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Un modèle pour des connexions implémentant un algorithme de contrôle de congestion de type TCP. Carl Graham CNRS, École polytechnique École d’été ANR MANEGE, Agay — 9 juin 2011 — 1

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Un modèle pour des connexions implémentant unalgorithme de contrôle de congestion de type TCP.

Carl Graham

CNRS, École polytechnique

École d’été ANR MANEGE, Agay — 9 juin 2011 — 1

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Travail effectué avec

Philippe Robert , INRIA Roquencourt

1. Interacting multi-class transmissions in large stochas tic

networks (AAP 2009)

2. Self-adaptive congestion control for multi-class inter mittent

connections in a communication network (soumis 2010)

et pour une étude poussée sur les lois invariantes pour 1.,

Maaike Verloop , CWI Amsterdam

3. Stability properties of networks with interacting TCP flo ws

(Proceedings of NET-COOP 2009)

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1 Modeling the Internet

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The Internet is a vast , complex , and ill-known structure

in perpetual evolution .

Undisciplined users

access it for varied purposesand have vastly different characteristics

and QoS (quality of service) requirements .

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Connections (initiated by users ) have to

self-adaptto the packet losses due to the congestion they create

by regulating their outputusing algorithms such as the

congestion control part of TCP

(Transmission Control Protocol).

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It is important to understand better this

feedback loop .

Highly nonlinear behavior is expected.

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The situation is a fairly well understood for a

single node

with asymptotic formulæ for throughput , etc., even if

many problems remain open

depending on the level of precision and detail sought

(delayed information . . . )

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Much lessis understood about the true issue,

Stochastic Networks ,

i.e., the coexistence , and hence the interaction ,

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• of varied data flows(file transfers, telephony, video streaming, web browsing,

MMORPG, P2P, . . . )

• with varied characteristics(routes, QoS requirements, rates, . . . )

each using in its own fashion

a limited common resource

• constituted of varied nodes(links, routers, processors, buffers, . . . )

• with varied purposes .

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It is natural to regroup data flows into a

reasonable number of classes ,

according to their characteristics , and we focus on such

interacting multi-class network models.

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One approach :

Introduced and studied by several distinguished authors ,

e.g.,

Kelly, Maulloo, and Tan (JORS 1998)

Massoulié and Roberts (INFOCOM 1999)

Kelly and Williams (AAP 2004)

Massoulié (AAP 2007)

Kang, Kelly, Lee, and Williams (AAP 2009)

Kelly, Massoulié, and Walton (QS 2009).

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Optimisation problem : xk routes of class k ∈ {1, . . . , K }:

receive throughput λ∗k

, such that (λ∗k) achieves

maxλ∈C

K∑

k=1

xk Uk (λk /xk )

where Uk is some utility function , and C depends on the

capacity of the resources.

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The utility function is used to summarize in an idealized

fashion the effect of TCP on the network .

This is a very high level macroscopic approach, perhaps

akin to Thermodynamics .

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Our approach :

to devise a microscopic modeland then derive its macroscopic limit.

The idealization of TCP takes place at the micro level.

Akin to kinetic models in Statistical Physics .

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2 Markovian modeling of user interaction

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We propose

a Markovian model for a stochastic network

• constituted of J ≥ 1 nodes ,

• hosting K ≥ 1 classes of users (or connections ),

• with Nk ≥ 1 users in class k for 1≤ k ≤K .

N = (N1, . . . , NK ) class size vector ,

|N |=N1+ · · ·+NK total number of users .

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Each user (or connection ) alternates between being

• active , or on, when it has data to transmit

• and inactive , or off , when it has none

and thus generates

intermittent (intermittent ) transmissions .

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Markov model and Itô-Skorohod equations

This model corresponds to a Markov process

W N (t ) =�

W N

n ,k(t ), 1≤n ≤Nk , 1≤ k ≤K

, t ≥ 0 ,

where

W N

n ,k(t )∈R+∪{−1}

is the state (output, window)of the n -th transmission of class k at time t .

We choose to represent it (in law) by the following

Itô-Skorohod SDE:

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d W Nn ,k(t ) =1n

W Nn ,k(t−)=−1

o

(1+w )1{0<z<λk (UN (t−))}An ,k (d w ,d z ,d t )

+1nW N

n ,k(t−)≥0

o

ak (WN

n ,k(t−),U N (t−))d t

− (1− rk )WN

n ,k(t−)

∫ 1n0<z<bk (W

Nn ,k(t−),U N (t−))oNn ,k (d z ,d t )

− (1+W Nn ,k(t−))

∫ 1n0<z<µk (W

Nn ,k(t−),U N (t−))oDn ,k (d z ,d t )

with U N (t ) = (U Nj(t ),1≤ j ≤ J ) , U N

j(t ) =

K∑

k=1

A j k

Nk∑

n=1

W Nn ,k(t )+ ,

where the An ,k are Poisson point processes with intensity αk (d w )d z d t ,

and the Nn ,k and Dn ,k are Poisson point processes with intensity d z d t .

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The following can be proved using standard arguments .

If the functions ak are Lipschitz

and bk , λk , and µk are locally bounded ,

then there is pathwise existence and uniqueness

of solution for the SDE,

and the corresponding Markov process is well defined .

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The mean-field asymptotic regime

This SDE constitutes

a coupled system in very high dimension

and an asymptotic study is performed to render it

tractable , which reduces

the dimension to the number of classes K .

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For 1≤ k ≤K , we assume that

Nk→∞ ,Nk

|N |:=

Nk

N1+ · · ·+NK

→ pk ,

and, so as to scale the resource capacities adequately,

that a factor 1

|N |is introduced inside the coefficients by

replacing U N by UN=

1

|N |U N

.

This yields the following mean-field rescaled SDE :

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d W Nn ,k(t ) =1n

W Nn ,k(t−)=−1

o

(1+w )1�0<z<λk

UN(t−)�An ,k (d w ,d z ,d t )

+1nW N

n ,k(t−)≥0

o

ak

W Nn ,k(t−),U

N(t−)�

d t

− (1− rk )WN

n ,k(t−)

∫ 1�0<z<bk

W Nn ,k(t−),U

N(t−)�Nn ,k (d z ,d t )

− (1+W N

n ,k(t−))

∫ 1�0<z<µk

W Nn ,k(t−),U

N(t−)�Dn ,k (d z ,d t )

with UN(t ) =

1

|N |U N (t ) =

UN

j(t ),1≤ j ≤ J

,

UN

j(t ) =

1

|N |U N

j(t ) =

K∑

k=1

A j k

Nk

|N |W

N

k(t ) , W

N

k(t ) =

1

Nk

Nk∑

n=1

W Nn ,k(t )+ .

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This system is in multi-class mean-field interaction through

WN

k(t ), 1≤ k ≤K

via UN(t ) =

1

|N |U N (t ) ,

the vector of the empirical means of the class outputs

via

the rescaled throughput vector .

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For 1≤ k ≤K , a natural quantity is the class k empirical

measure

ΛN

k=

1

Nk

Nk∑

n=1

δ�W N

n ,k(t ),t≥0

where δ(x (t ),t≥0) denotes the Dirac mass

at the sample path (x (t ), t ≥ 0).

Notably

WN

k(t ) = ⟨w +

,ΛN

k(t )(d w )⟩ .

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3 Limit nonlinear Markov process

and class interaction

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In the mean-field asymptotic regime ,

under adequate assumptions for the initial conditions ,

a propagation of chaos phenomenon is expected:

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• the processes W Nn ,k

should become independent , and

each converge in law to a process Wk ,

• the empirical measures ΛN

k(random laws on path space )

should converge in law (and in probability)

to the law of the same process Wk ,

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where the limit process

W (t ) = (Wk (t ), 1≤ k ≤K ) , t ≥ 0 ,

solves the ( adequately started ) following equation:

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McKean-Vlasov Itô-Skorohod SDE ( Nonlinear Markov process)

d Wk (t ) =1{Wk (t−)=−1}

(1+w )1{0<z<λk (uW (t ))}Ak (d w ,d z ,d t )

+1{Wk (t−)≥0}

ak (Wk (t−),uW (t )) d t

− (1− rk )Wk (t−)

∫ 1{0<z<bk (Wk (t−),uW (t ))}Nk (d z ,d t )

− (1+Wk (t−))

∫ 1{0<z<µk (Wk (t−),uW (t ))}Dk (d z ,d t )

with

uW (t ) = (uW ,j (t ),1≤ j ≤ J ) , uW ,j (t ) =

K∑

k=1

A j k pkE(Wk (t )+) .

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The interaction between coordinates depends on

the mean throughput vector

(uW (t ), t ≥ 0)

which is a linear functional of

the mean class output vector

E(W (t )+) =E(Wk (t )+, 1≤ k ≤K ) = ⟨w +,L (W (t ))⟩ .

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Notably, the infinitesimal generator of the Markov process

(W (t ), t ≥ 0) depends, at time t , on the

law L (W (t )) of W (t ) itself

and not only on the value of the sample path.

Actually , only on the class marginals of L (W (t )).

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The Kolmogorov equations are

nonlinear integro-differential equationsand a

nonlinear martingale problem

can be associated to this process.

This is why it is called a

Nonlinear Markov process .

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Using this SDE representation , we have adapted

contraction and coupling techniques developed

for exchangeable systems by Sznitman (1980’s, 1989)

to this multi-class setting ( technical ), and

obtained existence and uniqueness

for this fixed-point problem,

as well as propagation of chaos .

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This was done in G. and Robert (AAP 2009) for

persistent transmissions

and has been extended to the general case of

on-off users with intermittent transmissions

in G. and Robert (submitted 2010)

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There were many difficulties , e.g.,

• lack of symmetry of multi-class systems

w.r.t. exchangeable ones:

N1! · · ·NK !≪|N |!= (N1+ · · ·+NK )!

and rigorous results are rare for multi-class systems,

• quadratic behavior of bk (w , u ) =wβk (u ),

• on-off users introduce discontinuities . Smart choices

may simplify computations ( −1 as cemetery state , . . . ).

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The assumptions , notably on initial conditions , reflect this.

These must not be too stringent since

long-time and stationary behavior

are essential .

Gaussian moment assumptions were used.

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4 Fixed points and

invariant laws for the limit

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Recall that solution (W (t ), t ≥ 0) has in general

an infinitesimal generator at time t

depending not only on the state ,

but also, through uW (t ), on E(W (t )+)

and thus on the law L (W (t )) itself.

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This nonlinearity is an important complication in studying the

behavior of (W (t ), t ≥ 0), in particular for

existence and uniqueness of invariant laws .

Note that, starting from an invariant law ,

(E(W (t )+), t ≥ 0) and hence (uW (t ), t ≥ 0) are constant ,

and (W (t ), t ≥ 0) corresponds to a

homogeneous Markov process

in equilibrium .

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Interesting results on the invariant laws were obtained in

G. and Robert (AAP 2009, preprint 2010) by reducing the

corresponding

infinite -dimensional fixed-point problem

to a finite -dimensional one.

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The results for on-off users being still preliminary ,

we concentrate now on

users or connections

which emit persistently

and thus can be identified with their transmissions .

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Assume that, for 1≤ k ≤K ,

ak (w , u ) = ak (u ) , bk (w , u ) =wβk (u ) , w ∈R+ , u ∈RJ

+,

where

ak :RJ+→R+ is Lipschitz bounded

βk :RJ+→R+ is Lipschitz .

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Then, the invariant laws for the nonlinear SDE are in

one-to-one relation with

the solutions of the

finite -dimensional fixed-point problem

u = (u j , 1≤ j ≤ J )∈RJ

+, u j =

K∑

k=1

A j k pkψ(rk )

È

ak (u )

βk (u ),

where

ψ(r ) =

r

2

π

∞∏

n=1

1− r 2n

1− r 2n−1.

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Such a solution u ∗ corresponds to a

product-form invariant law with density

K∏

k=1

Hrk ,ρk(wk ) , w = (wk , 1≤ k ≤K )∈RK

+,

where ρk =ak (u

∗)

βk (u∗)

and, for x ∈R+ ,

Hr,ρ(x ) =

p

2ρ/π

∞∏

n=0

(1− r 2n+1)

∞∑

n=0

r −2n

n∏

k=1

(1− r −2k )

e−ρr−2n x 2/2 .

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Note that the decay is appropriate for

Gaussian moment conditions .

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The limit equilibrium throughput for class k users is given by

λk =E(W k ) =

R+

x Hrk ,ρk(x )d x

=ψ(rk )p

ρk =ψ(rk )

È

ak (u∗)

βk (u∗)

with u ∗ solving a fixed-point problemwhich can be written as

H (u ∗) = 0 .

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Back to an optimisation problem ?

A route of class k ∈ 1, . . . , K receives throughput λ∗k

, such

that (λ∗k) achieves

maxλ∈C

K∑

k=1

pk Uk (λk /pk )

which can be put (under some conditions ) in the form

∇G (λ∗/p ) = 0 .

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How many solutions for the fixed-point problem ?

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G., Robert, and Verloop (NETCOOP 2009) prove

existence and uniqueness of the invariant law

by contraction and monotonicity methods ,

under some assumptions , for topologies such as

• One node, several classes

• Linear networks with cross-traffic

• Trees

• Rings and toruses.

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Assume moreover that

A j k =

(

1 if node j is used by a class k user ,

0 otherwise ,

βk (u ) =βk

J∑

j=1

A j k u j

.

(With slight abuse of notations.)

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The fixed-point equation becomes

u j =

K∑

k=1

A j k pkψ(rk )

q

ak (u )

q

βk

�∑J

j=1A j k u j

, 1≤ j ≤ J .

We assume that u→βk (u ) is strictly increasing and

Lipschitz and that ak (u )≡ ak is constant .

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One node, several classes

There is a unique solution u =u ∗ for the fixed-point equation

u =

K∑

k=1

ψ(rk )pk

r

ak

βk (u ),

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and a unique invariant law with density Hr,ρkand expectation

ψ(rk )

r

ak

βk (u∗)

yielding the mean equilibrium output .

If moreover the classes vary only in their RTT’s, i.e.,

βk ≡β , rk ≡ r , 1≤ k ≤K ,

then the class outputs differ only by the factors

p

ak = 1/p

RTTk .

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Linear network with cross-traffic

There are J nodes and K = J +1 classes . For 1≤ j ≤ J ,

class j transmissions use only node j . The transmissions of

class J +1 use all J nodes.

21 3 J

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Trees

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Ring topology, 1

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Ring topology, 2

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Ring topology, 3

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Is uniqueness always true if

u→bk (u )

is non-decreasing ?

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There exist examples when not :

Raghunathan and Kumar (2007) in a wireless context.

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Are there meta-stability phenomena

in these networks ?

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Known for

• Loss Networks : Gibbens et al. (1990), Marbukh (1993),

• Wireless Networks : Antunes et al. (2008).

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Are there oscillations ?

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Such possibilities have been suggested by the literature on

the Internet and by simulations :

cyclic behavior in congested networks

e.g., mean-field study for a single node and a single class

and delay equations in

Baccelli, McDonald, and Reynier (2002)

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5 A Conclusion

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Representation of the interaction of flows

• Using an instantaneous fluid picture yields:

An optimisation problem

Data for Model : Utility function .

• Starting from microscopic dynamics yields:

A fixed point equation

Data for Model : Equation coefficients .

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Perspectives

• Modeling transmissions arriving from the outside world

and disappearing after completion . A different scaling .

• More on the invariant laws for on-off users . Transient

behavior of on periods needs to be assessed.

• Convergence of invariant laws :

limN→∞

limt→∞

= limt→∞

limN→∞

?

Always difficult , especially with multiple equilibria .

• Relations with the optimization problem approach.

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Merci

pour votre attention !

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