s i t i v e a p p l i c a t i o n i n f o r m a t i o n b e c a u s e i n c l u d e s c o n t r o l s w h i c h c a n r e s t r i c t a n a p p l i c a t i o n ’ s t h r o u g h p u t T C P i n c l u d e s m e c h a n i s m s f o r c o n g e s t i o n a n d f l o w c o n t r o l T C P i n c l u d e s a n A d d i t i v e I n c r e a s e a n d M u l t i p l i c a t i v e D e c r e a s e ( A I M D ) a l g o r i t h m w h i c h g o v e r n s T C P t o a l l o w i t t o b e f r i e n d l y t o w a r d s o t h e r f l o w s a n d b a c k o f f w h e n c o n g e s t i o n o c c u r s A s s h o w n i n F i g u r e 2 T C P g o e s t h r o u g h s e v e r a l p h a s e s i n c l u d i n g s l o w s t a r t a n d c o n g e s t i o n a v o i d a n c e I f t h e r e i s n o c o n g e s t i o n d e t e c t e d T C P i n c r e a s e s a t h r o u g h p u t p a r a m e t e r t h e c o n g e s t i o n w i n d o w v a r i a b l e ( c w n d ) i n a n a d d i t i v e m a n n e r I f c o n g e s t i o n i s d e t e c t e d i t r e d u c e s t h e v a r i a b l e m u l t i p l i c a t i v e l y

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9 F i g u r e 2 – T C P C o n g e s t i o n C o n t r o l P h a s e s 2 3 D a t a a n d S t r e a m i n g M e d i a A p p l i c a t i o n s T h e a p p l i c a t i o n s t h a t t r a d i t i o n a l l y u t i l i z e U D P a r e s t r e a m i n g m e d i a a p p l i c a t i o n s S t r e a m i n g m e d i a i s d e f i n e d i n A u s t e r b e r r y [ 2 ] a s d i g i t a l l y e n c o d e d f i l e s d e l i v e r e d o v e r n e t w o r k s t h a t a r e d e l i v e r e d t o t h e r e c e i v e r ’ s m e d i a p l a y e r i n r e a l t i m e T h i s m e a n s i t i s b e i n g r e c e i v e d a t t h e s a m e r a t e a s i t i s s e n t a n d t h e r e i s n o n e e d f o r i n t e r m e d i a t e s t o r a g e o f t h e c o n t e n t A p p l i c a t i o n s i n c l u d e I n t e r n e t a u d i o p l a y e r s v i d e o c o n f e r e n c i n g a n d I P t e l e p h o n y a m o n g o t h e r s T C P i n c l u d e s f e a t u r e s s u c h a s r e l i a b i l i t y a n d i n o r d e r d e l i v e r y t h a t a r e n ’ t n e c e s s a r y f o r t h e s e a p p l i c a t i o n s V i d e o a n d v o i c e a p p l i c a t i o n s p r e f e r t h e t i m e l i n e s s o f d e l i v e r e d p a c k e t s t o t h e d e l i v e r y b e i n g g u a r a n t e e d a n d i n s e q u e n c e S t r e a m i n g a p p l i c a t i o n s a l s o p r e f e r l e s s v a r i a t i o n i n t h e r a t e o f i n c o m i n g p a c k e t s T C P w i l l o s c i l l a t e i t s d e l i v e r y d u e S l o w S t a r t C o n g A v o i d T i m e ( R T T s ) c w n d

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1 0 t o n e t w o r k c o n g e s t i o n m o r e t h a n U D P w i l l b e c a u s e o f t h e A d d i t i v e I n c r e a s e M u l t i p l i c a t i v e D e c r e a s e ( A I M D ) s e m a n t i c s V o i c e a n d v i d e o a p p l i c a t i o n s c a n e x p e r i e n c e s e r v i c e d e g r a d a t i o n w h e n t r a n s p o r t i n g i n f o r m a t i o n u s i n g n e t w o r k r e s o u r c e s T h e y c a n s u f f e r f r o m d e l a y j i t t e r o u t o f o r d e r a r r i v a l s a n d p a c k e t l o s s J i t t e r i s t h e v a r i a t i o n i n t i m e b e t w e e n a r r i v i n g p a c k e t s J i t t e r c a n c a u s e n o i s e o r u n d e s i r e d e f f e c t s i n a u d i o a n d p e r c e i v a b l e v i s u a l e f f e c t s i n v i d e o T h i s i s g e n e r a l l y c a u s e d b y n e t w o r k c o n g e s t i o n D e l a y i s t h e t i m e i t t a k e s f o r t h e d a t a t o l e a v e t h e s e n d e r a n d a r r i v e a t t h e r e c e i v e r T h i s t i m e i s a s u m o f t h e t r a n s m i s s i o n d e l a y ( t h e t i m e i t t a k e s t o p u t t h e b i t s o n t h e w i r e o r t a k e t h e m o f f ) p r o c e s s i n g d e l a y s ( t h e t i m e n e e d e d f o r b u n d l i n g t h e d a t a i n t o p a c k e t s f o r w a r d i n g t h e p a c k e t s t o t h e i r p r o p e r d e s t i n a t i o n ) a n d q u e u i n g d e l a y s ( t i m e s p e n t w a i t i n g t o e n t e r t h e l i n k ) L o n g d e l a y s c a n a f f e c t a v i d e o a n d v o i c e a p p l i c a t i o n ’ s p e r c e i v e d q u a l i t y s i n c e t h e s e a p p l i c a t i o n s r e q u i r e r e a l t i m e o r n e a r r e a l t i m e t r a n s p o r t D a t a a p p l i c a t i o n s a r e e l a s t i c i n h o w l o n g d e l i v e r y o f t h e p a c k e t s c a n t a k e a n d t h e y r e q u i r e a l l o f t h e p a c k e t s t o b e d e l i v e r e d V i d e o a n d a u d i o s t r e a m s a r e i n e l a s t i c i n t h e p a c k e t d e l i v e r y t i m e a n d w i t h a r o b u s t e n c o d i n g / d e c o d i n g s t r e a m c a n h a n d l e s o m e s m a l l p a c k e t l o s s 2 4 F u z z y I n f e r e n c e S y s t e m s T h i s t h e s i s i n c l u d e s a F u z z y I n f e r e n c e S y s t e m ( F I S ) t o a i d i n d e c i s i o n m a k i n g F u z z y I n f e r e n c e S y s t e m s a r e b a s e d o n F u z z y L o g i c F u z z y L o g i c w a s i n t r o d u c e d i n Z a d e h [ 2 8 ] a s a n a l t e r n a t i v e t o t r a d i t i o n a l d a t a p r o c e s s i n g a n d c o n t r o l w i t h o u t r e q u i r i n g c r i s p s e t m e m b e r s h i p F o r e x a m p l e a r o o m w i t h a t r a d i t i o n a l t w o v a l u e d o n / o f f l i g h t s w i t c h m a y b e

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1 1 e i t h e r l i g h t o r d a r k T h e v a l u e s f o r a r o o m b r i g h t n e s s v a l u e w o u l d b e e i t h e r i n t h e l i g h t s e t o r n o t i n i t I n s t e a d o f r e q u i r i n g c r i s p s e t m e m b e r s h i p f u z z y s e t s c a n i n c l u d e p a r t i a l m e m b e r s F o r e x a m p l e a r o o m w i t h a d i m m e r l i g h t s w i t c h m a y h a v e v a l u e s l i k e s l i g h t l y d a r k o r v e r y b r i g h t T h e v a l u e s f o r t h e r o o m b r i g h t n e s s c o u l d t h e n b e p a r t i a l l y i n t h e l i g h t s e t a n d p a r t i a l l y i n t h e d a r k s e t I n Z a d e h [ 2 8 ] i t w a s n o t e d t h a t h u m a n s d o n o t r e q u i r e c r i s p m e m b e r s h i p s a n d c a n h a n d l e c o m p l e x r e a s o n i n g A l s o n o t a l l r e a l w o r l d i n p u t i s c r i s p a n d c l e a r l y d e f i n e d a s i n o r o u t o f a s e t A s d e s c r i b e d i n [ 2 5 ] F u z z y I n f e r e n c e S y s t e m s ( a l s o k n o w n a s F u z z y L o g i c S y s t e m s ) a r e m a p p i n g s o f i n p u t d a t a i n t o o u t p u t d a t a u s i n g f u z z y l o g i c M e m b e r s h i p f u n c t i o n s a r e t h e m a p p i n g o f p o i n t s w i t h i n a r a n g e t o a m e m b e r s h i p v a l u e ( w i t h i n a f u z z y s e t ) f r o m 0 t o 1 F u z z y l o g i c o p e r a t o r s p e r f o r m s i m i l a r f u n c t i o n s a s B o o l e a n o p e r a t o r s e x c e p t t h a t t h e y c a n r e t u r n m u l t i v a l u e d r e s p o n s e s a s o p p o s e d t o a s i m p l e 0 o r 1 F u z z y I n f e r e n c e S y s t e m s u t i l i z e i f t h e n e l s e r u l e s w i t h t h e i n p u t s t o r e s o l v e o r d e f u z z i f y t o a n o u t p u t T h e f u z z y i n f e r e n c e s y s t e m t h e n t a k e s e a c h i n p u t v a l u e e v a l u a t e s t h e r u l e s i n p a r a l l e l u s i n g t h e f u z z y l o g i c a n d d e t e r m i n e s a n o u t p u t v a l u e F u z z y l o g i c m a p s w e l l t o t h e l i n g u i s t i c a n d s u b j e c t i v e n a t u r e o f e x p e r t k n o w l e d g e a n d “ r u l e o f t h u m b ” s o l u t i o n s t o p r o b l e m s F o r t h i s t h e s i s t h e f u z z y n a t u r e o f t h e i n p u t s t h e a b i l i t y t o m a p t h e l i n g u i s t i c t e r m s o f t h e p r o b l e m t o t h e s y s t e m a n d t h e n u m b e r o f i n p u t v a r i a b l e s l e d t o t h e d e c i s i o n t o u t i l i z e a f u z z y i n f e r e n c e s y s t e m t o d e t e r m i n e t h e o p t i m u m s e n d r a t e T h e i n p u t s f o r t h e p r o b l e m s i n t h i s t h e s i s s u c h a s a v a i l a b l e b a n d w i d t h a r e c o n s i d e r e d f u z z y s i n c e t h e y d o n o t h a v e c l e a r c l e a n s e t m e m b e r s F o r e x a m p l e 1 M b p s a v a i l a b l e b a n d w i d t h m a y b e c o n s i d e r e d “ h i g h ” i n o n e a p p l i c a t i o n c o n t e x t b u t n o t i n a n o t h e r

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1 2 2 5 C u r r e n t P r o b l e m s i n t h e I n t e r n e t I n F l o y d a n d F a l l [ 5 ] c o n g e s t i o n c o l l a p s e i s d e f i n e d a s o c c u r r i n g “ w h e n a n i n c r e a s e i n t h e n e t w o r k l o a d r e s u l t s i n a d e c r e a s e i n t h e u s e f u l w o r k d o n e b y t h e n e t w o r k ” A s m o r e p a c k e t s a r e s u b m i t t e d i n t o t h e n e t w o r k t h e r e i s l e s s a c c o m p l i s h e d C o n g e s t i o n i n g e n e r a l i s c a u s e d f r o m a s c a r c i t y o f b a n d w i d t h C o n g e s t i o n c o l l a p s e o c c u r s f r o m p a c k e t s b e i n g s e n t i n t o a n e t w o r k t h a t d o e s n ’ t h a v e e n o u g h b a n d w i d t h t o h a n d l e t h e m T h e s e p a c k e t s a d d t o t h e c o n g e s t i o n c o n s u m e n e t w o r k r e s o u r c e s a n d n e v e r r e a c h t h e i r d e s t i n a t i o n A s t h e t r a f f i c i n c r e a s e s t h e r e a l s o e x i s t s t h e p o s s i b i l i t y o f e x t r e m e u n f a i r n e s s a g a i n s t T C P f l o w s I n [ 5 ] t h e p r o b l e m i s d i v i d e d i n t o f i v e c a t e g o r i e s o f c o n g e s t i o n c o l l a p s e : c l a s s i c a l c o n g e s t i o n c o l l a p s e c o n g e s t i o n c o l l a p s e f r o m u n d e l i v e r e d p a c k e t s f r a g m e n t a t i o n b a s e d c o n g e s t i o n c o l l a p s e c o n g e s t i o n c o l l a p s e f r o m i n c r e a s e d c o n t r o l t r a f f i c a n d c o n g e s t i o n c o l l a p s e f r o m s t a l e o r u n w a n t e d p a c k e t s T h i s t h e s i s i s c o n c e r n e d w i t h c o n g e s t i o n c o l l a p s e f r o m u n d e l i v e r e d p a c k e t s C l a s s i c a l c o n g e s t i o n c o l l a p s e o c c u r s w h e n p a c k e t s a r e r e t r a n s m i t t e d w h e n t h e y d o n ’ t n e e d t o b e T h e c a u s e o f t h i s t y p e o f c o n g e s t i o n c o l l a p s e c a n a n d h a s o c c u r r e d f r o m T C P r e t r a n s m i t t i n g p a c k e t s e v e n t h o u g h t h e y a r e a r r i v i n g i n t a c t a t t h e d e s t i n a t i o n o r s t i l l a r e i n f l i g h t t o t h e d e s t i n a t i o n b e c a u s e o f i n c o r r e c t t i m e r s o r m i s s i n g o r i n v a l i d c o n g e s t i o n c o n t r o l T h e e f f e c t o f t h i s i s t o p r o v i d e a s t e a d y s t a t e o f t h e n e t w o r k b e i n g i n e f f i c i e n t l y u s e d f o r u n n e c e s s a r y T C P r e t r a n s m i s s i o n s T h i s p r o b l e m i s s o l v e d w i t h i m p r o v e m e n t s i n T C P t i m i n g a n d c o n g e s t i o n c o n t r o l

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1 3 C o n g e s t i o n c o l l a p s e f r o m u n d e l i v e r e d p a c k e t s o c c u r s w h e n a n o d e i n s e r t s p a c k e t s i n t o t h e n e t w o r k t h a t w i l l n o t b e a b l e t o d e l i v e r t h e p a c k e t s b u t l o s e s t h e m a t s o m e l i n k a l o n g t h e p a t h T h e i n s e r t i o n o f t h e s e p a c k e t s i n t o t h e n e t w o r k a c c o m p l i s h e s n o w o r k b u t d o e s a d d t o t h e c o n g e s t i o n o f t h e n e t w o r k T h e n e t w o r k w i l l b e c o n g e s t e d o n l y a s l o n g a s t h e u n d e l i v e r a b l e p a c k e t s c o n t i n u e t o b e i n s e r t e d T h e p a c k e t s c o n s u m e r e s o u r c e s w i t h o u t a c c o m p l i s h i n g w o r k U D P p a c k e t s c a n p r o d u c e t h i s t y p e o f c o n g e s t i o n b y n o t i n c l u d i n g c o n g e s t i o n c o n t r o l ( a s T C P d o e s ) a n d b y i n s e r t i n g p a c k e t s i n t o t h e n e t w o r k t h a t h a v e n o g u a r a n t e e s o f b e i n g d e l i v e r e d T h i s i s t h e p r i m a r y t y p e o f c o n g e s t i o n c o l l a p s e o f i n t e r e s t f o r t h i s t h e s i s F r a g m e n t a t i o n b a s e d c o n g e s t i o n c o l l a p s e o c c u r s w h e n t h e r e i s a n i n c o n s i s t e n c y i n t h e s i z e o f t h e d a t a a t t h e l i n k l a y e r a n d t h e h i g h e r n e t w o r k l a y e r s W h e n s o m e o f t h e l i n k l a y e r f r a m e s ( w h i c h m a k e u p t h e p a c k e t ) a r e r e c e i v e d b u t o t h e r s a r e l o s t i t c a u s e s r e s o u r c e s t o b e s p e n t o n r e t r a n s m i t t i n g d a t a t o b e a b l e t o a s s e m b l e t h e p a c k e t a t t h e r e c e i v e r c o r r e c t l y a n d c o m p l e t e l y T h e r e a r e m e c h a n i s m s s u c h a s P a t h M T U ( M a x i m u m T r a n s m i s s i o n U n i t s ) t h a t r e d u c e t h e p a c k e t f r a g m e n t a t i o n t h a t c a u s e s t h i s t y p e o f c o l l a p s e b y d e t e r m i n i n g t h e l a r g e s t t r a n s m i s s i o n u n i t p o s s i b l e a l o n g t h e e n t i r e p a t h a n d s e t t i n g t h e s i z e a c c o r d i n g l y i n t h e p a c k e t b e f o r e i n s e r t i n g t h e p a c k e t i n t o t h e n e t w o r k C o n g e s t i o n c o l l a p s e f r o m i n c r e a s e d c o n t r o l t r a f f i c o c c u r s f r o m a n i n c r e a s e i n c o n t r o l t r a f f i c ( s u c h a s r o u t i n g t a b l e u p d a t e s ) w h i c h c a n o c c u r f r o m a n i n c r e a s e i n n e t w o r k l o a d a n d c o n g e s t i o n A s t h e n e t w o r k b e c o m e s e v e n m o r e c o n g e s t e d m o r e c o n t r o l t r a f f i c p a c k e t s m a y b e i n s e r t e d T h i s c y c l e c a n c a u s e a d e c r e a s e i n t h e a m o u n t o f u s e f u l w o r k c o m p l e t e d f r o m t h e a v a i l a b l e b a n d w i d t h A s d e s c r i b e d i n K e l l y e t a l [ 1 0 ] a s t h e l o a d o n t h e n e t w o r k

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1 4 i n c r e a s e s p a s t t h e a v a i l a b l e b a n d w i d t h ( f o r e x a m p l e w i t h a d d i t i o n a l p a c k e t s f r o m u n r e s p o n s i v e f l o w s o r c o n t r o l p a c k e t s ) t h e a m o u n t o f u s e f u l w o r k d o n e c a n s u f f e r F i g u r e 3 t a k e n f r o m [ 1 0 ] s h o w s t h e a g g r e g a t e t h r o u g h p u t ( w h i c h a t a m a x i m u m f o r t h e t i m e f r a m e c o u l d b e 3 0 0 0 0 0 p a c k e t s ) v e r s u s t h e o f f e r e d l o a d A s t h e o f f e r e d l o a d i n c r e a s e s p a s t t h e c a p a c i t y o f t h e n e t w o r k a n d K l i n k s t h e a g g r e g a t e t h r o u g h p u t s u f f e r s F i g u r e 3 – O f f e r e d L o a d v s G o o d p u t f o r K = 2 ( K e l l y e t a l [ 1 0 ] ) T h e f i n a l t y p e o f c o n g e s t i o n c o l l a p s e i s c o n g e s t i o n c o l l a p s e f r o m s t a l e o r u n w a n t e d p a c k e t s S t a l e p a c k e t s c a n c a u s e c o n g e s t i o n c o l l a p s e b y u s i n g n e t w o r k r e s o u r c e s w h e n t h e u s e r s a r e n o l o n g e r i n t e r e s t e d i n t h e d a t a T h i s c a n o c c u r i n t h e c a s e o f u n l i m i t e d n e t w o r k b u f f e r s w h e r e t h e p a c k e t s h a v e s u c h l o n g q u e u e d e l a y s t h a t b y t h e t i m e t h e y r e a c h t h e i r d e s t i n a t i o n s t h e u s e r n o l o n g e r r e q u i r e s t h e d a t a T h e n e t w o r k c a n a l s o b e c o n g e s t e d w i t h p a c k e t s t h a t a r e “ p u s h e d ” t o a d e s t i n a t i o n n o d e e v e n t h o u g h t h e y w e r e n o t r e q u e s t e d B o t h o f t h e s e s c e n a r i o s i n j e c t p a c k e t s i n t o t h e n e t w o r k t h a t c o n s u m e r e s o u r c e s w i t h o u t p r o v i d i n g u s e f u l w o r k

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1 5 A n o t h e r i m p o r t a n t i s s u e i n t h e I n t e r n e t i s t h e T C P f r i e n d l i n e s s p r o b l e m D i s c u s s e d i n [ 5 ] t h e p r o b l e m c a n a r i s e f r o m a p p l i c a t i o n s u s i n g a t r a n s p o r t l a y e r p r o t o c o l w i t h o u t c o n g e s t i o n c o n t r o l s u c h a s U D P I t o c c u r s w h e n U D P a n d T C P s h a r e a c o n g e s t e d l i n k w h e r e t h e b a n d w i d t h i s n o t l a r g e e n o u g h t o h a n d l e b o t h t h e U D P a n d t h e T C P f l o w s I t i s w e l l k n o w n t h a t i n t h e s e c i r c u m s t a n c e s U D P g r a b s t h e c h a n n e l c a p a c i t y a t t h e e x p e n s e o f t h e T C P f l o w W h i l e U D P w i l l c o n t i n u e t a k i n g a s m u c h b a n d w i d t h a s i t n e e d s T C P w i l l r e d u c e i t s f l o w a f t e r d e t e c t i n g c o n g e s t i o n T C P t h e n r e c e i v e s a n u n f a i r a m o u n t o f t h e b a n d w i d t h a n d U D P i s c o n s i d e r e d u n f r i e n d l y t o T C P 2 6 P r e v i o u s W o r k T h e r e a r e m a n y p o s s i b l e s o l u t i o n s f o r t h e c o n g e s t i o n c o l l a p s e p r o b l e m a n d c o n g e s t i o n c o n t r o l i n g e n e r a l C o n g e s t i o n c o l l a p s e s o l u t i o n s c o n s i s t o f s e v e r a l h i g h l e v e l c o m p o n e n t s F i r s t h o w t h e s o l u t i o n d e t e r m i n e s t h e r e i s c o n g e s t i o n : d o e s i t u s e r e c e i v e r s i d e f e e d b a c k a v a i l a b l e b a n d w i d t h e s t i m a t i o n e t c S e c o n d h o w t h e s o l u t i o n a d j u s t s t h e f l o w o f d a t a : d o e s i t u s e w i n d o w s b a s e d f l o w c o n t r o l o r r a t e b a s e d f l o w c o n t r o l T h i s c a n f u r t h e r b e d e f i n e d b y h o w t h e s o l u t i o n a d j u s t t h e f l o w b a s e d o n t h e A I M D r u l e o r u s e a T C P m o d e l T C P m o d e l s o l u t i o n s a t t e m p t t o m o d e l t h e r e s p o n s e o n a m o d e l o f T C P t r a f f i c a n d a c t a s T C P w o u l d w i t h o u t t h e r e l i a b i l i t y m e c h a n i s m F i n a l l y w h e r e t h e s o l u t i o n i s i m p l e m e n t e d T h e l o c a t i o n o f t h e s o l u t i o n c a n b e i n t h e r o u t e r o r i n t e r m e d i a r y n e t w o r k s y s t e m s ; a t t h e s e n d e r o r a t t h e r e c e i v e r s y s t e m T h e l o c a t i o n c a n b e f u r t h e r d e f i n e d b y O S I ( O p e n S y s t e m s I n t e r c o n n e c t i o n ) l a y e r l o c a t i o n F o r e x a m p l e a s o l u t i o n c a n b e i m p l e m e n t e d a t t h e A p p l i c a t i o n l a y e r o r t h e T r a n s p o r t l a y e r F i g u r e 4 b e l o w s h o w s t h e s e a r c h s p a c e

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1 6 c a t e g o r i z a t i o n o f t h e s o l u t i o n s b r o k e n d o w n b y f l o w c o n t r o l l o c a t i o n o f s o l u t i o n a n d i n c e n t i v e s T h e s o l u t i o n s c a n a l s o b e b r o k e n d o w n b y t h e a m o u n t o f t i m e t h e y t a k e t o r e a c t T h e b a n d w i d t h r e s t r i c t i o n b a s e d s o l u t i o n s p e r f l o w s c h e d u l i n g a n d e n d s y s t e m b a s e d s o l u t i o n s c a n r e a c t r e l a t i v e l y f a s t ( w i t h i n s e c o n d s m i l l i s e c o n d s o r e v e n m i c r o s e c o n d s ) w h i l e p r i c i n g i n c e n t i v e s m a y t a k e h o u r s o r l o n g e r t o t a k e e f f e c t F i g u r e 4 – S o l u t i o n S p a c e E n d t o e n d c o n g e s t i o n c o l l a p s e s o l u t i o n s R o u t e r b a s e d s o l u t i o n s E n d s y s t e m b a s e d s o l u t i o n s B a n d w i d t h r e s t r i c t i o n { F l o y d a n d F a l l [ 5 ] N B P [ 1 ] } P r i c i n g I n c e n t i v e s P e r f l o w s c h e d u l i n g { R R F Q } [ 1 ] A p p l i c a t i o n l a y e r { U D T [ 8 ] W u e t a l [ 1 9 ] V T P [ 4 ] C M [ 3 ] M i r a s e t a l [ 3 1 ] } T C P m o d e l \ e q u a t i o n b a s e d { T F R C [ 6 ] M S T F P [ 2 2 ] W M S T F P [ 2 1 ] } A I M D r u l e { R A P [ 2 0 ] L D A + [ 2 0 ] R C C M [ 1 1 ] } T r a n s p o r t l a y e r { D C C P [ 7 ] } W i n d o w s b a s e d C o n g e s t i o n C o n t r o l { T E A R [ 2 0 ] } R a t e b a s e d C o n g e s t i o n C o n t r o l

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1 7 2 6 1 R o u t e r B a s e d S o l u t i o n s I n F l o y d a n d F a l l [ 5 ] t h e r e a u t h o r s c o n s i d e r a r o u t e r b a s e d s o l u t i o n F o r t h i s t o w o r k t h e n e t w o r k n o d e s m u s t a l l r e a c t t o c o n g e s t i o n b y d e t e c t i n g c o n g e s t i o n a n d a d j u s t i n g t h e b a n d w i d t h u s e d t o m e e t t h e a v a i l a b l e l e v e l s C o n g e s t i o n c o l l a p s e p r e v e n t i o n a t t h e r o u t e r s h a s b e e n s h o w n t o n o t c o m p l e t e l y p r e v e n t c o n g e s t i o n c o l l a p s e W i t h a n u m b e r o f f l o w s t h a t d o n o t p r o v i d e c o n g e s t i o n c o n t r o l a n d d o n o t l i m i t w h a t t h e y s e n d d u r i n g c o n g e s t i o n c o n g e s t i o n c o l l a p s e c a n s t i l l o c c u r I n t h e p a p e r t h e a u t h o r s s h o w t h a t t h e u n d e r l y i n g f a c t o r p r o d u c i n g t h e c o n g e s t i o n c o l l a p s e f r o m u n d e l i v e r e d p a c k e t s i s U D P f l o w s w i t h o u t e n d t o e n d c o n g e s t i o n T h e r o u t e r s c a n p r o v i d e s o m e a s s i s t a n c e b y d e t e c t i n g c o n g e s t i o n a n d s e n d i n g s i g n a l s t h a t c o n g e s t i o n i s o c c u r r i n g T h e r o u t e r s c a n a l s o c o n t r o l g r e e d y u s e r s t h a t c h o o s e t o n o t u s e c o n g e s t i o n c o n t r o l T h e r o u t e r s c a n a l s o i s o l a t e t h e f l o w s t h a t p r o v i d e e n d t o e n d c o n g e s t i o n c o n t r o l T h e r o u t e r s i d e s o l u t i o n s p a c e f o r t h e c o n g e s t i o n c o l l a p s e p r o b l e m i n c l u d e s : 1 P e r f l o w s c h e d u l i n g – r e l i e s o n s o c i a l i n c e n t i v e s T h i s s i g n a l s t h e a p p l i c a t i o n t o g o v e r n i t s n e t w o r k u s a g e i n a n e f f o r t t o b e f a i r 2 R o u t e r m e c h a n i s m s – S e r v i c e i n c e n t i v e o f r e s t r i c t i n g t h e b a n d w i d t h o f d i s p r o p o r t i o n a t e f l o w s 3 F i n a n c i a l a n d p r i c i n g i n c e n t i v e s – t h e p r o b l e m i s h o w t o r e a c t f a s t e n o u g h t o m e e t r a t e o f g r o w t h o f u n r e s p o n s i v e f l o w s T h e a u t h o r ’ s a r g u e t h a t i t i s n ’ t p r a c t i c a l t o r e l y o n e n d u s e r s t o u s e e n d t o e n d c o n g e s t i o n c o n t r o l a n d t h a t s o c i a l a n d f i n a n c i a l i n c e n t i v e s a r e d i f f i c u l t t o r e a l i z e b u t t h a t

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1 8 c o n t r o l m u s t b e m a n a g e d b y t h e i n f r a s t r u c t u r e i t s e l f T h i s r e q u i r e s c o m p l i a n c y f r o m a l l o f t h e r o u t e r s T h e r e a r e t w o t y p e s o f r o u t e r c o n t r o l s s u g g e s t e d : f l o w i d e n t i f i c a t i o n a n d r e g u l a t i o n o r p e r f l o w s c h e d u l i n g P e r f l o w s c h e d u l i n g i n c l u d e s R o u n d R o b i n ( R R ) a n d F a i r Q u e u e ( F Q ) s c h e d u l i n g T h e a u t h o r s a r g u e t h a t t h e a d d i t i o n a l i m p l e m e n t a t i o n c o m p l e x i t y ( o v e r t h e s i m p l e r F i r s t C o m e F i r s t S e r v e ( F C F S ) s c h e d u l e r ) f l o w a g g r e g a t i o n i s s u e s ( w h e r e o n e s o u r c e c a n c r e a t e m a n y f l o w s t o a s i n g l e r e c e i v e r a n d i n e f f e c t r e c e i v e m o r e b a n d w i d t h ) a n d u n r e s p o n s i v e f l o w c o n g e s t i o n c o l l a p s e p o s s i b i l i t i e s m a k e p e r f l o w s c h e d u l i n g a l e s s a t t r a c t i v e o p t i o n T h e p a p e r s u g g e s t s a r o u t e r b a s e d b a n d w i d t h r e s t r i c t i o n s o l u t i o n T h e a u t h o r s p r o p o s e t o u s e r o u t e r m e c h a n i s m s t h a t i d e n t i f y a n d r e g u l a t e c e r t a i n m i s b e h a v i n g f l o w s a s a s o l u t i o n I t i s s u g g e s t e d t h a t t h i s r e g u l a t i o n w o u l d p r o v i d e t h e i n c e n t i v e s n e e d e d t o r e m o v e t h e c o n g e s t i o n c o l l a p s e p o s s i b i l i t y I n t h e p a p e r t h e y d e s c r i b e h o w t o i d e n t i f y t h e f l o w s b u t n o t e x a c t l y h o w t o r e g u l a t e t h e m o n c e i d e n t i f i e d T h e m e c h a n i s m w o u l d l o o k f o r t h r e e t y p e s o f f l o w s : u n r e s p o n s i v e n o n T C P f r i e n d l y a n d f l o w s t h a t u s e d d i s p r o p o r t i o n a t e l e v e l s o f b a n d w i d t h U n r e s p o n s i v e f l o w s a r e d e f i n e d a s f l o w s t h a t d o n o t h a v e a d e c r e a s i n g a r r i v a l r a t e a t t h e r o u t e r w h e n t h e r e i s a n i n c r e a s i n g p a c k e t d r o p r a t e R o u t e r s w o u l d i d e n t i f y n o n T C P f r i e n d l y f l o w s u s i n g a n e q u a t i o n f r o m t h e p a p e r t h a t w o u l d p r o d u c e a t a b l e o f s t e a d y s t a t e p a c k e t d r o p r a t e s m a p p e d t o m a x i m u m f l o w a r r i v a l r a t e A T C P f r i e n d l y f l o w i s o n e t h a t w o u l d a c t t h e s a m e t o o t h e r T C P f l o w s a s a T C P f l o w w o u l d I f a f l o w i s u s i n g m o r e t h a n t h e c o o r d i n a t e a r r i v a l r a t e t h e r o u t e r w o u l d b e a l l o w e d t o r e s t r i c t t h a t f l o w ’ s b a n d w i d t h T h e r e i s n o t a g u a r a n t e e t h a t T C P f r i e n d l y f l o w s w i l l b e f r i e n d l y b e t w e e n e a c h o t h e r F o r e x a m p l e a f l o w w i t h a l a r g e R T T m a y p e r f o r m w o r s e t h a n a f l o w w i t h a s h o r t R T T s i n c e

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1 9 T C P i n c r e a s e s i t s w i n d o w u s i n g t h e R T T F l o w s u s i n g d i s p r o p o r t i o n a t e l e v e l s o f b a n d w i d t h w o u l d b e i d e n t i f i e d b y e q u a t i o n s f o r f l o w s u s i n g a d i s p r o p o r t i o n a t e s h a r e o f t h e b a n d w i d t h a n d a h i g h a r r i v a l r a t e r e l a t i v e t o t h e l e v e l o f c o n g e s t i o n O n e i s s u e w i t h t h i s s y s t e m a s n o t e d i n A l b u q u e r q u e e t a l [ 1 ] i s t h a t c u r r e n t m e t h o d s t o i d e n t i f y u n r e s p o n s i v e f l o w s d o n o t a l w a y s w o r k A l s o f o r t h e s y s t e m t o w o r k i t r e q u i r e s c h a n g e s t o a l l t h e i n t e r m e d i a t e s y s t e m s t o g o v e r n t h e f l o w s c o r r e c t l y A n e x a m p l e o f a n o t h e r r o u t e r b a s e d b a n d w i d t h r e s t r i c t i o n s o l u t i o n i s N e t w o r k B o r d e r P a t r o l ( N B P ) I n [ 1 ] t h e p a p e r i n t r o d u c e s N B P a s a c o n g e s t i o n a v o i d a n c e m e c h a n i s m r o u t e r b a s e d s o l u t i o n T h e m e c h a n i s m i s i m p l e m e n t e d a t t h e e d g e r o u t e r s o f a n e t w o r k t o r e s t r i c t p a c k e t s b e i n g s e n t i n t o t h e n e t w o r k t h a t a r e l i k e l y d r o p p i n g p a c k e t s b e f o r e t h e y r e a c h t h e d e s t i n a t i o n T h e a u t h o r s a r g u e a g a i n s t p e r f l o w p a c k e t s o l u t i o n s c l a i m i n g t h e y a r e c o m p l i c a t e d ( c o m p a r e d t o F i r s t I n F i r s t O u t ) e x p e n s i v e a n d n o t c u r r e n t l y g l o b a l s o l u t i o n s w h i c h a l l o w s f o r c o n g e s t i o n c o l l a p s e t o s t i l l o c c u r I n s t e a d t h e y a r g u e f o r r o u t e r s t o c o m m u n i c a t e a m o n g s t e a c h o t h e r t o i d e n t i f y f l o w s w h i c h m a y b e i n s e r t i n g u n d e l i v e r a b l e p a c k e t s i n t o t h e n e t w o r k T h e a u t h o r s u s e t h e e d g e r o u t e r s i n a t t e m p t t o p u s h t h e c o m p l e x i t y t o t h e e d g e o f t h e n e t w o r k T h e s o l u t i o n i d e n t i f i e s f l o w s u s i n g i n g r e s s a n d e g r e s s r o u t e r s r e s p e c t i v e t o a f l o w s e n t r y a n d e x i t p o i n t s w i t h i n t h e n e t w o r k T h e m e c h a n i s m i d e n t i f i e s f l o w s i n s e r t i n g u n d e l i v e r e d p a c k e t s b y c o m p a r i n g t h e r a t e t h a t p a c k e t s e n t e r t h e n e t w o r k a g a i n s t t h e r a t e t h e y l e a v e i t T h e t o o l a s s u m e s c o n g e s t i o n i s o c c u r r i n g i f t h e e x i t r a t e i s a c e r t a i n d e g r e e l e s s t h a n t h e e n t r y r a t e A f t e r f e e d b a c k h a s b e e n r e c e i v e d a n d c o n g e s t e d f l o w s i d e n t i f i e d t h e r a t e c o n t r o l a l g o r i t h m r e d u c e s t h e r a t e o f t h e f l o w A s n o t e d i n F l o y d a n d F a l l

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2 0 [ 5 ] r o u t e r b a s e d s o l u t i o n s c a n a i d e i n r e d u c i n g c o n g e s t i o n c o n t r o l b u t n o t e l i m i n a t e t h e p o s s i b i l i t y 2 6 2 E n d S y s t e m B a s e d S o l u t i o n s T h e r e a r e c u r r e n t l y s e v e r a l w a y s t o d e t e c t c o n g e s t i o n f r o m a n e n d s y s t e m O n e w a y i s u s i n g s e n d e r s i d e w i n d o w s b a s e d f l o w c o n t r o l a n d a d j u s t i n g t h e w i n d o w s i z e b a s e d o n r e c e i v i n g p o s i t i v e o r n e g a t i v e A C K s ( a c k n o w l e d g e m e n t s ) f r o m t h e r e c e i v e r T C P i s a s e n d e r b a s e d r a t e c o n t r o l a n d w i n d o w b a s e d c o n g e s t i o n c o n t r o l t h a t e s t i m a t e s R T T s ( R o u n d T r i p T i m e s ) t o d e t e r m i n e i f c o n g e s t i o n e x i s t s P a c k e t l o s s i s i n d i c a t e d b y a t i m e o u t C o n g e s t i o n c a n a l s o b e i n f e r r e d f r o m t h e a v a i l a b l e b a n d w i d t h I f a v a i l a b l e b a n d w i d t h i s t r e n d i n g t o d e c r e a s e c o n g e s t i o n i s i n c r e a s i n g I f t h e r e i s n o a v a i l a b l e b a n d w i d t h c o n g e s t i o n e x i s t s S o l u t i o n s c a n p r o b e t h e n e t w o r k f o r a v a i l a b l e b a n d w i d t h o r t h e y c a n a l s o t r a c k h i s t o r y a n d d e t e c t t r e n d s t o p r e d i c t c o n g e s t i o n C o n g e s t i o n c a n b e i n f e r r e d f r o m p a c k e t l o s s w h e t h e r e x p l i c i t ( e g w i t h E x p l i c i t C o n g e s t i o n N o t i f i c a t i o n E C N ) o r i m p l i e d U D P i s a c o n n e c t i o n l e s s p r o t o c o l a n d t h u s p a c k e t l o s s c a n n o t b e u s e d w i t h U D P a l o n e s i n c e t h e s e n d e r h a s n o g u a r a n t e e o f r e c e i v i n g f e e d b a c k f r o m t h e r e c e i v e r a b o u t p a c k e t l o s s N e x t w e i n v e s t i g a t e a p p l i c a t i o n l a y e r s o l u t i o n s I n G u a n d G r o s s m a n [ 8 ] t h e p a p e r d e s c r i b e s a n e w p r o t o c o l U D P b a s e d D a t a T r a n s f e r p r o t o c o l ( U D T ) a s a n a p p l i c a t i o n l e v e l p r o t o c o l s o l u t i o n t o c o n g e s t i o n c o n t r o l T h e p r o t o c o l i s a n a d d i t i o n a b o v e U D P t h a t p r o v i d e s r e l i a b i l i t y a n d c o n g e s t i o n c o n t r o l I t a c c o m p l i s h e s t h i s b y c o m b i n i n g b o t h r a t e a n d w i n d o w s b a s e d c o n g e s t i o n c o n t r o l m e c h a n i s m s T h e p r o t o c o l u s e s t h e r a t e c o n t r o l t o d e t e r m i n e t h e p e r f o r m a n c e a n d t h e w i n d o w s b a s e d c o n t r o l i s u s e d t o e n s u r e T C P f r i e n d l i n e s s T h e

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2 1 b a n d w i d t h e s t i m a t i o n u s e d t o d e t e r m i n e t h e r a t e i n c r e a s e i s a c a p a c i t y m e a s u r e m e n t d o n e u s i n g p a i r s o f p r o b i n g p a c k e t s a n d a w e i g h t e d a v e r a g e T h e s o l u t i o n d o e s n o t a c c o u n t f o r p r o v i d i n g a s m o o t h r a t e f o r t h e a p p l i c a t i o n s I n B a l k e t a l [ 4 ] t h e a u t h o r s i n t r o d u c e V i d e o T r a n s p o r t P r o t o c o l ( V T P ) T h i s i s a r a t e b a s e d a p p l i c a t i o n l a y e r s o l u t i o n t h a t i n c l u d e s r e c e i v e r s i d e b a n d w i d t h e s t i m a t i o n u s i n g a t o o l c a l l e d N e t P e e r T h e p r o t o c o l r e q u i r e s t h e r e t o b e s p e c i a l c o d e r u n n i n g a t b o t h t h e s e n d e r a n d r e c e i v e r e n d t o e n a b l e t h e p r o t o c o l T h e p a p e r s p e c i f i c a l l y r e s t r i c t s t h e p r o t o c o l t o M P E G 4 v i d e o T h e b a n d w i d t h e s t i m a t i o n i s d o n e u s i n g a c k n o w l e d g e m e n t s ( A C K s ) a n d R T T s a n d a v e r a g i n g t h e s a m p l e s t a k e n T h e s o l u t i o n w i l l a l s o v e r i f y i n c r e a s e s i n b a n d w i d t h b e f o r e a d j u s t i n g t h e r a t e t o e n s u r e t h a t e x t r a b a n d w i d t h i s a c t u a l l y a v a i l a b l e T h e r a t e a d j u s t m e n t i s d i f f e r e n t t h a n T C P i n t h a t i t w i l l n o t r e d u c e i t s r a t e a s t h e A I M D a l g o r i t h m s p e c i f i e s b u t w i l l r e d u c e i t t o a l e v e l t h a t w i t h t h e b a n d w i d t h e s t i m a t i o n i t b e l i e v e s t h e n e t w o r k c a n h a n d l e T h e p r o t o c o l a l s o i n c l u d e s s c h e m e s t o m o d i f y t h e v i d e o e n c o d i n g s t o b e s t m a t c h t h e a v a i l a b l e b a n d w i d t h a n d p r o d u c e t h e b e s t q u a l i t y T h e p r o t o c o l i s a m e d i a s p e c i f i c s o l u t i o n A m u l t i l a y e r s o l u t i o n i s d e s c r i b e d i n W u e t a l [ 1 9 ] w h i c h d i s c u s s e s h o w M P E G 4 c a n b e t r a n s p o r t e d o v e r t h e I n t e r n e t T h i s s c h e m e u s e s a r e c e i v e r s i d e p a c k e t l o s s r a t i o d e d u c e d f r o m t h e s e q u e n c e n u m b e r s t o d e t e r m i n e a v a i l a b l e n e t w o r k b a n d w i d t h I t u t i l i z e s A I M D ( A d d i t i v e I n c r e a s e M u l t i p l i c a t i v e D e c r e a s e ) t o a d j u s t t h e r a t e i n r e s p o n s e t o c o n g e s t i o n f e e d b a c k I t u t i l i z e s R T P ( R e a l T i m e P r o t o c o l ) \ R T C P ( R e a l T i m e C o n t r o l P r o t o c o l ) m e s s a g e s t o c o m m u n i c a t e c o n g e s t i o n f e e d b a c k T h e s o l u t i o n d o e s n o t u t i l i z e t h e n e t w o r k i n a n y p o r t i o n b e t t e r t h a n T C P d o e s

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2 2 I n B a l a k r i s h n a n e t a l [ 3 ] t h e a u t h o r s i n t r o d u c e a n e n d s y s t e m s f r a m e w o r k t o s o l v e t h e c o n g e s t i o n c o l l a p s e p r o b l e m T h e i r s o l u t i o n n a m e d t h e C o n g e s t i o n M a n a g e r ( C M ) i s a g e n e r i c a r c h i t e c t u r e t h a t s i t s b e t w e e n t h e a p p l i c a t i o n a n d b e l o w t h e t r a n s p o r t l a y e r t o p r o v i d e a n A p p l i c a t i o n P r o g r a m I n t e r f a c e ( A P I ) t h a t a l l o w s t h e a p p l i c a t i o n s t o l e a r n a b o u t t h e n e t w o r k c o n d i t i o n a n d a l s o n o t i f y o t h e r l a y e r s a b o u t t h e p e r c e i v e d n e t w o r k c o n d i t i o n T h e s o l u t i o n i n c l u d e s w i n d o w s b a s e d c o n g e s t i o n c o n t r o l r e c e i v e r s i d e f e e d b a c k f o r b a n d w i d t h e s t i m a t i o n a n d a n A I M D r a t e c o n t r o l l e r T h e s o l u t i o n e s t i m a t e s t h e b a n d w i d t h u s i n g p r o b e s t h a t a r e s e n t t o g a t h e r i n f o r m a t i o n f r o m A C K s a n d E x p l i c i t C o n g e s t i o n N o t i f i c a t i o n O n e a d v a n t a g e o f t h i s s o l u t i o n i s t h a t a l l o f a n e n d s y s t e m ’ s c o n n e c t i o n s c a n s h a r e i n f o r m a t i o n a b o u t t h e n e t w o r k a n d s h a r e t h e b a n d w i d t h m o r e f a i r l y b e t w e e n t h e m s e l v e s T h i s i n f o r m a t i o n c a n b e s h a r e d a c r o s s t h e f l o w s a n d p r o t o c o l s ( e g T C P a n d U D P f l o w s ) T h e c e n t r a l i z a t i o n a l s o e n c a p s u l a t e s t h e c o n g e s t i o n c o n t r o l a n d f r e e s t h e a p p l i c a t i o n a b o v e f r o m t h i s r e s p o n s i b i l i t y T h e s o l u t i o n r e q u i r e s s p e c i f i c r e c e i v e r s i d e c o d e t o a c c o m m o d a t e t h e w i n d o w s f u n c t i o n s o f n o n T C P f l o w s A d i s a d v a n t a g e n o t e d b y K o h l e r e t a l [ 1 3 ] i s t h a t t h e C M i s l i m i t e d t o a s i n g l e c o n g e s t i o n c o n t r o l m e c h a n i s m ( a s o p p o s e d t o D C C P ’ s f l e x i b l e a p p r o a c h ) a n d t h a t t h e r e c a n b e m i d d l e b o x t r a v e r s a l i s s u e s I n M i r a s e t a l [ 3 1 ] t h e a u t h o r s i n t r o d u c e a m e t h o d t o s m o o t h t h e s o u r c e r a t e o f a l i v e i n t e r n e t v i d e o s t r e a m a n d i n c r e a s e t h e u s e r ’ s p e r c e i v e d q u a l i t y T h e a u t h o r ’ s u t i l i z e i n p u t f r o m a T C P F r i e n d l y c o n g e s t i o n c o n t r o l m e c h a n i s m a r t i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k s f o r p r e d i c t i n g v i d e o q u a l i t y a n d a f u z z y c o n t r o l l e r t o c o n s i d e r b o t h t h e s e n d r a t e f o r T C P F r i e n d l i n e s s a n d t h e q u a l i t y o f t h e v i d e o W h i l e t h i s m e t h o d d o e s i n c l u d e c o n g e s t i o n c o n t r o l i t i s v i d e o s p e c i f i c a n d r e l i e s o n b u f f e r s t o i m p r o v e t h e p e r c e i v e d q u a l i t y

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2 3 T h e c o n g e s t i o n c o l l a p s e p r o b l e m h a s a l s o b e e n i n v e s t i g a t e d a t t h e t r a n s p o r t l a y e r I n K o h l e r e t a l [ 1 3 ] t h e D a t a g r a m C o n g e s t i o n C o n t r o l P r o t o c o l ( D C C P ) i s s p e c i f i e d a n d i n K o h l e r e t a l [ 1 2 ] t h e d e s i g n o f t h e p r o t o c o l i s d e s c r i b e d T h e p r o t o c o l i s i n t e n d e d t o p r o v i d e c o n g e s t i o n c o n t r o l f o r u n r e l i a b l e f l o w s o f a p p l i c a t i o n s t h a t p u t m o r e e m p h a s i s o n t i m e l y d e l i v e r y o f t h e d a t a r a t h e r t h a n o r d e r l y a n d r e c e i v e r a c k n o w l e d g e d d a t a E x a m p l e a p p l i c a t i o n s g i v e n a r e s t r e a m i n g v i d e o I n t e r n e t t e l e p h o n y a n d o n l i n e g a m e s T h e s e a p p l i c a t i o n s h a v e a r e c e i v e r t h a t w a n t s t h e d a t a a r r i v i n g t o b e t h e l a t e s t d a t a a n d d o e s n ’ t n e e d t h e s e n d e r t o r e s e n d a n y l o s t p a c k e t s s i n c e b y t h e t i m e t h e y a r e r e s e n t t h e y w o u l d n ’ t b e u s e f u l a n y l o n g e r T h e D C C P p r o t o c o l a t t e m p t s t o p r o v i d e t h e s e r v i c e s r e q u i r e d b y t h e d e l a y s e n s i t i v e a p p l i c a t i o n s w h i l e n o t s u b j e c t i n g t h e I n t e r n e t t o t h e c o n g e s t i o n c o l l a p s e p o s s i b i l i t y a s t h e U D P p r o t o c o l ( c u r r e n t l y u s e d f o r t h e s e a p p l i c a t i o n s ) d o e s T h e d e s i g n o f t h e p r o t o c o l i n t e n d e d t o m a k e i t a s s i m p l e a n d g e n e r a l a s p o s s i b l e u s i n g o n l y t h e m i n i m u m o v e r h e a d a n d i n c l u d e o n l y t h e m i n i m u m o f r e q u i r e d f u n c t i o n s T h e d e s i g n i s a l s o i n t e n d e d t o b e f l e x i b l e a n d i n c l u d e a l a r g e n u m b e r o f b i t s f o r o p t i o n s t o a l l o w t h e p r o t o c o l t o b e u s e d w i t h f u t u r e t e c h n o l o g i e s H e r e i s a b r i e f s y n o p s i s o f t h e D C C P f u n c t i o n a l i t y a n d c h a r a c t e r i s t i c s d e s c r i b e d i n t h e p a p e r T h e p r o t o c o l i s u n r e l i a b l e i n t h a t t h e p a c k e t s a r e n o t r e s e n t i f t h e y d o n o t r e a c h t h e r e c e i v e r A l t h o u g h t h e p a c k e t s a r e n o t s e n t a c k n o w l e d g e m e n t s a r e i n c l u d e d s o t h a t t h e s e n d e r c a n b e i n f o r m e d b y t h e r e c e i v e r o f c o n g e s t i o n a n d r e a c t a p p r o p r i a t e l y T h e p r o t o c o l a l l o w s t h e s e n d e r t o d i s t i n g u i s h w h e t h e r t h e p a c k e t r e a c h e d t h e r e c e i v e r ’ s a p p l i c a t i o n o r w a s d r o p p e d i n t h e r e c e i v e r ’ s b u f f e r S i m i l a r t o T C P t h e p r o t o c o l u t i l i z e s a c o n n e c t i o n

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2 4 h a n d s h a k e f o r s e t t i n g u p a n d t e a r i n g d o w n c o n n e c t i o n s T h i s a l l o w s t h e p r o t o c o l t o g e t t h r o u g h m i d d l e b o x e s s u c h a s f i r e w a l l s a n d N e t w o r k A d d r e s s T r a n s l a t o r ( N A T ) b o x e s s i m i l a r t o h o w T C P d o e s a n d b e t t e r t h a n U D P T r a v e r s a l i s m a d e m o r e p r o b a b l e b y u s i n g a s i n g l e c o n n e c t i o n a s o p p o s e d t o m u l t i p l e r a n d o m l y g e n e r a t e d p o r t s T h e c h o i c e o f c o n g e s t i o n c o n t r o l m e c h a n i s m s i s a n o p t i o n a n d c a n b e d i f f e r e n t f o r e a c h o f t h e h a l f c o n n e c t i o n s ( s e n d e r t o r e c e i v e r a n d r e c e i v e r t o s e n d e r ) s u p p o r t e d T h e r e i s E x p l i c i t C o n g e s t i o n N o t i f i c a t i o n ( E C N ) s u p p o r t P a t h M T U D i s c o v e r y i s a l s o i n c l u d e d t o e l i m i n a t e t h e p o t e n t i a l f o r f r a g m e n t a t i o n b a s e d c o n g e s t i o n c o l l a p s e T h e p r o t o c o l a l s o i n c l u d e s o p t i o n s f o r f l e x i b i l i t y a n d r e l i a b l e f e a t u r e n e g o t i a t i o n s o t h a t t h e s e n d e r a n d r e c e i v e r c a n a g r e e o n t h e b e s t s u p p o r t e d m e t h o d s f o r t h e c o n n e c t i o n T h e D C C P p r o t o c o l d o e s n o t d i r e c t l y a n d c o m p l e t e l y s o l v e t h e c o n g e s t i o n c o l l a p s e p r o b l e m w i t h o u t s p e c i f y i n g T C P F r i e n d l y R a t e C o n t r o l ( T F R C ) w h i c h i s d i s c u s s e d l a t e r I n W i d m e r e t a l [ 2 0 ] t h e p a p e r s u r v e y s T C P f r i e n d l y c o n g e s t i o n c o n t r o l s o l u t i o n s T h e s u r v e y i n c l u d e s A I M D a n d w i n d o w s b a s e d c o n g e s t i o n c o n t r o l s c h e m e s T h e R a t e A d a p t a t i o n P r o t o c o l ( R A P ) i s a r a t e b a s e d p r o t o c o l t h a t u s e s a c k n o w l e d g e m e n t s ( A C K s ) t o d e t e c t p a c k e t l o s s a n d i n f e r t h e R T T I t a d a p t s t o t h e n e t w o r k s t a t u s w i t h A I M D a n d i n c r e a s e s i n t i m e s w i t h o u t c o n g e s t i o n b y 1 p a c k e t p e r R T T T h e p a p e r s u g g e s t s t h a t R A P m a y a c t m o r e a g g r e s s i v e t h a n T C P s i n c e i t d o e s n o t t a k e i n t o a c c o u n t t i m e o u t s T h e L o s s D e l a y B a s e d A d a p t a t i o n A l g o r i t h m ( L D A + ) u t i l i z e s f e e d b a c k m e s s a g e s f r o m R T C P a n d c o n t r o l s t h e r a t e u s i n g s o m e t h i n g s i m i l a r t o A I M D F o r e x a m p l e t h e a l g o r i t h m w i l l i n c r e a s e t h e r a t e o f a l o w b a n d w i d t h f l o w f a s t e r t h a n a h i g h b a n d w i d t h f l o w T h e p a p e r n o t e s t h a t r e l y i n g o n R T C P w h i c h s e n d s f e e d b a c k t o t h e s e n d e r i n f r e q u e n t l y m a y b e s l o w t o r e a c t

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2 5 T C P E m u l a t i o n a t R e c e i v e r s ( T E A R ) u s e s a c o n g e s t i o n w i n d o w a t t h e r e c e i v e r a n d a t t e m p t s t o d e t e r m i n e h o w T C P w o u l d a d j u s t t h e r a t e T h e p a p e r n o t e s t h a t t h e p r o t o c o l c a n o n l y r o u g h l y e s t i m a t e t i m e o u t s b u t d o e s a c t f r i e n d l y t o T C P w i t h o u t t h e s a w l i k e b e h a v i o r o f T C P O n e i s s u e w i t h s c h e m e s t h a t t r y t o b e T C P f r i e n d l y i s t h a t t h e y m u s t a l s o d e g r a d e i t s t h r o u g h p u t w i t h h i g h R T T s s i n c e T C P d o e s t h i s A n o t h e r T C P l i k e c o n g e s t i o n c o n t r o l a n d A I M D r u l e s o l u t i o n i s d e s c r i b e d i n K i m e t a l [ 1 1 ] T h e a u t h o r s i n t r o d u c e a c o m p l e t e t r a n s m i s s i o n s c h e m e i n c l u d i n g a T C P f r i e n d l y e n d t o e n d c o n g e s t i o n c o n t r o l m e c h a n i s m a n d a v a i l a b l e b a n d w i d t h e s t i m a t o r k n o w n a s R e c e i v e r b a s e d C o n g e s t i o n C o n t r o l m e c h a n i s m ( R C C M ) a n e n c o d i n g a n d s m o o t h i n g c o m p o n e n t a t t h e s e n d e r a n d q u a l i t y r e c o v e r y t o o l s a t t h e r e c e i v e r T h i s s o l u t i o n i s a v i d e o s p e c i f i c s o l u t i o n b a s e d o n t h e I T U T H 2 6 3 + s c h e m e I t c o n s i s t s o f t r y i n g t o r e d u c e s e n d i n g o f p a c k e t s t h a t w i l l n o t r e a c h t h e r e c e i v e r a n d t r y i n g t o a d j u s t t h e q u a l i t y o r r e s o l u t i o n o f t h e v i d e o b a s e d o n t h e a v a i l a b l e b a n d w i d t h t h e s e n d e r h a s A l t h o u g h t h i s w o r k i s n o t c o v e r i n g a l l o f t h e a s p e c t s o f t h e v i d e o s t r e a m i n g p r o b l e m i t i s i n t e r e s t e d i n t h e R C C M m e c h a n i s m T h e R C C M m e c h a n i s m i s a m e c h a n i s m t h a t p r o d u c e s f e e d b a c k t o t h e s e n d e r i n t h e f o r m o f a b i t b u d g e t o r a v a i l a b l e b a n d w i d t h t h e s e n d e r c a n u s e I t i s a v i d e o s p e c i f i c t o o l c r e a t e d w i t h v i d e o r a t e a n d e r r o r r e c o v e r y i s s u e s I n o r d e r t o p r o v i d e a s m o o t h e r t r a n s i t i o n i n s e n d i n g r a t e R C C M r e l a x e s t h e A I M D r u l e a n d u t i l i z e s e q u a t i o n s a d j u s t i n g t h e r a t e w i t h s t e p s l i k e w e i g h t e d t e m p o r a l s m o o t h i n g R C C M e s t i m a t e s t h e a v a i l a b l e b a n d w i d t h u s i n g i n t e r a r r i v a l t i m e s i z e a n d l o s s o f e a c h p a c k e t o r u s i n g a c o n g e s t i o n d e g r e e m e a s u r e m e n t W h i l e t h i s s o l u t i o n d o e s h a v e a d v a n t a g e s i t i s m e d i a s p e c i f i c

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2 6 F i n a l l y w e d i s c u s s t h e T C P m o d e l a n d e q u a t i o n b a s e d s c h e m e s I n K e l l y e t a l [ 1 0 ] t h e a u t h o r s a t t e m p t t o c r e a t e m o d e l s t o i n v e s t i g a t e h o w t r a f f i c p a t t e r n s t o p o l o g i e s t r a n s p o r t p r o t o c o l s a n d o t h e r v a r i a b l e s a f f e c t h i g h c o n s i s t e n t l e v e l s o f p a c k e t d r o p s T h e a u t h o r s i n t r o d u c e d e a d p a c k e t s ( a p a c k e t t h a t n e v e r r e a c h e s i t s i n t e n d e d d e s t i n a t i o n ) d u p l i c a t e p a c k e t s d u m m y p a c k e t s ( p a c k e t s t h a t c a r r y n o t h i n g r e q u e s t e d o r u s e f u l ) a n d f r a g m e n t s o f p a c k e t s A s e c o n d g o a l o f t h e p a p e r i s t o i n v e s t i g a t e h o w t h e v a r i a b l e s m e n t i o n e d a b o v e a f f e c t t h e n u m b e r o f d e a d p a c k e t s i n t h e n e t w o r k T h e p a p e r i n t r o d u c e s a n u m b e r o f e q u a t i o n b a s e d t h e o r e t i c a l m o d e l s f o r a n u m b e r o f s c e n a r i o s T h e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e m o d e l p r e d i c a t i o n s a n d s i m u l a t e d r e s u l t s a r e t h e n a n a l y z e d t o v a l i d a t e t h e c o r r e c t n e s s o f t h e m o d e l s T h e r e s u l t s o f t h e p a p e r s h o w e d t h a t g e n e r a l l y h i g h c o n s i s t e n t p a c k e t l o s s r a t e s c a n o c c u r w i t h g r e e d y s e n d e r s s h a r i n g e i t h e r a F I F O o r F Q l i n k T h e p a p e r a d m i t t e d l y c o u l d n o t f i n d a n a c c u r a t e g e n e r a l m o d e l f o r s y s t e m e q u i l i b r i u m w i t h g e n e r a l t o p o l o g i e s a n d g r e e d y s o u r c e s a l t h o u g h i t d i d f i n d s p e c i f i c v a l i d a t e d m o d e l s s u c h a s g o o d p u t p r e d i c t i o n i n a R a n d o m E a r l y D e t e c t i o n ( R E D ) q u e u e m a n a g e m e n t i n a c y c l i c t o p o l o g y I t f u r t h e r s p e c i f i c a l l y f o u n d t h a t i n a c y c l i c n e t w o r k a s t h e l o a d o n t h e n e t w o r k i s i n c r e a s e d t h e s u m t o t a l n u m b e r o f p a c k e t s r e a c h i n g t h e i r d e s t i n a t i o n a n d d o i n g u s e f u l w o r k c a n d e c r e a s e T h i s d e c r e a s e d d e a d p a c k e t r a t i o i n c r e a s e s ( c l o s i n g t o 1 ) a s m o r e l i n k s a r e a d d e d W h i l e t h e p a p e r d i d c r e a t e a n d v a l i d a t e m a n y m o d e l s f o r s p e c i f i c n e t w o r k s c e n a r i o s i t d o e s d e m o n s t r a t e t h e n e e d f o r c o n g e s t i o n c o n t r o l t o r e m o v e t h e c o n g e s t i o n c o l l a p s e p o s s i b i l i t y f o r a l l s e n d i n g s o u r c e s r e g a r d l e s s o f t h e n e t w o r k s c e n a r i o ( t o p o l o g y q u e u e m a n a g e m e n t l i n k s b a n d w i d t h e t c )

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2 7 I n F l o y d e t a l [ 6 ] t h e a u t h o r s i n v e s t i g a t e a m o d e l b a s e d a l g o r i t h m f o r e n d t o e n d c o n g e s t i o n c o n t r o l T h e i r s o l u t i o n i n t r o d u c e s T F R C ( T C P F r i e n d l y R a t e C o n t r o l ) t o p r o v i d e c o n g e s t i o n c o n t r o l f o r r e a l t i m e a p p l i c a t i o n s i n o r d e r t o p r o v i d e a n i n c e n t i v e f o r a p p l i c a t i o n s t o u s e i t w h i l e r e a c t i n g m o r e b e n e f i c i a l t o o t h e r f l o w s i n t h e n e t w o r k T h e a l g o r i t h m t r a c k s a l o s s e v e n t r a t e a s o p p o s e d t o r e a c t i n g t o a s i n g l e l o s t p a c k e t I t u t i l i z e s a n e q u a t i o n t o m i m i c c l o s e l y w h a t T C P w o u l d d o i n t h e s a m e s i t u a t i o n t o a c h i e v e T C P f r i e n d l i n e s s I t a t t e m p t s t o m a t c h t h e t h r o u g h p u t t h a t a T C P f l o w w o u l d h a v e i n t h e s a m e s i t u a t i o n T h e s o l u t i o n a t t e m p t s t o m e e t t h e r e q u i r e m e n t s o f r e a l t i m e a p p l i c a t i o n s w h i l e r e m a i n i n g f r i e n d l y t o o t h e r n e t w o r k n e e d s R e a l t i m e a p p l i c a t i o n s r e a c t p o o r l y t o d r a s t i c c h a n g e s i n b a n d w i d t h b y m a k i n g p e r c e i v a b l e e f f e c t s t o t h e u s e r s u c h a s v i d e o b e c o m i n g s t a t i c o r p i x i l a t e d T h e p a p e r a t t e m p t s t o p r o v i d e a s m o o t h i n g o f t h e b a n d w i d t h t o r e d u c e t h i s e f f e c t T F R C i s g i v i n g a n u p p e r b o u n d t o t h e r a t e s e n t o u t i n t o t h e n e t w o r k E q u a t i o n b a s e d c o n g e s t i o n c o n t r o l a t t e m p t s t o f o r m a n e q u a t i o n m i m i c k i n g t h e T C P r e s p o n s e f u n c t i o n I t a t t e m p t s t o m a t c h h o w T C P w o u l d r e a c t i n a c e r t a i n n e t w o r k e n v i r o n m e n t w i t h c e r t a i n n e t w o r k p a r a m e t e r s T h e s o l u t i o n d o e s n o t g r a b a l l a v a i l a b l e b a n d w i d t h g r e e d i l y b u t r a t h e r r e s p o n d s t o c o n g e s t i o n w h i l e a t t e m p t i n g t o k e e p a r e l a t i v e l y s m o o t h r a t e f o r t h e a p p l i c a t i o n T h e s o l u t i o n m e a s u r e s t h e l o s s e v e n t r a t e o v e r a l o n g p e r i o d o f t i m e t o p r o v i d e a l e s s f l u c t u a t i n g a v a i l a b l e b a n d w i d t h m e a s u r e m e n t T h e l o s s e v e n t r a t e i s u s e d a s o p p o s e d t o a p a c k e t l o s s r a t e I t i s u s e d t o p r e d i c t f u t u r e p a c k e t l o s s e s T h e l o s s e v e n t i s p a c k e t s l o s t w i t h i n a r o u n d t r i p t i m e a n d t h e l o s s i n t e r v a l i t i s m e a s u r e d o v e r i s t h e n u m b e r o f p a c k e t s b e t w e e n l o s s e v e n t s T h e l o s s e v e n t r a t e i s t h e n d e s c r i b e d i n H a n d l e y e t a l [ 9 ] a s t h e n u m b e r o f l o s s e v e n t s a s a f r a c t i o n o f t h e n u m b e r o f p a c k e t s t r a n s m i t t e d

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2 8 I n t h e p a p e r s Z h a n g e t a l [ 2 2 ] a n d Z h u e t a l [ 2 3 ] t h e M u l t i m e d i a S t r e a m i n g T C P f r i e n d l y P r o t o c o l ( M S T F P ) i s i n t r o d u c e d T h i s p r o t o c o l i s f u r t h e r e x t e n d e d i n Y a n g e t a l [ 2 1 ] t o a d a p t t o t h e w i r e l e s s I n t e r n e t w i t h W i r e l e s s M u l t i m e d i a S t r e a m i n g T C P f r i e n d l y P r o t o c o l ( W M S T F P ) A m a j o r a d d i t i o n i s W M S T F P a d d s t h e a b i l i t y t o d i f f e r e n t i a t e b e t w e e n e r r o r s i n t h e w i r e l e s s h o p a n d c o n g e s t i o n w h i c h w o u l d b e a d a p t e d t o T h e s o l u t i o n s i t s a t t h e a p p l i c a t i o n a n d t r a n s p o r t l a y e r s a n d p e r f o r m s p a c k e t l o s s r a t i o R T T a n d a v a i l a b l e b a n d w i d t h e s t i m a t i o n a n d s e n d e r r a t e a d j u s t m e n t T h e p r o t o c o l s u s e t h e r e c e i v e r ’ s f e e d b a c k t o g e t p a c k e t l o s s r a t e R T T s a n d t i m e o u t s t o e s t i m a t e t h e a v a i l a b l e b a n d w i d t h W i t h t h i s e s t i m a t i o n t h e s e n d e r d e c i d e s w h a t r a t e t o s e n d u s i n g a T C P m o d e l t o e n s u r e T C P f r i e n d l i n e s s I t i n t e g r a t e s t h e h i s t o r i c a l d a t a t o p r o v i d e a s m o o t h r a t e f o r t h e a p p l i c a t i o n s T h e s o l u t i o n h a s s o m e c o m p o n e n t s t h a t a r e s p e c i f i c t o M P E G 4 v i d e o I t a d a p t s t h e e n c o d i n g d u r i n g g o o d n e t w o r k c o n d i t i o n s t o p r o v i d e m o r e b i t s f o r b e t t e r r e s o l u t i o n a n d r e d u c e s t h e a m o u n t o f b i t s i n b a d n e t w o r k c o n d i t i o n s T h i s a l l o w s t h e u s e r t o s t i l l g e t s o m e v i d e o i n b a d n e t w o r k c o n d i t i o n s w h e n w i t h o u t m o d i f y i n g t h e b u d g e t e d b i t s m a y h a v e p r o v i d e d m o r e p e r c e i v a b l e v i d e o a n n o y a n c e s W i t h T F R C M S T F P a n d o t h e r m o d e l b a s e d s o l u t i o n s a t t e m p t i n g t o m a t c h w h a t T C P w o u l d d o i n a s i t u a t i o n t h e y w i l l b e l i m i t e d t o t h e s a m e f u n c t i o n a l i t y a s T C P T h e i s s u e w i t h t h e a p p r o a c h u t i l i z e d i n s t r i c t T C P f r i e n d l y s o l u t i o n s i s t h a t t h e y f o c u s p r i m a r i l y o n T C P f r i e n d l i n e s s a n d m a y b e m i s s i n g o u t o n a v a i l a b l e b a n d w i d t h a n d e f f e c t i v e l y w a s t e r e s o u r c e s T F R C w i l l d i c t a t e a n u p p e r b o u n d r a t e w h i c h s h o u l d n o t b e o v e r r u n i n o r d e r t o r e m a i n s t r i c t l y T C P f r i e n d l y b u t t h i s d o e s n o t m e a n t h a t i t u t i l i z e s t h e e n t i r e a v a i l a b l e b a n d w i d t h a n d

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2 9 t h u s m a y s a c r i f i c e u t i l i z a t i o n o f t h e n e t w o r k t o m e e t f r i e n d l i n e s s c o n s t r a i n t s T h e y m a y n o t u t i l i z e t h e b a n d w i d t h a s w e l l a s o t h e r s o l u t i o n s b u t w i l l r e m a i n f r i e n d l y t o o t h e r T C P f l o w s I n a d d i t i o n t o t h e o t h e r s o l u t i o n s t h e r e h a v e a l s o b e e n r e c e n t a t t e m p t s t o u s e f u z z y l o g i c t o p e r f o r m c o n g e s t i o n m i t i g a t i o n a n d c o n g e s t i o n c o n t r o l a s d e s c r i b e d i n G h o s h e t a l [ 2 9 ] a n d D o u l i g e r i s e t a l [ 3 0 ] I n [ 2 9 ] t h e a u t h o r s s u r v e y m a n y a p p l i c a t i o n o f f u z z y l o g i c t o t e l e c o m m u n i c a t i o n s a n d i n c l u d e s o l u t i o n s f o r c o n g e s t i o n m i t i g a t i o n a n d c o n g e s t i o n c o n t r o l I n [ 3 0 ] t h e a u t h o r s d e s c r i b e a p a r t i c u l a r s y s t e m t o s h u t d o w n f l o w s t h a t v i o l a t e a g r e e d t o r a t e s T h e s e s o l u t i o n s a r e s p e c i f i c t o A T M n e t w o r k s a n d n o t g e n e r a l l y a p p l i c a b l e t o t h e b e s t e f f o r t e n v i r o n m e n t o f t h e i n t e r n e t A s d e s c r i b e d a b o v e i n t h i s c h a p t e r m a n y s o l u t i o n s h a v e b e e n a t t e m p t e d f o r t h e c o n g e s t i o n c o n t r o l a n d T C P f r i e n d l i n e s s p r o b l e m s B o t h r o u t e r b a s e d a n d e n d t o e n d s o l u t i o n s h a v e b e e n p r o p o s e d t o s o l v e t h e p r o b l e m s H o w e v e r n o f u z z y l o g i c b a s e d c o n t r o l l e r h a s b e e n p r o p o s e d s o f a r t o a d d r e s s t h e s e p r o b l e m s a t t h e e n d s y s t e m f o r a b e s t e f f o r t e n v i r o n m e n t A c o n t r o l l e r u t i l i z i n g a F u z z y I n f e r e n c e S y s t e m c o u l d b e u s e d t o f i n d a n o p t i m u m o u t p u t ( a s e n d r a t e ) g i v e n f u z z y i n p u t s ( s u c h a s n e t w o r k c o n d i t i o n s a n d t h e T C P r e s p o n s e ) T h i s i s t h e a p p r o a c h t a k e n i n t h i s t h e s i s

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3 0 C h a p t e r T h r e e S o l u t i o n 3 1 S o l u t i o n R e q u i r e m e n t s I n o r d e r t o p r o v i d e a s o l u t i o n f o r t h e c o n g e s t i o n c o l l a p s e T C P f r i e n d l i n e s s a n d s m o o t h n e s s p r o b l e m s t h a t i s p r a c t i c a l a n d u t i l i z e d b y a p p l i c a t i o n s s p e c i f i c a l l y a p p l i c a t i o n s t h a t c u r r e n t l y c h o o s e p r o t o c o l s w i t h o u t c o n g e s t i o n c o n t r o l t h e r e m u s t b e a n i n c e n t i v e f o r t h e a p p l i c a t i o n s F o r t h e a p p l i c a t i o n s o r e n d s y s t e m s i n g e n e r a l t o u t i l i z e a c o n g e s t i o n c o n t r o l m e c h a n i s m t h e y m u s t f i n d t h a t t h e a p p l i c a t i o n r e s u l t s ( e g v i d e o o r v o i c e ) a r e p e r c e i v a b l y a c c e p t a b l e T h e a p p l i c a t i o n s m u s t b e p r o v i d e d a d e q u a t e b a n d w i d t h w i t h s m o o t h b a n d w i d t h t r a n s i t i o n s t h a t a l l o w f o r m i n i m a l p e r c e i v e d e f f e c t s A s m o d e l e d i n F i g u r e 5 t h e p r o p o s e d s o l u t i o n m u s t t h e n b e a n o p t i m i z a t i o n o f s e v e r a l f a c t o r s : t h e a p p l i c a t i o n r e q u e s t e d r a t e a n e t w o r k f r i e n d l y m e c h a n i s m t h a t d o e s n ’ t s t e a l b a n d w i d t h f r o m c o m p e t i n g f l o w s a m i n i m u m v a r i a t i o n i n t h e a d j u s t m e n t o f t h e s e n d i n g r a t e a n d n e t w o r k c o n d i t i o n s s u c h a s c u r r e n t a v a i l a b l e b a n d w i d t h P a c k e t L o s s R a t e s a n d R o u n d T r i p T i m e s

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3 1 F i g u r e 5 – S o l u t i o n M o d e l T h e p r e v i o u s a t t e m p t e d s o l u t i o n s m e e t o n l y a p a r t i a l s e t o f t h e r e q u i r e m e n t s f o r b a n d w i d t h c o n g e s t i o n c o n t r o l f r i e n d l i n e s s a n d s m o o t h n e s s S o m e s o l u t i o n s m e t t h e a p p l i c a t i o n s r e q u e s t e d r a t e b u t w o u l d d o i t a t t h e e x p e n s e o f b e i n g u n f a i r t o o t h e r f l o w s O t h e r s o l u t i o n s m a y m e e t s o m e r e q u i r e m e n t s b u t w e r e a t t h e a p p l i c a t i o n l e v e l a n d w o u l d n o t w o r k f o r a l l t y p e s o f f l o w s O t h e r f l o w s m e t t h e f r i e n d l i n e s s r e q u i r e m e n t s b u t w o u l d u n d e r u t i l i z e t h e n e t w o r k W h i l e t h e l a t e s t s o l u t i o n s a r e f r i e n d l y t o o t h e r f l o w s a n d s m o o t h t h e f l u c t u a t i o n s f o r b e t t e r p e r c e i v e d q u a l i t y t h e y d o n o t u t i l i z e t h e n e t w o r k r e s o u r c e s f u l l y 3 2 S o l u t i o n D e s i g n T h i s t h e s i s p r o p o s e s t o s m o o t h l y m e e t t h e r e q u e s t e d r a t e f o r a l l t y p e s o f f l o w s w h i l e r e m a i n i n g f r i e n d l y t o o t h e r f l o w s a n d u t i l i z i n g t h e n e t w o r k r e s o u r c e s e f f i c i e n t l y W h i l e i t i s A p p l i c a t i o n N e t w o r k N e w m e c h a n i s m 4 3 2 1 E n d U s e r O p t i m i z e f o r : a r e q u e s t e d r a t e b s m o o t h s e n d i n g r a t e c T C P f r i e n d l y d N e t w o r k c o n d i t i o n s L o g i c f l o w : 1 A p p l i c a t i o n r e q u e s t e d r a t e 2 S e n d i n g r a t e 3 A v a i l a b l e B a n d w i d t h P L R R T T 4 A v a i l a b l e r a t e f o r a p p l i c a t i o n

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3 2 n o t p o s s i b l e t o m e e t t h e r e q u e s t e d r a t e i n a l l s c e n a r i o s t h e s o l u t i o n s h o u l d d e t e r m i n e t h e o p t i m a l r a t e c o n s i d e r i n g o t h e r f l o w s n e t w o r k c o n d i t i o n s s m o o t h n e s s o f t h e p r o v i d e d r a t e a n d p r o v i d i n g a s m u c h o f t h e r e q u e s t e d r a t e a s p o s s i b l e T h e s o l u t i o n w i l l n e e d t o o p e r a t e b e l o w t h e a p p l i c a t i o n l e v e l s o t h a t i t c a n a p p l y t o w a r d s a l l I P a p p l i c a t i o n s I n o r d e r t o u n d e r s t a n d t h e n e t w o r k c o n d i t i o n s t h e s o l u t i o n w i l l n e e d t o g a t h e r m e a s u r e m e n t s i n c l u d i n g t h e a v a i l a b l e b a n d w i d t h P a c k e t L o s s R a t e s a n d R o u n d T r i p T i m e s H o w e v e r t h e s o l u t i o n a s s u m e s t h a t m o d u l e s p r o v i d i n g t h e i n f o r m a t i o n e x i s t a n d d o n o t d i c t a t e h o w o r s p e c i f y d e t a i l s a b o u t h o w t h e s e m o d u l e s m e a s u r e a n d r e p o r t a v a i l a b l e b a n d w i d t h P a c k e t L o s s R a t e a n d R o u n d T r i p T i m e e s t i m a t e s R a t h e r t h i s t h e s i s i s c o n c e r n e d w i t h t h e d e s i g n o f t h e c o n t r o l l e r w h i c h b a s e d o n f u z z y l o g i c a n d a l l t h i s d a t a w i l l p r o v i d e a s o u t p u t t h e a p p r o p r i a t e s e n d i n g r a t e t h a t w i l l s a t i s f y t h e o b j e c t i v e s s e t f o r t h i n S e c t i o n 1 1 A s s h o w n i n F i g u r e 6 t h e c o m p o n e n t s o f t h e s o l u t i o n i n c l u d e : t h e a p p l i c a t i o n r e q u e s t i n g t h e b a n d w i d t h a n a v a i l a b l e b a n d w i d t h e s t i m a t i o n t o o l P a c k e t L o s s R a t e ( P L R ) a n d R o u n d T r i p T i m e ( R T T ) e s t i m a t i o n t o o l s t h e F I S c o n t r o l l e r a n d t h e F I S i t s e l f T h e P L R a n d R T T e s t i m a t i o n s a r e u s e d t o d e t e r m i n e t h e T C P R e s p o n s e A l t h o u g h o t h e r o p t i m i z a t i o n t o o l s m a y h a v e a l s o w o r k e d f u z z y l o g i c w a s c h o s e n d u e t o t h e f u z z y n a t u r e o f t h e i n p u t s t h e a b i l i t y t o m a p t h e l i n g u i s t i c t e r m s o f t h e p r o b l e m t o t h e s y s t e m a n d t h e r a t h e r l a r g e n u m b e r o f v a r i a b l e s i n v o l v e d i n t h e o p t i m i z a t i o n T h e a p p l i c a t i o n u p o n b e g i n n i n g o r c o n t i n u i n g a n e t w o r k f l o w c a l l s t h e F I S c o n t r o l l e r w i t h a s p e c i f i e d r e q u e s t r a t e T h e F I S c o n t r o l l e r t h e n g a t h e r s t h e n e c e s s a r y i n p u t s i n c l u d i n g t h e a v a i l a b l e b a n d w i d t h t h e p a r a m e t e r s u s e d i n d e t e r m i n i n g T C P ’ s r e s p o n s e a n d t h e h i s t o r y o f t h e s e n d r a t e i s s u e d T h e c o n t r o l l e r t h e n p a s s e s t h a t i n f o r m a t i o n a s i n p u t i n t o

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33 the FIS and receives the send rate in response. The FIS then returns that send rate to the application so that the application can then make the necessary adjustments (e.g. with UDP a reduction or increase in the rate of packet insertions into the network). Fig. 6 Solution Components. 3.3 Fuzzy Inference System Controller The FIS controller is a program written in C to act as an intermediary function between the application and the FIS, collect the necessary input for the FIS, normalize the inputs and outputs, call the FIS and relay the response back to the application. The FIS controller requires some preprocessing of the input values. The controller derives the change rate input by subtracting the two most recent send rates given by the time elapsed between them. The change rate is then normalized as a value between -1 and 1 for the fuzzy inference FIS Controller Fuzzy Inference System Application 1a. Application sends Requested Rate. 2. FIS Controller sends Requested Rate, Network Information and Change Rate. 3. FIS replies with Send Rate. 4. FIS Controller forwards Send Rate to application. Responsible for sanity checks, tracking history, gathering the Network Information and calling Fuzzy Inference System to get Send Rate Responsible for determining the best rate. Network Information Modules (Available Bandwidth, Packet Loss Rate, and Round Trip Time estimation tools) 1b. Network Information Modules send information

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3 4 s y s t e m w h e r e 1 i n d i c a t e s a l a r g e d e c r e a s i n g t r e n d a n d 1 i n d i c a t e s a l a r g e i n c r e a s i n g t r e n d i n t h e s e n d r a t e W h i l e t h e v a l u e s f r o m t h i s e q u a t i o n c a n b e l a r g e r t h a n 1 a n d s m a l l e r t h a n 1 t h e c h a n g e r a t e i n p u t i s t r u n c a t e d i n t o t h e 1 t o 1 r a n g e a s c o n t a i n i n g t h e v a l u e s w i t h i n a g i v e n r a n g e i n c r e a s e s t h e s t a b i l i t y o f t h e c o n t r o l l e r a n d t h e v a l u e s w o u l d s t i l l b e r e p r e s e n t e d a s q u i c k l y d e c r e a s i n g o r q u i c k l y i n c r e a s i n g T h e f u n c t i o n i s s h o w n b e l o w i n E q u a t i o n 2 1 w h e r e s1 i s t h e l a s t s e n d r a t e a n d s2 i s t h e s e c o n d t o l a s t s e n d r a t e a n d t i s t h e c h a n g e i n t i m e : t s s D -2 1 ( 2 1 ) T h e c o n t r o l l e r t h e n d e t e r m i n e s t h e a v e r a g e s e n d i n g r a t e r e s p o n s e T C P w o u l d h a v e u s i n g t h e T C P R e s p o n s e f u n c t i o n f r o m a f o r m u l a t i o n o f F l o y d a n d F a l l [ 5 ] w i t h t h e f o l l o w i n g f u n c t i o n s h o w n i n E q u a t i o n 2 2 w h e r e p i s t h e P a c k e t L o s s R a t e B i s t h e p a c k e t s i z e a n d R i s t h e R o u n d T r i p T i m e : p R B ) ( 2 3 ( 2 2 ) T h e T C P R e s p o n s e a n d a v a i l a b l e b a n d w i d t h a r e b o t h t h e n n o r m a l i z e d a s a v a l u e b e t w e e n 0 a n d 1 u s i n g t h e r e q u e s t e d r a t e I f t h e T C P R e s p o n s e i s g r e a t e r t h a n t h e r e q u e s t e d r a t e i t i s t r u n c a t e d t o 1 t o a l l o w t h e v a r i a b l e t o f i t i n t o t h e F I S i n p u t r a n g e a n d s t i l l s h o w t h a t t h e T C P r e s p o n s e i s h i g h I f t h e a v a i l a b l e b a n d w i d t h i s l a r g e r t h e n t h e r e q u e s t e d r a t e i t i s a l s o t r u n c a t e d t o 1 t o s t a y w i t h i n t h e i n p u t v a r i a b l e r a n g e a n d s t i l l r e p r e s e n t a h i g h a v a i l a b l e b a n d w i d t h O n c e t h e i n p u t s a r e p r o c e s s e d a n d r e a d y t h e c o n t r o l l e r t h e n c a l l s t h e f u z z y i n f e r e n c e s y s t e m w i t h t h e a v a i l a b l e b a n d w i d t h T C P r e s p o n s e a n d c h a n g e r a t e t o r e c e i v e t h e

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3 5 s e n d r a t e T h e s e n d r a t e i s t h e n s a v e d a s t h e l a s t r a t e a n d m u l t i p l i e d a s a p e r c e n t a g e o f t h e a v a i l a b l e b a n d w i d t h T h e F I S c o n t r o l l e r w a s w r i t t e n i n C a n d i n c l u d e s c a l l s t o M A T L A B C f i l e s w h i c h r u n t h e F I S e n g i n e I n o r d e r t o r u n t h e F I S a n d F I S c o n t r o l l e r o u t s i d e o f M A T L A B t h e F I S w a s d e v e l o p e d w i t h i n t h e M A T L A B e n v i r o n m e n t a n d s a v e d a s a F I S f i l e T h e F I S f i l e i s a t y p e o f f i l e t h a t d e s c r i b e s i n d e t a i l t h e c o n f i g u r a t i o n o f t h e F I S ( e g t h e t y p e o f F I S t h e i n p u t v a r i a b l e s e t c ) T h e M A T L A B s t a n d a l o n e f u z z y i n f e r e n c e e n g i n e w h i c h i s c o m p r i s e d o f t w o f i l e s : f i s m a i n c a n d f i s c w a s c o m p i l e d a l o n g w i t h t h e n e w l y c r e a t e d F I S c o n t r o l l e r A f t e r t h e s y s t e m h a s b e e n c o m p i l e d a n d r u n t h e F I S c o n t r o l l e r c a n c a l l t h e s t a n d a l o n e e n g i n e w i t h t h e F I S i n p u t s a n d t h e F I S f i l e a s p a r a m e t e r s t o r e t r i e v e t h e o u t p u t T h e F I S c o n t r o l l e r a n d t h e M A T L A B f i l e s a l l h a d t o b e m o d i f i e d t o e n a b l e t h e c o d e t o b e r u n b y a k e r n e l F o r e x a m p l e t h e o r i g i n a l M A T L A B c o d e u t i l i z e d f i l e s t o s t o r e p a r a m e t e r s a n d d a t a S i n c e m a n y k e r n e l s d o n o t a l l o w o r s u p p o r t f i l e m a n i p u l a t i o n c a l l s a t t h e k e r n e l l e v e l t h i s c o d e h a d t o b e m o d i f i e d t o s t o r e t h e d a t a i n v a r i a b l e s o r p a s s t h e d a t a a s p a r a m e t e r s W h i l e t h e e n t i r e C c o d e s y s t e m i n c l u d e s m a n y i m p o r t a n t f u n c t i o n s t h e f o l l o w i n g s e c t i o n o f c o d e p r o v i d e d f o c u s e s o n t h e m a i n p r e p r o c e s s i n g a n d p o s t p r o c e s s i n g f u n c t i o n o f t h e C l a n g u a g e F I S c o n t r o l l e r : / * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * F u n c t i o n t o c a l c u l a t e s e n d R a t e * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * / d o u b l e g e t S e n d R a t e ( d o u b l e r e q u e s t e d R a t e d o u b l e a v a i l a b l e B W d o u b l e R T T d o u b l e p a c k e t D r o p R a t e i n t p a c k e t S i z e ) {

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3 6 d o u b l e s e n d R a t e c h a n g e R a t e t c p R e s p o n s e ; f l o a t e l a p s e d T i m e L o n g ; s t r u c t t i m e v a l c u r r e n t T i m e e l a p s e d T i m e ; / s e t v a r i a b l e s / r e q u e s t e d R a t e = r e q u e s t e d R a t e ; a v a i l a b l e B W = a v a i l a b l e B W ; R T T = R T T ; p a c k e t D r o p R a t e = p a c k e t D r o p R a t e ; / c a l c u l a t e c h a n g e R a t e / g e t t i m e o f d a y ( & c u r r e n t T i m e N U L L ) ; i f ( & l a s t S e n d T i m e = = N U L L ) { c h a n g e R a t e = 0 0 ; } e l s e { t i m e v a l s u b t r a c t ( & e l a p s e d T i m e & c u r r e n t T i m e & l a s t S e n d T i m e ) ; / c h a n g e d t h e s t r u c t i n t o a l o n g / e l a p s e d T i m e L o n g = ( f l o a t ) e l a p s e d T i m e t v s e c + ( ( f l o a t ) e l a p s e d T i m e t v u s e c / 1 0 0 0 0 0 0 0 ) ; c h a n g e R a t e = ( l a s t S e n d R a t e l a s t S e n d R a t e 2 ) / e l a p s e d T i m e L o n g ; } / n o r m a l i z e t h e c h a n g e R a t e / i f ( c h a n g e R a t e > 1 ) c h a n g e R a t e = 1 ; i f ( c h a n g e R a t e < 1 ) c h a n g e R a t e = 1 ; / c a l c u l a t e t c p R e s p o n s e t h i s i s t a k e n f r o m F l o y d s T F R C p a p e r / t c p R e s p o n s e = ( s q r t ( 3 / 2 ) p a c k e t S i z e ) / ( R T T s q r t ( p a c k e t D r o p R a t e ) ) ; / t c p R e s p o n s e i s i n B y t e s b u t w e n e e d b i t s / t c p R e s p o n s e = t c p R e s p o n s e 8 ; / n o r m a l i z e i n p u t s f o r t c p R e s p o n s e a n d a v a i l a b l e B W / i f ( ( a v a i l a b l e B W / r e q u e s t e d R a t e ) < = 1 ) { a v a i l a b l e B W = ( a v a i l a b l e B W / r e q u e s t e d R a t e ) ; } e l s e { a v a i l a b l e B W = 1 ; } i f ( ( t c p R e s p o n s e / r e q u e s t e d R a t e ) < = 1 ) { t c p R e s p o n s e = ( t c p R e s p o n s e / r e q u e s t e d R a t e ) ;

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3 7 } e l s e { t c p R e s p o n s e = 1 ; } / c a l l f i s / s e n d R a t e = f i s m a i n E m u l a t i o n ( f i s i n p u t " C o n g e s t i o n C o n t r o l f i s t c p R e s p o n s e c h a n g e R a t e a v a i l a b l e B W ) ; / u p d a t e l a s t S e n d R a t e a n d l a s t S e n d T i m e f o r c h a n g e R a t e c a l c u l a t i o n / l a s t S e n d R a t e 2 = l a s t S e n d R a t e ; l a s t S e n d R a t e = s e n d R a t e ; l a s t S e n d T i m e = c u r r e n t T i m e ; / u n n o r m a l i z e s e n d R a t e o u t p u t / s e n d R a t e = s e n d R a t e a v a i l a b l e B W ; / n o n e e d t o g o p a s t r e q u e s t e d R a t e / i f ( s e n d R a t e > r e q u e s t e d R a t e ) { s e n d R a t e = r e q u e s t e d R a t e ; } / r e t u r n s e n d R a t e / r e t u r n s e n d R a t e ; } / e n d o f g e t S e n d R a t e ( ) / 3 4 F u z z y I n f e r e n c e S y s t e m D e t a i l s A s s h o w n i n t h e p r e v i o u s s e c t i o n t h e F I S s y s t e m c o n s i s t s o f t h r e e i n p u t v a r i a b l e s o n e o u t p u t v a r i a b l e a n d t h e F u z z y I n f e r e n c e S y s t e m e n g i n e ( w h i c h i s a M a m d a n i t y p e w i t h a c e n t r o i d d e f u z z i f i c a t i o n ) T h e i n p u t v a r i a b l e m e m b e r s h i p f u n c t i o n s a r e a l l c u r v e d f u n c t i o n s w h i l e t h e o u t p u t v a r i a b l e m e m b e r s h i p f u n c t i o n s a r e l i n e a r T h e v a r i a b l e s i n c l u d e t h e f o l l o w i n g : I n p u t s :

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3 8 1 a v a i l a b l e B W – A v a i l a b l e B a n d w i d t h w h i c h i s n o r m a l i z e d a s a p e r c e n t a g e o f t h e r e q u e s t e d r a t e r a n g i n g f r o m 0 t o 1 2 t c p R e s p o n s e – i s n o r m a l i z e d a s a p e r c e n t a g e o f t h e r e q u e s t e d r a t e r a n g i n g f r o m 0 t o 1 3 c h a n g e R a t e – i s a l s o n o r m a l i z e d a s a p e r c e n t a g e o f t h e r e q u e s t e d r a t e b u t c a n r a n g e f r o m 1 t o 1 O u t p u t s : 1 s e n d R a t e – i s a v a l u e r a n g i n g f r o m 0 t o 1 N o t e t h a t t h i s v a l u e i s m u l t i p l i e d t i m e s t h e a v a i l a b l e B W b e f o r e b e i n g g i v e n t o t h e a p p l i c a t i o n T h e m e m b e r s h i p f u n c t i o n g r a p h s d i s p l a y t h e r a n g e s o f v a l u e s t h a t c a n b e a c c e p t e d f o r i n p u t s a n d d e l i v e r e d a s a n o u t p u t F i g u r e 7 s h o w s t h e i n p u t v a r i a b l e f o r a v a i l a b l e b a n d w i d t h T h e v a l u e s f o r t h i s i n p u t r a n g e f r o m 0 t o 1 w h e r e 0 r e p r e s e n t s a l o w v a l u e o r n o a v a i l a b l e b a n d w i d t h a n d 1 r e p r e s e n t s a h i g h v a l u e o r t h e m a x i m u m a v a i l a b l e b a n d w i d t h T h e s e m e m b e r s h i p f u n c t i o n s w e r e c h o s e n a s h o r i z o n t a l l y a n d v e r t i c a l l y s y m m e t r i c a l c u r v e s s p l i t t i n g t h e m a p p i n g v a l u e s i n a n e f f o r t t o e l e v a t e t h e m i d d l e s e c t i o n s ( s l i g h t l y m o r e t h a n a s t r a i g h t l i n e w o u l d d o ) a n d a d d w e i g h t t o t h e v a r i a b l e

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3 9 F i g u r e 7 – T h e A v a i l a b l e B a n d w i d t h M e m b e r s h i p F u n c t i o n s T h e n e x t i n p u t v a r i a b l e s h o w n b e l o w i n F i g u r e 8 i s f o r t h e T C P r e s p o n s e i n p u t T h e v a l u e s f o r t h i s i n p u t v a r i a b l e r a n g e f r o m 0 t o 1 a l s o w h e r e 0 r e p r e s e n t s a l o w v a l u e o r T C P f l o w n o t u t i l i z i n g a n y o f t h e p a t h b a n d w i d t h a n d 1 r e p r e s e n t i n g i t u s i n g t h e m a x i m u m o r a h i g h v a l u e T h e s e m e m b e r s h i p f u n c t i o n s w e r e a l s o c h o s e n a s c u r v e s f o r t h e T C P r e s p o n s e i n p u t w i t h t h e e m p h a s i s g i v e n t o t h e l o w a n d h i g h e n d s o v e r t h e m i d d l e s e c t i o n t o a l l o w t h e o t h e r i n p u t v a r i a b l e s t o p l a y m o r e o f r o l e i n d e t e r m i n i n g t h e s e n d r a t e w h e n t h e T C P r e s p o n s e w a s i n t h e m i d d l e o f t h e r a n g e

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4 0 F i g u r e 8 – T h e T C P R e s p o n s e M e m b e r s h i p F u n c t i o n s T h e f i n a l i n p u t v a r i a b l e i s f o r t h e c h a n g e r a t e A s s h o w n i n F i g u r e 9 t h e r a n g e i s f r o m 1 t o 1 w h e r e 1 r e p r e s e n t s a d e c r e a s i n g c h a n g e r a t e ( t h e s e n d r a t e h a s b e e n g o v e r n e d m o r e a n d m o r e ) a n d 1 r e p r e s e n t s a i n c r e a s i n g t r e n d ( t h e s e n d r a t e h a s b e e n l e s s a n d l e s s r e s t r i c t e d ) T h e s e m e m b e r s h i p f u n c t i o n s w e r e a l s o c h o s e n a s h o r i z o n t a l l y a n d v e r t i c a l l y s y m m e t r i c a l c u r v e s ( s i m i l a r t o t h e a v a i l a b l e b a n d w i d t h ) t o a d d w e i g h t t o t h e v a r i a b l e F i g u r e 9 – T h e C h a n g e R a t e M e m b e r s h i p F u n c t i o n s

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4 1 T h e o n l y o u t p u t v a r i a b l e i s t h e s e n d r a t e A s s h o w n i n F i g u r e 1 0 t h e s e n d r a t e r a n g e s f r o m 0 t o 1 w h e r e 0 r e p r e s e n t s a l o w s e n d r a t e a n d 1 r e p r e s e n t s t h e m a x i m u m o r h i g h s e n d r a t e T h e s e m e m b e r s h i p f u n c t i o n s w e r e c h o s e n a s l i n e a r t o s i m p l i f y t h e c o m p u t a t i o n a n d f o l l o w t h e d e s i g n g u i d e l i n e s s p e c i f i e d i n [ 2 6 ] F i g u r e 1 0 – T h e S e n d R a t e M e m b e r s h i p F u n c t i o n s T h e r u l e s f o r t h e F I S a r e s h o w n b e l o w T h e y u t i l i z e t h e A N D m e t h o d w h i c h i s b a s e d o n t h e m i n f u n c t i o n T h e F I S r u l e s o f t h e F u z z y I n f e r e n c e S y s t e m a r e : 1 I f ( c h a n g e R a t e i s d e c r e a s i n g ) a n d ( a v a i l a b l e B W i s l o w ) t h e n ( s e n d R a t e i s l o w ) ( 1 ) 2 I f ( c h a n g e R a t e i s i n c r e a s i n g ) a n d ( a v a i l a b l e B W i s l o w ) t h e n ( s e n d R a t e i s h i g h ) ( 1 ) 3 I f ( t c p R e s p o n s e i s l o w ) t h e n ( s e n d R a t e i s l o w ) ( 1 ) 4 I f ( t c p R e s p o n s e i s h i g h ) a n d ( a v a i l a b l e B W i s h i g h ) t h e n ( s e n d R a t e i s h i g h ) ( 1 ) 5 I f ( a v a i l a b l e B W i s h i g h ) t h e n ( s e n d R a t e i s h i g h ) ( 1 ) 6 I f ( a v a i l a b l e B W i s l o w ) t h e n ( s e n d R a t e i s l o w ) ( 1 ) F o r a n o v e r a l l p i c t u r e F i g u r e 1 1 s h o w s t h e M A T L A B R u l e V i e w e r O n t h e l e f t s i d e t h e r u l e s a r e n u m b e r e d 1 t h r o u g h 6 a s a b o v e T h e s e r o w s o f r u l e s a p p l y a c r o s s e a c h c o l u m n

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4 2 r e p r e s e n t i n g t h e v a r i a b l e s T h e l e f t m o s t 3 c o l u m n s a r e t h e i n p u t s a n d b e l o w t h e m t h e c o r r e s p o n d i n g v a l u e s c h o s e n f o r e a c h I n t h i s e x a m p l e t h e T C P r e s p o n s e i s 7 5 t h e c h a n g e r a t e i s 0 a n d t h e a v a i l a b l e b a n d w i d t h i s 7 5 T h e r i g h t m o s t c o l u m n i s t h e o u t p u t a n d a t t h e b o t t o m r i g h t i s t h e e n d r e s u l t s e n d r a t e w h i c h i n t h i s e x a m p l e i s 6 3 6 F i g u r e 1 1 – R u l e V i e w e r

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4 3 C h a p t e r F o u r M e t h o d o l o g y a n d E v a l u a t i o n T h e s o l u t i o n w a s t e s t e d u s i n g M A T L A B S i m u l i n k m o d e l s i m u l a t i o n s S e v e r a l t e s t s w e r e p e r f o r m e d t o d e m o n s t r a t e t h e s o l u t i o n ’ s c o n g e s t i o n c o n t r o l T C P f r i e n d l i n e s s s m o o t h n e s s r e s p o n s e t i m e a n d n e t w o r k u t i l i z a t i o n o f t h e p r o p o s e d c o n t r o l l e r W h i l e t h e s t a b i l i t y o f F u z z y I n f e r e n c e S y s t e m s i s s t i l l a n a c t i v e r e s e a r c h a r e a t h e r e i s n o d e f i n i t i v e a n a l y s i s m o d e l b u t t h e r e a r e g e n e r a l d e s i g n g u i d e l i n e s f o r e n s u r i n g s t a b i l i t y a s n o t e d i n [ 2 6 ] T h e g u i d e l i n e s t h a t w e r e f o l l o w e d i n c l u d e : a p p r o p r i a t e p r e p r o c e s s i n g ( i n t h i s c a s e n o r m a l i z a t i o n o f t h e i n p u t v a l u e s ) o v e r l a p o f m e m b e r s h i p f u n c t i o n s t o e n s u r e w e l l d e f i n e d s t a t e s u s i n g a s i n g l e o u t p u t t o c o v e r t h e e n t i r e o u t p u t r a n g e a n d a p p r o p r i a t e s c a l i n g d u r i n g p o s t p r o c e s s i n g E a c h m o d e l e n v i r o n m e n t i n c l u d e s a n e l e m e n t t o c a l l t h e F I S a n e l e m e n t t o e m u l a t e t h e a v a i l a b l e b a n d w i d t h e l e m e n t s t o e s t i m a t e t h e n e c e s s a r y T C P i n p u t s ( R T T P L R p a c k e t s i z e ) a n d c o n t r o l l e r f u n c t i o n s ( f o r n o r m a l i z i n g t h e i n p u t s a n d d o i n g o t h e r f u n c t i o n s t h e c o n t r o l l e r w i l l p e r f o r m ) T h e f i r s t t e s t T e s t 1 i s f o r s m o o t h n e s s c o n g e s t i o n c o l l a p s e a n d u t i l i z a t i o n a n d s h o w n i n F i g u r e 1 2 T h e m o d e l i s a M A T L A B S i m u l i n k m o d e l w h i c h r e p r e s e n t s t h e e l e m e n t s u s e d t o r u n t h e F I S c o n t r o l l e r w i t h i n a c r e a t e d n e t w o r k e n v i r o n m e n t a n d w a s d e s i g n e d t o s h o w h o w t h e T C P f l o w a n d h o w t h e c o n t r o l l e d U D P f l o w w o u l d r e a c t u n d e r t h e

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4 4 s a m e c i r c u m s t a n c e s i n d e p e n d e n t o f e a c h o t h e r T h e m o d e l e m u l a t e s t h e F I S c o n t r o l l e d U D P s o u r c e a n d i n d e p e n d e n t l y a T C P f l o w b o t h r u n s e p a r a t e l y a g a i n s t a h i g h l y v a r y i n g b a n d w i d t h c h a n g i n g a t a r a t e o f 5 9 M b p s T h e e m u l a t e d b a n d w i d t h o f t h e p a t h i s a s s u m e d t o b e 1 0 0 M b p s T h e r e f o r e t h e a v a i l a b l e b a n d w i d t h c a n r a n g e f r o m 0 t o 1 0 0 M b p s T h e p a c k e t d r o p r a t e i s a s s u m e d t o r a n g e f r o m 0 t o 5 % T h e m o d e l i n c l u d e s m a n y e l e m e n t s t o a i d i n e m u l a t i n g t h e n e t w o r k a n d n e t w o r k t r a f f i c S t a r t i n g i n t h e u p p e r l e f t h a n d c o r n e r t h e m o d e l i n c l u d e s a c o n s t a n t r e q u e s t e d r a t e w h i c h i s a s s u m e d t o b e g i v e n b y t h e a p p l i c a t i o n T h e a v a i l a b l e b a n d w i d t h i s g e n e r a t e d u s i n g a M A T L A B p r o v i d e d s i n e w a v e m o d i f i e d b y m u l t i p l y i n g i t a g a i n s t a c o n s t a n t t o v a r y f r o m 0 t o 1 0 0 M b p s W h i l e t h i s w a s n o t b a s e d o n a n e t w o r k t r a f f i c m o d e l i t w a s u s e d t o d e m o n s t r a t e a h i g h l y v a r y i n g a v a i l a b l e b a n d w i d t h T o w a r d s t h e c e n t e r t h i s i n p u t i s t h e n n o r m a l i z e d b e f o r e b e i n g s u b m i t t e d t o t h e F I S T o w a r d s t h e b o t t o m l e f t t h e T C P r e s p o n s e f u n c t i o n i s c a l c u l a t e d I t t a k e s i n p u t f r o m t h e a v a i l a b l e b a n d w i d t h a n d e s t i m a t e s a d r o p r a t e t h a t f l u c t u a t e s w i t h t h e c h a n g i n g a v a i l a b l e b a n d w i d t h A l o w a v a i l a b l e b a n d w i d t h w i l l p r o d u c e a h i g h d r o p r a t e a n d a h i g h a v a i l a b l e b a n d w i d t h w i l l p r o d u c e a l o w d r o p r a t e U s i n g t h e d r o p r a t e t h e T C P r e s p o n s e i s c a l c u l a t e d a n d t h e n n o r m a l i z e d f o r t h e F I S i n p u t T o w a r d s t h e b o t t o m r i g h t t h e c h a n g e r a t e i s c a l c u l a t e d a s a d e r i v a t i v e o f t h e c h a n g e i n r a t e o v e r u n i t t i m e a n d f e d b a c k i n t o t h e F I S a s a n i n p u t O n c e t h e F I S h a s a l l t h e n e c e s s a r y i n p u t s i t p r o d u c e s a s e n d r a t e w h i c h i s m u l t i p l i e d ( f r o m i t s 0 t o 1 r a n g e ) a g a i n s t t h e a v a i l a b l e b a n d w i d t h T h e r i g h t h a n d s i d e o f t h e m o d e l i s t h e g r a p h a n d i t s i n p u t s

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4 5 F i g u r e 1 2 – T e s t 1 M o d e l

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4 6 T h e f i r s t g r a p h s h o w n i n F i g u r e 1 3 b e l o w c o m e s f r o m T e s t 1 F i g u r e 1 3 – T e s t 1 R e s u l t s T e s t 1 w a s d o n e t o e v a l u a t e t h e s o l u t i o n ’ s s m o o t h n e s s c o n g e s t i o n c o n t r o l a n d n e t w o r k u t i l i z a t i o n F i g u r e 1 3 s h o w s t h e r e s p o n s e o f t h e c o n t r o l l e r u s i n g a r a p i d l y v a r y i n g a v a i l a b l e b a n d w i d t h i n p u t a n d o v e r l a i d i n t h e g r a p h t h e i n d e p e n d e n t l y r u n T C P f l o w w i t h t h e s a m e a v a i l a b l e b a n d w i d t h T h e T C P R e s p o n s e i s s l o w t o m e e t t h e a v a i l a b l e r a t e a n d q u i c k t o r e a c t t o c o n g e s t i o n e v e n w h e n t h e r e i s a l a r g e a m o u n t o f b a n d w i d t h a v a i l a b l e F o r a s t r e a m i n g m e d i a a p p l i c a t i o n t h e s e r a t e v a r i a t i o n s w o u l d h a v e d r a s t i c c o n s e q u e n c e s o n t h e u s e r ’ s p e r c e i v e d q u a l i t y I n c o n t r a s t t h e c o n t r o l l e d U D P s e n d r a t e i s m u c h s m o o t h e r a n d

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4 7 f o l l o w s m o r e c l o s e l y t h e a v a i l a b l e b a n d w i d t h I t u t i l i z e s t h e n e t w o r k m u c h m o r e e f f i c i e n t l y t h a n T C P d o e s I f t h e a v a i l a b l e b a n d w i d t h w a s 4 0 M b p s f o r 5 0 s e c o n d s a n i d e a l t o t a l o f 2 0 0 0 M b c o u l d h a v e b e e n d e l i v e r e d I t i s e s t i m a t e d t h a t t h e c o n t r o l l e d U D P d e l i v e r e d 1 2 0 0 M b ( 6 0 % a v a i l a b l e b a n d w i d t h u t i l i z a t i o n ) a n d t h e T C P R e s p o n s e w a s e s t i m a t e d a t 3 2 0 M b ( 1 6 % a v a i l a b l e b a n d w i d t h u t i l i z a t i o n ) M o s t i m p o r t a n t l y t h e s e n d r a t e i s n e v e r m o r e t h a n t h e a v a i l a b l e b a n d w i d t h e s t i m a t i o n T h e r e f o r e i f t h e a v a i l a b l e b a n d w i d t h e s t i m a t i o n i s a c c u r a t e a n d t i m e l y t h e s o l u t i o n w o u l d n o t i n s e r t u n d e l i v e r a b l e p a c k e t s i n t o t h e n e t w o r k a n d w o u l d n o t p r o d u c e c o n g e s t i o n c o l l a p s e T h e n e x t s e t o f t e s t s T e s t 2 a a n d 2 b w a s d o n e f o r T C P f r i e n d l i n e s s T h i s m o d e l w a s d e s i g n e d t o r u n t h e U D P a n d T C P f l o w s c o n c u r r e n t l y o v e r t h e s a m e n e t w o r k T h e e m u l a t e d n e t w o r k i s m o d e l e d a f t e r a 1 0 M b p s p a t h w i t h a 1 0 M b p s a n d a 1 0 0 M b p s l i n k a s s h o w n i n F i g u r e 1 4 T h e d r o p r a t e c a n r a n g e f r o m 0 t o 5 % T h e a v a i l a b l e b a n d w i d t h o f t h e p a t h c a n r a n g e f r o m 0 t o 1 0 M b p s a n d t h e p a c k e t d r o p r a t e c a n r a n g e f r o m 0 t o 5 % t F i g u r e 1 4 – T e s t 2 N e t w o r k C o n f i g u r a t i o n R o u t e r 1 0 M b p s 1 0 0 M b p s R e c e i v e r T C P S o u r c e U D P S o u r c e R o u t e r R o u t e r

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4 8 T h e f i r s t t e s t i n t h e s e t w a s d o n e w i t h U D P a n d T C P a n d t h e s e c o n d w a s d o n e w i t h a c o n t r o l l e d U D P a n d T C P A s s h o w n i n t h e F i g u r e 1 5 s o m e o f t h e e l e m e n t s o f t h e m o d e l a r e s i m i l a r t o t h e f i r s t t e s t T h e m o d e l i n c l u d e s a c o n s t a n t f o r U D P a n d a s w i t c h t o s w i t c h U D P o n a f t e r 1 0 s e c o n d s T h e l o w e r l e f t s e c t i o n o f t h e m o d e l s t i l l i n c l u d e s t h e T C P r e s p o n s e T h e r i g h t h a n d s i d e i s f o r t h e i n p u t s a n d g r a p h e l e m e n t s F i g u r e 1 5 – T e s t 2 a M o d e l T h e r e s u l t s f o r t h e T e s t 2 a a r e s h o w n i n F i g u r e 1 6

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4 9 F i g u r e 1 6 – T e s t 2 a R e s u l t s T h e r e s u l t s f r o m T e s t 2 a s h o w T C P a n d U D P a s t h e y s h a r e a 1 0 0 M b p s a n d 1 0 M b p s l i n k T C P h a s t h e e n t i r e l i n k t o i t s e l f f o r t h e f i r s t 1 0 s e c o n d s u n t i l U D P i s i n t r o d u c e d U D P i s r e q u e s t i n g 1 1 0 M b p s a n d s e n d s a t t h a t r a t e u n c o n d i t i o n a l l y t h u s b e i n g e x t r e m e l y u n f r i e n d l y t o w a r d s t h e T C P f l o w T C P r e d u c e s i t s r a t e t o n o t h i n g w h i l e U D P c o n t i n u e s t o i n s e r t p a c k e t s e v e n t h o u g h t h e n e t w o r k w i l l d r o p m o s t o f t h e m T h e c o n d i t i o n s c a n p r o d u c e c o n g e s t i o n c o l l a p s e i f f o r e x a m p l e t h e T C P f l o w w a s s h u t o u t f r o m u s i n g t h e 1 0 0 M b p s l i n k f o r a r e c e i v e r o f f o f t h e m i d d l e r o u t e r I n t h a t c a s e t h e U D P p a c k e t s t h a t d o n o t r e a c h t h e i r d e s t i n a t i o n w i l l r e s t r i c t t h e b a n d w i d t h t h e T C P f l o w h a s o n t h e f i r s t l i n k w h i l e a c c o m p l i s h i n g n o e x t r a w o r k

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5 0 T h e o t h e r t e s t T e s t 2 b i n t h e s e t i s m o d e l e d w i t h s i m i l a r e l e m e n t s t o t h e f i r s t t e s t e x c e p t t h e v a l u e s f o r a v a i l a b l e b a n d w i d t h s w a s d e t e r m i n e d b y t h e c o m p e t i n g T C P a n d c o n t r o l l e d U D P b a n d w i d t h u s a g e ( a s o p p o s e d t o a m o d i f i e d s i n e w a v e ) T h e a v a i l a b l e b a n d w i d t h a n d T C P r e s p o n s e s a r e n o r m a l i z e d n e a r t h e m i d d l e o f t h e F i g u r e 1 7 a n d s e n t t h r o u g h t h e F I S T h e s e n d r a t e a n d o t h e r o u t p u t s a r e s e n t t o t h e g r a p h a n d w o r k s p a c e t o w a r d s t h e r i g h t s i d e o f t h e f i g u r e F i g u r e 1 7 – T e s t 2 b M o d e l

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5 1 T h e r e s u l t s f r o m T e s t 2 b a r e s h o w n i n F i g u r e 1 8 F i g u r e 1 8 – T e s t 2 b R e s u l t s T h e r e s u l t s f r o m T e s t 2 b u t i l i z e t h e s a m e e n v i r o n m e n t a s T e s t 2 a e x c e p t f o r u s i n g t h e p r o p o s e d c o n t r o l l e d U D P T h e r e s u l t s s h o w t h a t n o c o n g e s t i o n c o l l a p s e i s p r o d u c e d t h e n u m b e r o f u n d e l i v e r e d p a c k e t s i s r e d u c e d b y 1 0 0 % a n d t h a t T C P s t i l l r e c e i v e s s o m e o f t h e l i m i t e d b a n d w i d t h n e a r l y 5 0 % a f t e r t h e i n i t i a l i n t r o d u c t i o n o f t h e c o n t r o l l e d U D P A f t e r 1 0 s e c o n d s U D P i n i t i a t e s i t s f l o w b u t d o e s n o t o v e r w h e l m t h e n e t w o r k ( s t a y i n g u n d e r t h e b a n d w i d t h i n t h e t i g h t l i n k i n t h e p a t h a t l e s s t h a n 1 0 M b p s ) I t s h a r e s t h e n e t w o r k w i t h t h e T C P f l o w

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5 2 T h e n e x t t e s t T e s t 3 w a s f o r r e s p o n s e t i m e A s s h o w n i n F i g u r e 1 9 t h e m o d e l i s v e r y s i m i l a r t o t h e f i r s t t e s t e x c e p t t h a t t h e a v a i l a b l e b a n d w i d t h i s d i c t a t e d b y w o r k s p a c e v a r i a b l e s a s o p p o s e d t o a m o d i f i e d s i n e w a v e T h e c o n t r o l l e d U D P a n d T C P w e r e r u n i n d e p e n d e n t l y o f e a c h o t h e r u n d e r t h e s a m e n e t w o r k c o n d i t i o n s T h e a v a i l a b l e b a n d w i d t h o f t h e p a t h c a n r a n g e f r o m 0 t o 1 0 M b p s a n d t h e p a c k e t d r o p r a t e c a n r a n g e f r o m 0 t o 5 % F i g u r e 1 9 – T e s t 3 M o d e l T h e r e s u l t s f o r t h e n e x t t e s t T e s t 3 a r e s h o w n i n F i g u r e 2 0

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5 3 F i g u r e 2 0 – T e s t 3 R e s u l t s T h e r e s u l t s f r o m T e s t 3 s h o w s a r e q u e s t e d r a t e o f 5 M b p s a n d a n a v a i l a b l e b a n d w i d t h t h a t s t a r t s a t 0 M b p s a t 1 0 s e c o n d s c l i m b s t o 1 0 M b p s a n d a t 3 5 s e c o n d s i t s t a r t s t o r e t u r n t o 0 M b p s T h e g r a p h s h o w s t h e c o n t r o l l e r s e n d r a t e w i t h t h e T C P r e s p o n s e o v e r l a i d o n t h e g r a p h T h e T C P r e s p o n s e i s q u i c k b u t n o t n e c e s s a r i l y s m o o t h T h e c o n t r o l l e r s e n d r a t e r e s p o n d s q u i c k l y a n d r e l a t i v e l y s m o o t h l y t o b o t h t h e d r a s t i c i n c r e a s e i n a v a i l a b l e b a n d w i d t h a n d t h e r a p i d d e c r e a s e I t a l s o n e v e r o v e r r u n s t h e a v a i l a b l e b a n d w i d t h o r t h e r e q u e s t e d r a t e A l s o o f n o t e t h e c o m p i l e d C c o d e f o r t h e F I S C o n t r o l l e r w a s r e s p o n d i n g i n t h e m i l l i s e c o n d s C P U t i m e r a n g e d u r i n g v a l i d a t i o n t e s t i n g o f t h e c o d e o u t s i d e o f t h e k e r n e l

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5 4 C h a p t e r F i v e C o n c l u s i o n s a n d F u t u r e W o r k I n t h i s t h e s i s a f u z z y l o g i c b a s e d c o n t r o l l e r i s d e s i g n e d a n d e v a l u a t e d t o p r o v i d e f l o w a n d c o n g e s t i o n c o n t r o l i n a t r a n s p o r t l a y e r p r o t o c o l a n d m a k e i t s u i t a b l e f o r s t r e a m i n g m e d i a a p p l i c a t i o n s T h e p r o p o s e d c o n t r o l l e r i s m e a n t t o a d d r e s s o t h e r i m p o r t a n t p r o b l e m s i n t h e I n t e r n e t s u c h a s t h e T C P f r i e n d l i n e s s a n d c o n g e s t i o n c o l l a p s e p r o b l e m s B y m e a n s o f a s i m u l a t i o n i t i s s h o w n h o w t h e c o n t r o l l e r r e d u c e s o r e l i m i n a t e s t h e p o s s i b i l i t y o f c o n g e s t i o n c o l l a p s e f r o m u n d e l i v e r e d p a c k e t s p r o v i d e s a n i n c e n t i v e f o r a p p l i c a t i o n s t o u s e t h e c o n g e s t i o n c o n t r o l b y u t i l i z i n g t h e n e t w o r k b e t t e r t h a n T C P r e a c t s t o c h a n g e s i n n e t w o r k c o n d i t i o n s s m o o t h e r t h a n t h e A I M D m e c h a n i s m u s e d b y T C P a n d r e m a i n s f r i e n d l y t o T C P f l o w s T h e s o l u t i o n i s a l s o s h o w n t o r e a c t f a s t e n o u g h t o a c c u r a t e l y a n d a p p r o p r i a t e l y r e s p o n d t o c h a n g e s i n b a n d w i d t h F u t u r e w o r k f o r t h e r e s e a r c h i n c l u d e s t e s t i n g t h e s o l u t i o n i n a s i m u l a t e d n e t w o r k o r i n a o p e r a t i n g s y s t e m i n a l i v e n e t w o r k U s i n g t h e d e v e l o p e d C c o d e f o r t h e c o n t r o l l e r t h e s o l u t i o n c a n b e i n t e g r a t e d i n t o a U n i x s y s t e m f o r t e s t i n g T h e s o l u t i o n s h o u l d a l s o b e t e s t e d w i t h a a v a i l a b l e b a n d w i d t h e s t i m a t o r t o d e t e r m i n e t h e o p t i m a l t i m e s t o c a l l t h e e s t i m a t o r f o r i n p u t a n d p r o d u c e o p t i m a l s e n d r a t e s w i t h t h e l e a s t i m p a c t o n t h e n e t w o r k

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5 5 R e f e r e n c e s [ 1 ] C e l i o A l b u q u e r q u e B r e t t J V i c k e r s a n d T a t s u y a S u d a N e t w o r k B o r d e r P a t r o l I n I E E E / A C M T r a n s a c t i o n s o n N e t w o r k i n g ( T O N ) V o l 1 2 I s s u e 1 p a g e s 1 7 3 1 8 6 F e b r u a r y 2 0 0 4 [ 2 ] D a v i d A u s t e r b e r r y T h e T e c h n o l o g y o f V i d e o a n d A u d i o S t r e a m i n g : A r o b u s t t e c h n i c a l g u i d e t o i m p l e m e n t i n g a n e n d t o e n d s t r e a m i n g s y s t e m p a g e s 1 2 9 1 4 8 2 0 0 2 [ 3 ] H a r i B a l a k r i s h n a n H a r i h a r a n S R a h u l a n d S r i n i v a s a n S e s h a n A n I n t e g r a t e d C o n g e s t i o n M a n a g e m e n t A r c h i t e c t u r e f o r I n t e r n e t H o s t s I n A C M S I G C O M M S e p t e m b e r 1 9 9 9 [ 4 ] A B a l k M G e r l a M S a n a d i d i a n d D M a g g i o r i n i A d p a t i v e M P E G 4 V i d e o S t r e a m i n g w i t h B a n d w i d t h E s t i m a t i o n : J o u r n a l V e r s i o n I n P r o c 2 n d I n t e r n a t i o n a l W o r k s h o p o n Q o S i n m u l t i s e r v i c e I P N e t w o r k s ( Q O S I P 2 0 0 3 ) F e b r u a r y 2 4 2 6 2 0 0 3 [ 5 ] S a l l y F l o y d a n d K e v i n F a l l P r o m o t i n g t h e U s e o f E n d t o E n d C o n g e s t i o n C o n t r o l i n t h e I n t e r n e t I n I E E E / A C M T r a n s a c t i o n s o n N e t w o r k i n g A u g u s t 1 9 9 9 [ 6 ] S a l l y F l o y d J i t e n d r a P a d h y e a n d J o r g W i d m e r E q u a t i o n B a s e d C o n g e s t i o n C o n t r o l f o r U n i c a s t A p p l i c a t i o n s I n I n t e r n a t i o n a l C o m p u t e r S c i e n c e I n s t i t u t e t e c h r e p o r t T R 0 0 0 0 3 M a r c h 2 0 0 0 [ 7 ] S a l l y F l o y d E d d i e K o h l e r a n d J i t e n d r a P a d h y e P r o f i l e f o r D C C P C o n g e s t i o n C o n t r o l I D 3 : T F R C C o n g e s t i o n C o n t r o l d r a f t i e t f d c c p c c i d 3 0 5 t x t w o r k i n p r o g r e s s F e b r u a r y 2 0 0 4 [ 8 ] Y u n h o n g G u a n d R o b e r t G r o s s m a n U s i n g U D P f o r R e l i a b l e D a t a T r a n s f e r o v e r H i g h B a n d w i d t h D e l a y P r o d u c t N e t w o r k s S u b m i t t e d f o r p u b l i c a t i o n t o C o m p u t e r C o m m u n i c a t i o n R e v i e w [ 9 ] M H a n d l e y S F l o y d J P a d h y e a n d J W i d m e r T C P F r i e n d l y R a t e C o n t r o l ( T F R C ) : P r o t o c o l S p e c i f i c a t i o n R F C 3 4 4 8 P r o p o s e d S t a n d a r d J a n u a r y 2 0 0 3

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5 6 [ 1 0 ] T o m K e l l y S a l l y F l o y d a n d S c o t t S h e n k e r P a t t e r n s o f C o n g e s t i o n C o l l a p s e U n d e r s u b m i s s i o n J u n e 2 0 0 3 [ 1 1 ] J o n g W o n K i m Y o u n g G o o k K i m H w a n g J u n S o n g T i e n Y i n g K u o Y o n J u n C h u n g a n d C C J a y K u o T C P F r i e n d l y I n t e r n e t V i d e o S t r e a m i n g E m p l o y i n g V a r i a b l e F r a m e R a t e E n c o d i n g a n d I n t e r p o l a t i o n I n I E E E T r a n s a c t i o n s o n C i r c u i t s a n d S y s t e m s f o r V i d e o T e c h n o l o g y V o l 1 0 N o 7 O c t o b e r 2 0 0 0 [ 1 2 ] E d d i e K o h l e r M a r k H a n d l e y a n d S a l l y F l o y d D e s i g n i n g D C C P : C o n g e s t i o n C o n t r o l W i t h o u t R e l i a b i l i t y S u b m i t t e d t o I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n N e t w o r k P r o t o c o l s 2 0 0 3 [ 1 3 ] E d d i e K o h l e r M a r k H a n d l e y a n d S a l l y F l o y d D a t a g r a m C o n g e s t i o n C o n t r o l P r o t o c o l ( D C C P ) d r a f t i e t f d c c p s p e c 0 6 t x t w o r k i n p r o g r e s s F e b r u a r y 2 0 0 4 [ 1 4 ] L A L a r z o n M D e g e r m a r k a n d S P i n k U D P L i t e f o r R e a l T i m e M u l t i m e d i a A p p l i c a t i o n s H e w l e t t P a c k a r d R e p o r t s H P L I R I 1 9 9 9 0 0 1 A p r i l 1 9 9 9 [ 1 5 ] Q i a n g L i u a n d J e n q N e n g H w a n g E n d t o E n d A v a i l a b l e B a n d w i d t h E s t i m a t i o n a n d T i m e M e a s u r e m e n t A d j u s t m e n t f o r M u l t i m e d i a Q O S I n I E E E I n t e r n a t i o n C o n f e r e n c e o n M u l t i m e d i a a n d E x p o V o l I I I p a g e s 3 7 3 3 7 6 2 0 0 3 [ 1 6 ] S M c C a n n e a n d S F l o y d N S N e t w o r k S i m u l a t o r h t t p : / / w w w i s i e d u / n s n a m / n s [ 1 7 ] J P o s t e l U s e r D a t a g r a m P r o t o c o l I n t e r n e t R e q u e s t F o r C o m m e n t s R F C 7 6 8 A u g u s t 1 9 8 0 [ 1 8 ] R a v i P r a s a d C o n s t a n t i n o s D o v r o l i s M a r g a r e t M u r r a y a n d K C K l a f f y B a n d w i d t h E s t i m a t i o n : M e t r i c s M e a s u r e m e n t T e c h n i q u e s a n d T o o l s I n I E E E N e t w o r k p a g e s 2 7 3 5 N o v e m b e r / D e c e m b e r 2 0 0 3 [ 1 9 ] D a p e n g W u Y i w e i T h o m a s H o u W e n w u Z h u Y a Q i n Z h a n g a n d H J o n a t h a n C h a o M P E G 4 C o m p r e s s e d V i d e o o v e r t h e I n t e r n e t I n P r o c I E E E I n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u m o n C i r c u i t s a n d S y s t e m s ( I S C A S 9 9 ) M a y 3 0 J u n e 2 1 9 9 9 [ 2 0 ] J W i d m e r R D e n d a a n d M M a u v e A S u r v e y o n T C P f r i e n d l y c o n g e s t i o n c o n t r o l I n I E E E M a g N e t w o r k V o l 1 5 p p 2 8 3 7 M a y / J u n e 2 0 0 1 [ 2 1 ] F a n Y a n g Q i a n Z h a n g W e n w u Z h u Y a Q i n Z h a n g E n d t o E n d T C P F r i e n d l y S t r e a m i n g P r o t o c o l a n d B i t A l l o c a t i o n f o r S c a l a b l e V i d e o O v e r W i r e l e s s I n t e r n e t I n I E E E J o u r n a l o n S e l e c t e d A r e a s i n C o m m u n i c a t i o n s V o l 2 2 N o 4 M a y 2 0 0 4

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5 7 [ 2 2 ] Q i a n Z h a n g W e n w u Z h u a n d Y a Q i n Z h a n g N e t w o r k a d a p t i v e R a t e C o n t r o l w i t h T C P F r i e n d l y P r o t o c o l f o r M u l t i p l e V i d e o O b j e c t s I n I E E E I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n M u l t i m e d i a a n d E x p o ( I C M E ) J u l y 2 0 0 0 [ 2 3 ] W e n w u Z h u Q i a n Z h a n g a n d Y a Q i n Z h a n g N e t w o r k A d a p t i v e R a t e C o n t r o l w i t h U n e q u a l L o s s P r o t e c t i o n f o r S c a l a b l e V i d e o o v e r I n t e r n e t I n I E E E I n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u m o n C i r c u i t s a n d S y s t e m s p a g e s 1 0 9 1 1 2 2 0 0 1 [ 2 4 ] J P o s t e l T r a n s m i s s i o n C o n t r o l P r o t o c o l I n t e r n e t R e q u e s t F o r C o m m e n t s R F C 7 9 3 S e p t e m b e r 1 9 8 1 [ 2 5 ] J e r r y M M e n d e l F u z z y L o g i c S y s t e m s f o r E n g i n e e r i n g : A T u t o r i a l I n P r o c e e d i n g s o f t h e I E E E p a g e s 3 4 5 3 5 6 V o l 8 3 N o 3 M a r c h 1 9 9 5 [ 2 6 ] J a n J a n t z e n D e s i g n o f F u z z y C o n t r o l l e r s T e c h r e p o r t n o 9 8 E 8 6 4 ( d e s i g n ) 1 9 9 8 [ 2 7 ] B e r n d G i r o d M a r k K a l m a n Y i J L i a n g R u i Z h a n g A d v a n c e s i n C h a n n e l A d a p t i v e V i d e o S t r e a m i n g I n P r o c I E E E I n t e r n C o n f I m a g e P r o c e s s i n g S e p t 2 0 0 2 [ 2 8 ] L o t f i A Z a d e h F u z z y s e t s I n f C o n t r o l 8 p a g e s 3 3 8 3 5 3 1 9 6 5 [ 2 9 ] S G h o s h Q R a z o u q i H J S c h u m a c h e r a n d A C e l m i n s A S u r v e y o f R e c e n t A d v a n c e s i n F u z z y L o g i c i n T e l e c o m m u n i c a t i o n s N e t w o r k s a n d N e w C h a l l e n g e s I n I E E E T r a n s a c t i o n s o n F u z z y S y s t e m s V o l 6 N o 3 A u g u s t 1 9 9 8 [ 3 0 ] C D o u l i g e r i s a n d G D e v e l e k o s A F u z z y L o g i c A p p r o a c h t o C o n g e s t i o n C o n t r o l i n A T M N e t w o r k s I n I E E E I C C 1 9 9 5 [ 3 1 ] D M i r a s a n d G K n i g h t S m o o t h Q u a l i t y S t r e a m i n g o f L i v e I n t e r n e t V i d e o I n I E E E G L O B E C O M 2 0 0 4