TCP PERFORMANCE EVALUATION IN A VSAT LINK This dissertation was submitted to the Department of Electronic & Telecommunication Engineering, University of Moratuwa in partial fulfillment of the requirements for the Degree of M.Sc. in Telecommunications Department of Electronic & Telecommunication Engineering University of Moratuwa Supervisor MR. KITHSIRI SAMARASINGHE K.M. FERNANDO 2009 93921 Abstract The Transmission Control Protocol (TCP) is the mostly used protocol for data transmission over networks. However, TCP's congestion control algorithm wasn't created to match the special characteristics of satellite links, resulting in a drastically performance degradation. TCP appears in different algorithm versions, all with different features but with maximal throughput as their main objective. The aim of this paper is to evaluate and compare six TCP versions, which are Tahoe, Reno, New Reno, Sack, Fack, and Vegas, when applied over GEO satellite VSAT links in TCP connections, using Ns-2 simulation. Suitable scenarios based on a GEO bent-pipe satellite have been implemented. I evaluate the performance of the above mentioned TCP versions over GEO VSAT-based satellite links and compare it with the performance of a real VSAT link. It was found that the flow and congestion control mechanism used in some of TCP versions were unable to reach full utilization on VSAT link speeds. Keywords: Transmission Control Protocol (TCP), Very Small Aperture Terminals (VSAT),TCP Tahoe, TCP Reno, TCP Sack, TCP New Reno, TCP Sack, TCP Vegas, TCP Fack. D E C L A R A ' f i O I \ I , · t - r t i f y t h u t t h i s d i c , s c r t a t i < 1 1 1 d u e : - , r w t i n c u r p u r a t c · \ \ n h . , u t · h . : k l l > ' \ \ [ c · , \ ' = ' " ' ! l k n t ~m~ E l < t t u i < d p r n i u u - , l y - , u b m m e d f o r a d e g r e e i n a n y l m \ c T : S l T ) t , , t i l e b e : - . t , , J ' m ; . k l l < i \ \ l e d g e . I n c ! h e l i c v - : : t h a t i t d o c s n o t c o n t a i n a n y m a t e r i a l p r - : : , · i c m s l . v p u b l i s h e d . w r i t t e n o r o r a l l y c u m n n m i c a t e d b y a n u t h e r p e r s o n o r m y : : . e l f e x c e p t \ \ h e r e d u e r e f e r e n c e i : ; m a c k i n t h e t e x t . 1 a l s o h e r e b y g i v e c o n s e n t t \ 1 r m y d i s s c 1 1 a t i o n , i f a c c c p t c c l . t o b e m~1ck a \ · : : 1 i l c 1 b k f o r p b u t o c u p y i n [ : a n d f o r i n t e r - l i b r a r y l u a n o . . a n d f o r t h e t i t l e a n d s u n 1 1 n a r y t o b e m a d e J Y a i l < 1 b l c t o o u t s i d e n r g < 1 n i z a t i o n s . -~~t~tV< A b --=-""==~~ S i g n a t u r e < : i f t h e C < m d i d a t c D a t e : i 1 , , , , , , , . • T · i t h e b e s t m v k n u w l e d g e . t h e c l b < . l \ ' e p d r t i c u b r c . a r c C i . l l T e c t . \ , \ . Super\·i~~Jr . , . , . ! J . . : t ~ F~" K S a r . , 1 < - H " < ? l s i n g h e ;~~?3( · : ' 1 t d~· ~:;sr.;t~onir. & Tc!~:r .~~ ,~(( :·~--, u~-dc::,:.~:C"'~~ F~.nJineer~ng u~,1\;E:r~;.itj l l l ~~:::)1"'-:"~":1".,'1;"'~. S r i L a n k a A C K : \ 0 \ V L E D G E M E : " i ' f S F i r s t a n d f~'rcmost I \ V C m l d l i k e t n t h a n k M r . K i t h : > i n Samar:hint:h~:' ( H e a d u f t l l l ' D e p a r t m e n t . E k e t r ( ) n i c : ' - a n d T e k c o m m u n i c , l l i o n ) f \ 1 r ~111 h i s S L l j l ] ' G r i 2 1 1 1 d e n t h L t s w s m t U \ \ c t r c l t h e ' " T C P P e r f u n m m c e E v a l u a t i o n i n a V : : . a t L i n k " r e s e a r c h r,,pi~..~. H e p t c . l \ i d e d < l g r a e t d t < 1 l o C e n e c J U r R g e m e n t a n d g u i c h m e e b y p r o n d i n g i n l \ - J r m a t i , - , n r d E n e d t c J " z ; t d l i t e c c l n l n l u n i \ . . · a t i u n s . A l s o I \ \ o u l d l i k e t h a n k D r . A j i t h P a s q u a ! ( S e n w r Le~..·turcT D e p : m m e n t . , ; f E l e . . . ·trLTtiC~ a n d T e i e c u m m u n i c a t i r _ m ) f u r a l l h i s e x c e l l e n c e C \ X J r d i n a t i u n u f t h e V l S c r e : ; e < J n . : h ] J r ' - ' ' J a m . ' t \ e x t I e x t e n d m y t r a t i t u d e w a l l o f m y f r i e n d : : . . t~Jr t h e i r : ' L I P J W I " t : m d e n c , , u r a g e m e n t e x t e n d e d t O \ \ a r d s t h e s u c c e s s f u l c o m p l e t i o n o f t h i s r e s e a r c h p r o j e c t . l i n < l l l y . I \ \ O u l d l i k e t u r h < m k m y 6 m i i y f u r t h e i r (~Ulbtant l u v e a n d u n e n d i n g s u p p o r t . I \ ' ' f A B L E O F COI\'fE~TS D E C L " c \ R r \ T I O : \ ' . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i .~BSTR~CT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i i A C K ' \ 0 \ V L E D G \ I E . \ T S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i , T . \ B L E O F C O N T E N T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Y L I S T O F F i C ; t r R E S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Y i i L I S T ( J F T . · \ B L E S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . b ; 1 . I:\'TRODFCTiO~ 1 . 1 t v i c l t l \ a t i u n u f T C P . . . . . . 1 . 2 rs~ues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . u S c , ; p e o f w c 1 r k s . . . . . 1 . 4 F H , I u t i , ; n c 1 f T C P . 1 . 5 S a r c l l i t c ( ' O n 1 n l u n i c a t i o n . 1 . 5 . 1 T i m e D e i a v . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 . 5 . 2 S u n I n t e r k r e n c c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 . 5 . 3 S c i n t i l l a t i c ; n _ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 . 5 . 4 S a t e l l i t e A p p l i c a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 . 5 . - + . 1 D i g i t a l v o i c e C c > m m u n i c a t i u n . . 1 . 5 4 2 B r o C 1 d h [ l n d I P s c n · i c c s . . . . 1 . 5 . 4 . 3 8 1 \ 1 a d c a s t i n g S t ' T \ ice~ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5.~.4 \S~\ [ ' , c l ' \ ! C c S . . . 2 . L I T E R \ T l R E R E Y I E W 2 . 1 T C P . . 2 . 1 . 1 T C P L o g i c 1 l C . : m n e c t i , ; n . . . . . . . . . . 1 · ; ' . S I I . . 1 1 . . . . . . . . . 1 2 ' l . . . . . . . . . . . . . . . . . . I - I 1 . . 1 ! ' . 1 4 1 I . . l ! 1 - - + i h l h . . l~ 1 ' ) T C P V e r s i ; . n b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 ' ) 2 2 . 1 O l d e r \ ' c r s i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . I ( ) 2 . 2 . 1 . 1 T C P T a h , J e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 ' ) 2 . 2 . 1 . 2 T C P R e n u . . . . . . . . . . . · . : n 2 . 2 . 1 . 3 T C P l \ e \ \ r e n \ l . . . . . . . . , . , v 2.2.1.~ T C P \ ' e g a s . . . . . 2 . 2 . 1 . 5 T C P S A C K . . . . . . 2 . 2 . 1 . 6 T C P \ V e : - > t \ \ u u d . ) } ' T C P l o r H i g h B a n d v \ i c h h - D e l a y P I " t , d u . . : ! ' ' \ d \ \ \ ) t i : s . 2 . 2 . 2 . 1 H i g h s p c c c l T C P . . , I I ' I S c a l a b l e T C P . . . . , ' ) _ , J \ ' S A T C o m m u n i c a t i o n . . . . 2 . 3 . 1 V S A T : \ e t w o r k A p p l i e a t i u n s . 2 . 3 . 2 R a d i o F r e q u e n c y C h ; l r a c t e r i s t i c s n f V S / \ T : \ c r c . x . o r k s . . " ' . : u A c c e s s T e c h n i q u e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 . 3 . 3 . 1 R a n d o m A c c e s s . . . . . . . . . . . ' " " ' , ' ) . : . J , _ 1 ' . _ _ D e n w a c ! c b s i g n e d M u l t i p l e A c c e c , s . . . 2 . 3 . 3 . . 3 F i . \ . e d - A s s i g n e d F D l \ : 1 A . . 2 . 3 . - . f ( l u r b , n m d T D l \ i l C h a n n e L . . . . . . . . . . . 3 . \ I E T H O D O I O G Y 3 . 1 ( ) \ · c r \ !~\\ u f ~ . . \ S - 2 s i 1 n u l a r i u l 1 . 3 . 2 \ k , d d i n g r h e S y s t e m i n t \ S - 2 ' . . . . , _ i ' _ . . , R e , l l \ : c t \ \ u r k S v : ; t e m . - L S l : \ I U L - \ . T l O i \ R E S C L ' l " S . . f . 1 T a h o e . R e n o . N c w R c m • . S a c k . . F a d . a n d V e g a s R e s u l t s i n ' l S i m u l a t e d V S i \ . . , T L i n k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - + . 2 P e r t l 1 r m a n c e o v e r v a r y i n g p a m m c t c r s . . . . . . f . . " ' . 1 V a r y i n g T C P \ V i n d u \ \ S i z e . . . . . - 1 - 2 . 2 V a r y m g B i t E r r o r R a t e . . + . : : : : . J V a r y i n g t h e f i l e S i z e . . - l - . 3 l~cc;l ' \ e t \ \ ( H l l'ert~)nn~mcc: 5 . c o ' - . c u : s i o : \ 5 . 1 : \ L t j \ l l r t : ' : m l r : - ; . ~.:: f u t u r e 1 \ ( l r k s . . B I B L I O G R \ P H I C A L R E F E R E : \ ' C E S V l ' ' . . _ _ i ) ' i 2 1 J .2~ ~~ · - ' - ' ! 0 -~'' . 3 1 ' l . ~1- '~ ' _ ) _ ) ' ' ' · · · - " - i . . . ~4 " " l c t _ . ' . . _ i \ ) ~h . , , - ' : 3 9 3 ' ) J l . . . ! 1 ~~ . t 5 1 5 5 C J ) ( J : ' \ - l - c : ; c , · " - 5 9 . . . . . . . . . . . . ) t _ ) . . . . . . r . u 6 1 L ! S ' f O F F I G U R E S F i g u r e 1 l : l l ! u : : ; t r u t i c ' n C ' f T C P . _ : , 1 n g 6 t i c m \ \ i n d n \ \ b e h a \ i , , r c ; . F i g u r e 1 . 2 . 0 r b i t T ) p e : : . f u r S a t e l l t t e : i F i g u r e 1 . 3 : S k y n c , i : : ; e a n d f r e q u c ! k ' Y b a n d : ; . . . . . . . . . . F i g u r e l . 4 : C c ! : : , i : : ' O : u f c - U l l illlerferen..:~· . . F 1 g u r c 1 . 5 : V S A T S v s t c m . . . . F i g u r e 1 . 1 : T C P S e : • m e n t fum1~1t. . . . . . . . . . . . . . . . F i g u r e : 2 . 2 S ( ' ; i l : 1 b k T C P C o n g e s t i ( l l i \ \ i n c k 1 \ \ P r , , p e r l ! c s F i g u r e 2 . 3 : T l l e < . . T > l l \ e n t w n a l V S A T : : ; t a r l l t ' t \ \ ( l r k , . . , , n f i g u n t i , _ , n . f i g u r e 2 . - - + : A V S A T n e t w o r k b~iSCd C ' n m e s h ; 1 r c l m e c t u r c . F i g u r e 2 . 5 : R e s ( T \ a t i < J n m o d e t r a n s m i : - ; : ; i , J n . . F i g u r e 2 . 6 : T h r o u g h p u t v e r s u s c l e l R y p e r f o r m a n c e o r s o m e A l o h a s c h e m e s ( F r o m ITC~R S u p p l e m e n t 3 t P I ! u n d h o o k o ( S u r c l l i r c C o m n n m i c u r i n n s F i g u r : : 2 . 7 : T h e r i D ! C f r a m e t c m m t t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F i : . . ' u r c ~. 1 : I l l u s t r a t i o n o f T h e n l ' C--:--~ : m d O T c l 1 1 1 c . ; h a ; · i n : : r , : h > h l ( ' L t r c : · I F F i i ! u r e 3 . 2 . l l h t s i r a i w n o i ' S i m p l i f i e d l ' . e r ' s V i c \ \ ui''\,S~2. Fi~urc ~ . . ; -~ l . F i g u ; \ ' 3 . 5 P h y s i c a l Tcst~bccl F i g u r e - 1 . 1 : T h w u g h p u t o f T a h o e . R e m ' . \ i t \ \ R e 1 1 u . S a d , . F a c k c 1 1 1 d V e g a s T C P \ a r i , m b o v e r a 3 S 4 K b p s Y S A T L i n k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F i g u r e . l . : ' . : O u t p u t b u f f e r s i z e , , f R 1 r o u t e r i n R I - R ! L i 1 1 k f o r T a h u e . R e n u , ' \ e \ \ R e n o . S a c k , F a d . : a n d V e f ! R S I C P v a r i a m s , 1 , e r u 3 S 4 k b p s V S A T L i n k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F 1 g u r e - L ) P a c k e t S e q u c n l · e \ i o r e c e i \ e d t h e r e t ) r e c e i \ e r \ \ n h t h e T i m e . F l g u r t : ' - L - 1 - C c ' n g e s t i , , n , , · i n d o w , 1 f T C P s e n d e r V s t i m e f , , r L l l h < . R l ' l H l . l \ t \ \ R e n e ; _ S a c k . F a c k , m e l V e g a s r e p \ a r i c H l l : ' i \ 1 \ C I a 3 S 4 K b p s V S A T L i n k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F i g u r e · 1 . 5 : S I P \ \ S t a n T h r e o . h o l d v a l u e \ a r i a t i c m w i t h t h e T 1 m c t e n T c t h c ' e . R e r w . ' \ n \ · R e n o . S a , : L F a c k a n d Vt·ga~ T C P \ a n a n t : : ; c l \ l T \ ' ] ] . , ' l } l ( J . 1 1 ' ' " 1 - 1 - ' i ( J . \ l ~~ 1 ~2 . 3 5 . . 3 ( 1 , , . ' ' ' _ i . : y - J . ( J < - 4 ; - + 1 , - - . . - t _~, . - + - + ~h . . . . . . ' 4 7 -+~ . . - - + l ) a 3 S 4 K b p s V S ; \ T L i n k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1 j F i g u r e 4 . n : T h r c ; u g b p u t , · 1 f T , d l < l e . t < t l 1 ( 1 . " e ' ' R e n < ) . S c K k . f a d , . a n d Vc·~:ts T C P \ a r i a n h < . 1 1 e r a 3 S 4 K b p s V S . \ T L m k w i t h 0 K B \ \ l l l d C i \ Y S t t . e . . . . . . . . - , F i u u r c 4 . 7 : T h r n u c : : h n u t o f T a h o e . R e n o . ' \ c \ v R e n o . S a c k . F a c k : 1 n d ~ - ~ 1 - - V e g a s T ' C P v a r i a n t s o \ e r a 3 S 4 K h p s V S f l , T L i n l 1 1 i t h 1 7 K B W i n c l o 1 v S i z e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . " ' F i g u r e • ! . . ' : ) : T h r o u g h p u t u f \ J e \ \ R e n o a n d V e g a s T C P \ a r i a n b c 1 1 e r ' l J 8 4 K b p s V S A . T L m k \ \ l t h v a r y i n . : ; ' v \ ' i n d o \ \ S i z e . . . . ' . , 5 3 F i g u r e 4 ( 1 : P~t>J~et S e q u e n c e \ J c 1 r e c e i v e d b y t h e T C P r e . . : e i 1 e r \ \ i t h 1 h . : : l 1 n w ~~~ I n - 7 H E R . ~ + F l u u r c · - 1 . 1 : ) : P { - h . . : k e t Sequ~n(e : \ u r e l ' t ' l \ t \ . l r h r . : · T ( P r..:,~·c1 \ \ . . ' r \ " - , ~~--= t h e l t m e a t l i l - 5 B E l Z t i . 3 r L 1 1 Y J C . R e n n . \ , . , , F < . c i l , > . S : k · l . F a e k a m i V<:'~ch T C P \ · a n a n b . : : ) F i g u r e 4 . 1 1 : Jl:~ckct S e q u e n c e \ , , · ) o f V e g , b c t l I U - 5 . 1 0 - < ' . ' m d l i ! - 7 B E . R 1 a l u e " . . - , - , F i _ : ; u r e 4 . 1 2 P a c k e t S e q u e n c e ~.J w n h d i f f e r t ' l H f i l e s i z c : · s . " n F i i ; u r t ' 4 . 1 3 : T l m A i g h p u t u f T a l l o e . R e n u . 1 \ e \ \ R c l 1 l l , Sad~. Fe~d; a n d V e g a s T C P v a r i a n t s O\'~:T a 3 R 4 K b p : ; V S A T L i n k w i t h d i t T e r e n t f i l e : : . i 7 e : , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C : ' i ' ' , , _ ' i I F i : ; u r c 4 . 1 - l : T h r o u g h p u t p f \ \ ' i n c l o w , ; X P F T P s . . : n c r c l i e n t ,:ncr~·~ 3 S 4 K b r ' s V S A T L i n k w i t h a 2 \ 1 b y r e f i l e t r a n s f e r . . ) / F i g u r e - ! 1 5 : P a . : k c t S c q u . : - n . : c : \ ( 1 w i t h t i m e . s c - : \ I l l