PI-1589: Loss Strategies for Competing TCP/IP Connections
E. Altman, R. El Azouzi, D. Ros, B. Tuffin
http://www.irisa.fr/bibli/publi/pi/2004/1589/1589.html
23 pages - janvier 2004

Abstract
We study in this paper two competing TCP connections that share a common
bottleneck link. When congestion occurs, one (or both) connections will
suffer a loss that will cause its throughput to decrease by a
multiplicative factor. The identity of the connection that will suffer a
loss is determined by a randomized ``loss strategy'' that may depend on
the throughputs of the connections at the congestion instant. We analyze
several loss strategies: the one in which the identity of loss is
independent of the current throughput and the one in which the
connection with the largest throughput is to suffer the loss; this is
compared with the strategy that assigns loss probabilities
proportionally to the throughputs (thus a connection with a larger
throughput has a larger loss probability). After deriving some results
for the general asymmetric case, we focus in particular on the symmetric
case and study the influence of the strategy on the average throughput
and average utilization of the link. As the intuition says, a strategy
that assigns a loss to a connection with a higher throughput is expected
to give worse performance since the total instantaneous throughput after
a loss is expected to be lower with such a strategy. Surprisingly, we
show that this is not the case. We show that the average throughput and
average link utilizations are invariant: they are the same under any
possible strategy; the link utilization is 6/7 of the link capacity. We
show, in contrast, that the second moment of the throughput does depend
on the strategy.

Résumé
Nous étudions dans cet article deux connections TCP en compétition
partageant un lien représentant un goulot d'étranglement. Quand la
congestion apparaît, une (ou les deux) connection(s) expérimentent une
perte de sorte que leur débit diminue d'un facteur multiplicatif. La
connection qui va ressentir la perte est déterminée par une ``stratégie
de perte'' aléatoire qui peut dépendre des débits aux instants de
congestion. Nous analysons plusieurs stratégies de perte: une pour
laquelle les probabilités de perte sont indépendantes des débits aux
instants de congestion et une pour laquelle la connection ayant le plus
grand débit expérimente toujours la perte; elles sont comparées avec la
stratégie où les probabilités de perte sont proportionnelles aux débits
(ainsi une connection avec un débit plus important a une probabilité
plus importante d'expérimenter une perte). Après avoir obtenu des
résultats dans le cas assymétrique général, nous nous concentrons sur le
cas symétrique et étudions l'influence de la stratégie sur le débit
moyen et l'utilisation moyenne du lien. Selon l'intuition, une stratégie
qui associe une probabilité de perte plus forte à une connection avec un
plus haut débit devrait donner de plus mauvaises performances puisque le
débit total instantané après une perte doit être plus petit avec une
telle stratégie. Étonnamment, nous montrons que ce n'est pas le
cas. Nous montrons que le débit moyen et l'utilisation moyenne du lien
sont invariantes: elles sont identiques quelle que soit la stratégie de
perte; le taux d'utilisation du lien est alors 6/7 de la capacité du
lien. Nous montrons par contre que le second moment du débit dépend de
la stratégie.

Keywords: TCP, additive increase multiplicative decrease algorithm,
fairness, pricing

Mots clefs: TCP, algorithme des accroissements additifs et de la
décroissance multiplicative, équité, tarification