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Text File  |  1996-05-07  |  27KB  |  141 lines

  1.  
  2.  
  3. Network Working Group                                  John Nagle Request For Comments:  896                         6 January 1984                     Ford Aerospace and Communications Corporation 
  4.  
  5.            Congestion Control in IP/TCP Internetworks 
  6.  
  7. This memo discusses some aspects of congestion control in  IP/TCP Internetworks.   It  is intended to stimulate thought and further discussion of this topic.   While some specific  suggestions  are made for improved congestion  control  implementation,  this memo does not specify any standards. 
  8.  
  9.                           Introduction 
  10.  
  11. Congestion control is a recognized problem in  complex  networks. We have discovered that the Department of Defense's Internet Pro- tocol (IP) , a pure datagram protocol, and  Transmission  Control Protocol  (TCP),  a transport layer protocol, when used together, are subject to unusual congestion problems caused by interactions between  the  transport  and  datagram layers.  In particular, IP gateways are vulnerable to a phenomenon we call  "congestion col- lapse",  especially when such gateways connect networks of widely different bandwidth.  We have developed  solutions  that  prevent congestion collapse. 
  12.  
  13. These problems are not generally recognized because these  proto- cols  are used most often on networks built on top of ARPANET IMP technology.  ARPANET IMP based networks traditionally  have  uni- form  bandwidth and identical switching nodes, and are sized with substantial excess capacity.  This excess capacity, and the abil- ity  of the IMP system to throttle the transmissions of hosts has for most IP / TCP hosts and  networks  been  adequate  to  handle congestion.  With the recent split of the ARPANET into two inter- connected networks and the growth of other networks with  differ- ing properties connected to the ARPANET, however, reliance on the benign properties of the IMP system is no longer enough to  allow hosts  to  communicate rapidly and reliably. Improved handling of congestion is now  mandatory  for  successful  network  operation under load. 
  14.  
  15. Ford Aerospace and Communications  Corporation,  and  its  parent company,  Ford  Motor  Company,  operate  the only private IP/TCP long-haul network in existence today.  This network connects four facilities  (one  in Michigan, two in California, and one in Eng- land) some with extensive local networks.  This net is cross-tied to  the  ARPANET  but  uses  its  own long-haul circuits; traffic between Ford  facilities  flows  over  private  leased  circuits, including  a  leased  transatlantic  satellite  connection.   All switching nodes are pure IP datagram switches  with  no  node-to- node  flow  control, and all hosts run software either written or heavily modified by Ford or Ford Aerospace.  Bandwidth  of  links in  this  network varies widely, from 1200 to 10,000,000 bits per second.  In general, we have not been able to afford  the  luxury of excess long-haul bandwidth that the ARPANET possesses, and our long-haul links are heavily loaded during peak periods.   Transit times of several seconds are thus common in our network. 
  16.  
  17.  
  18. RFC 896    Congestion Control in IP/TCP Internetworks      1/6/84 
  19.  
  20.  Because of our pure datagram orientation, heavy loading, and wide variation  in  bandwidth,  we have had to solve problems that the ARPANET / MILNET community is just beginning to  recognize.   Our network is sensitive to suboptimal behavior by host TCP implemen- tations, both on and off our own net.  We have devoted  consider- able  effort  to examining TCP behavior under various conditions, and have solved some widely  prevalent  problems  with  TCP.   We present  here  two problems and their solutions.  Many TCP imple- mentations have these problems; if throughput is worse through an ARPANET  /  MILNET  gateway  for  a given TCP implementation than throughput across a single net, there is a high probability  that the TCP implementation has one or both of these problems. 
  21.  
  22.                        Congestion collapse 
  23.  
  24. Before we proceed with a discussion of the two specific  problems and  their  solutions,  a  description of what happens when these problems are not addressed is in order.  In heavily  loaded  pure datagram  networks  with  end to end retransmission, as switching nodes become congested, the  round  trip  time  through  the  net increases  and  the  count of datagrams in transit within the net also increases.  This is normal behavior under load.  As long  as there is only one copy of each datagram in transit, congestion is under  control.   Once  retransmission  of  datagrams   not   yet delivered begins, there is potential for serious trouble. 
  25.  
  26. Host TCP  implementations  are  expected  to  retransmit  packets several times at increasing time intervals until some upper limit on the retransmit interval is reached.  Normally, this  mechanism is  enough to prevent serious congestion problems.  Even with the better adaptive host retransmission algorithms, though, a  sudden load on the net can cause the round-trip time to rise faster than the sending hosts measurements of round-trip time can be updated. Such  a  load  occurs  when  a  new  bulk  transfer,  such a file transfer, begins and starts filling a large window.   Should  the round-trip  time  exceed  the maximum retransmission interval for any host, that host will begin to introduce more and more  copies of  the same datagrams into the net.  The network is now in seri- ous trouble.  Eventually all available buffers in  the  switching nodes  will  be full and packets must be dropped.  The round-trip time for packets that are delivered is now at its maximum.  Hosts are  sending  each packet several times, and eventually some copy of each packet arrives at its destination.   This  is  congestion collapse. 
  27.  
  28. This condition is stable.  Once the  saturation  point  has  been reached,  if the algorithm for selecting packets to be dropped is fair, the network will continue to operate in a  degraded  condi- tion.   In  this  condition  every  packet  is  being transmitted several times and throughput is reduced to a  small  fraction  of normal.   We  have pushed our network into this condition experi- mentally and observed its stability.  It is possible  for  round- trip  time to become so large that connections are broken because 
  29.  
  30.  
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  32.  
  33.  the hosts involved time out. 
  34.  
  35. Congestion collapse and pathological congestion are not  normally seen  in  the ARPANET / MILNET system because these networks have substantial excess  capacity.   Where  connections  do  not  pass through IP gateways, the IMP-to host flow control mechanisms usu- ally prevent congestion collapse, especially since TCP  implemen- tations  tend  to be well adjusted for the time constants associ- ated with the pure ARPANET case.  However, other than ICMP Source Quench  messages,  nothing fundamentally prevents congestion col- lapse when TCP is run over the ARPANET / MILNET and  packets  are being  dropped  at  gateways.  Worth  noting is that a few badly- behaved hosts can by themselves congest the gateways and  prevent other  hosts from passing traffic.  We have observed this problem repeatedly with certain hosts (with whose administrators we  have communicated privately) on the ARPANET. 
  36.  
  37. Adding additional memory to the gateways will not solve the prob- lem.   The  more  memory  added, the longer round-trip times must become before packets are dropped.  Thus, the onset of congestion collapse  will be delayed but when collapse occurs an even larger fraction of the  packets  in  the  net  will  be  duplicates  and throughput will be even worse. 
  38.  
  39.                         The two problems 
  40.  
  41. Two key problems with the engineering of TCP implementations have been  observed;  we  call  these the small-packet problem and the source-quench problem.  The second is being addressed by  several implementors; the first is generally believed (incorrectly) to be solved.  We have discovered that once  the  small-packet  problem has  been  solved,  the  source-quench  problem becomes much more tractable.  We thus present  the  small-packet  problem  and  our solution to it first. 
  42.  
  43.                     The small-packet problem 
  44.  
  45. There is a special problem associated with small  packets.   When TCP  is  used  for  the transmission of single-character messages originating at a keyboard, the typical result  is  that  41  byte packets  (one  byte  of data, 40 bytes of header) are transmitted for each byte of useful data.  This 4000%  overhead  is  annoying but tolerable on lightly loaded networks.  On heavily loaded net- works, however, the congestion resulting from this  overhead  can result  in  lost datagrams and retransmissions, as well as exces- sive propagation time caused by congestion in switching nodes and gateways.   In practice, throughput may drop so low that TCP con- nections are aborted. 
  46.  
  47. This classic problem is well-known and was first addressed in the Tymnet network in the late 1960s.  The solution used there was to impose a limit on the count of datagrams generated per unit time. This limit was enforced by delaying transmission of small packets 
  48.  
  49.  
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  51.  
  52.  until a short (200-500ms) time had elapsed, in hope that  another character  or two would become available for addition to the same packet before the  timer  ran  out.   An  additional  feature  to enhance  user  acceptability was to inhibit the time delay when a control character, such as a carriage return, was received. 
  53.  
  54. This technique has been used in NCP Telnet, X.25  PADs,  and  TCP Telnet. It has the advantage of being well-understood, and is not too difficult to implement.  Its flaw is that it is hard to  come up  with  a  time limit that will satisfy everyone.  A time limit short enough to provide highly responsive service over a 10M bits per  second Ethernet will be too short to prevent congestion col- lapse over a heavily loaded net with  a  five  second  round-trip time;  and  conversely,  a  time  limit long enough to handle the heavily loaded net will produce frustrated users on the Ethernet. 
  55.  
  56.             The solution to the small-packet problem 
  57.  
  58. Clearly an adaptive approach is desirable.  One  would  expect  a proposal  for  an  adaptive  inter-packet time limit based on the round-trip delay observed by TCP.  While such a  mechanism  could certainly  be  implemented,  it  is  unnecessary.   A  simple and elegant solution has been discovered. 
  59.  
  60. The solution is to inhibit the sending of new TCP  segments  when new  outgoing  data  arrives  from  the  user  if  any previously transmitted data on the connection remains unacknowledged.   This inhibition  is  to be unconditional; no timers, tests for size of data received, or other conditions are required.   Implementation typically requires one or two lines inside a TCP program. 
  61.  
  62. At first glance, this solution seems to imply drastic changes  in the  behavior of TCP.  This is not so.  It all works out right in the end.  Let us see why this is so. 
  63.  
  64. When a user process writes to a TCP connection, TCP receives some data.   It  may  hold  that data for future sending or may send a packet immediately.  If it refrains from  sending  now,  it  will typically send the data later when an incoming packet arrives and changes the state of the system.  The state changes in one of two ways;  the incoming packet acknowledges old data the distant host has received, or announces the availability of  buffer  space  in the  distant  host  for  new  data.  (This last is referred to as "updating the window").    Each time data arrives  on  a  connec- tion,  TCP must reexamine its current state and perhaps send some packets out.  Thus, when we omit sending data on arrival from the user,  we  are  simply  deferring its transmission until the next message arrives from the distant host.   A  message  must  always arrive soon unless the connection was previously idle or communi- cations with the other end have been lost.  In  the  first  case, the  idle  connection,  our  scheme will result in a packet being sent whenever the user writes to the TCP connection.  Thus we  do not  deadlock  in  the idle condition.  In the second case, where 
  65.  
  66.  
  67. RFC 896    Congestion Control in IP/TCP Internetworks      1/6/84 
  68.  
  69.  the distant host has failed, sending more data is futile  anyway. Note  that we have done nothing to inhibit normal TCP retransmis- sion logic, so lost messages are not a problem. 
  70.  
  71. Examination of the behavior of this scheme under  various  condi- tions  demonstrates  that the scheme does work in all cases.  The first case to examine is the one we wanted to solve, that of  the character-oriented  Telnet  connection.   Let us suppose that the user is sending TCP a new character every  200ms,  and  that  the connection  is  via  an Ethernet with a round-trip time including software processing of 50ms.  Without any  mechanism  to  prevent small-packet congestion, one packet will be sent for each charac- ter, and response will be optimal.  Overhead will be  4000%,  but this  is  acceptable  on  an Ethernet.  The classic timer scheme, with a limit of 2 packets per second, will  cause  two  or  three characters to be sent per packet.  Response will thus be degraded even though on a high-bandwidth  Ethernet  this  is  unnecessary. Overhead  will  drop  to  1500%, but on an Ethernet this is a bad tradeoff.  With our scheme, every character the user  types  will find  TCP with an idle connection, and the character will be sent at once, just as in the no-control case.  The user  will  see  no visible  delay.   Thus,  our  scheme  performs as well as the no- control scheme and provides better responsiveness than the  timer scheme. 
  72.  
  73. The second case to examine is the same Telnet  test  but  over  a long-haul  link  with  a  5-second  round trip time.  Without any mechanism to prevent  small-packet  congestion,  25  new  packets would be sent in 5 seconds.* Overhead here is  4000%.   With  the classic timer scheme, and the same limit of 2 packets per second, there would still be 10 packets outstanding and  contributing  to congestion.  Round-trip time will not be improved by sending many packets, of course; in general it will be worse since the packets will  contend  for line time.  Overhead now drops to 1500%.  With our scheme, however, the first character from the user would find an  idle  TCP connection and would be sent immediately.  The next 24 characters, arriving from the user at 200ms  intervals,  would be  held  pending  a  message from the distant host.  When an ACK arrived for the first packet at the end of 5  seconds,  a  single packet  with  the 24 queued characters would be sent.  Our scheme thus results in an overhead reduction to 320% with no penalty  in response  time.   Response time will usually be improved with our scheme because packet overhead is reduced, here by  a  factor  of 4.7 over the classic timer scheme.  Congestion will be reduced by this factor and round-trip delay will decrease sharply.  For this ________   * This problem is not seen in the pure ARPANET case because the     IMPs will block the host when the count of packets     outstanding becomes excessive, but in the case where a pure     datagram local net (such as an Ethernet) or a pure datagram     gateway (such as an ARPANET / MILNET gateway) is involved, it     is possible to have large numbers of tiny packets     outstanding. 
  74.  
  75.  
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  77.  
  78.  case, our scheme has a striking  advantage  over  either  of  the other approaches. 
  79.  
  80. We use our scheme for all TCP connections, not just  Telnet  con- nections.   Let us see what happens for a file transfer data con- nection using our technique. The two extreme cases will again  be considered. 
  81.  
  82. As before, we first consider the Ethernet case.  The user is  now writing data to TCP in 512 byte blocks as fast as TCP will accept them.  The user's first write to TCP will start things going; our first  datagram  will  be  512+40  bytes  or 552 bytes long.  The user's second write to TCP will not cause a send but  will  cause the  block  to  be buffered.  Assume that the user fills up TCP's outgoing buffer area before the first ACK comes back.  Then  when the  ACK  comes in, all queued data up to the window size will be sent.  From then on, the window will be kept full,  as  each  ACK initiates  a  sending  cycle  and queued data is sent out.  Thus, after a one round-trip time initial period when only one block is sent,  our  scheme  settles down into a maximum-throughput condi- tion.  The delay in startup is only 50ms on the Ethernet, so  the startup  transient  is  insignificant.  All three schemes provide equivalent performance for this case. 
  83.  
  84. Finally, let us look at a file transfer over the  5-second  round trip  time connection.  Again, only one packet will be sent until the first ACK comes back; the window will then be filled and kept full.   Since the round-trip time is 5 seconds, only 512 bytes of data are transmitted in the first 5 seconds.  Assuming a 2K  win- dow,  once  the first ACK comes in, 2K of data will be sent and a steady rate of 2K per 5 seconds will  be  maintained  thereafter. Only  for  this  case is our scheme inferior to the timer scheme, and the difference is only in the startup transient; steady-state throughput  is  identical.  The naive scheme and the timer scheme would both take 250 seconds to transmit a 100K  byte  file  under the  above  conditions  and  our scheme would take 254 seconds, a difference of 1.6%. 
  85.  
  86. Thus, for all cases examined, our scheme provides at least 98% of the  performance  of  both other schemes, and provides a dramatic improvement in Telnet performance over paths with long round trip times.   We  use  our  scheme  in  the  Ford  Aerospace  Software Engineering Network, and are able to run screen editors over Eth- ernet and talk to distant TOPS-20 hosts with improved performance in both cases. 
  87.  
  88.                   Congestion control with ICMP 
  89.  
  90. Having solved the small-packet congestion problem and with it the problem  of excessive small-packet congestion within our own net- work, we turned our attention to the problem of  general  conges- tion  control.   Since  our  own network is pure datagram with no node-to-node flow control, the only  mechanism  available  to  us 
  91.  
  92.  
  93. RFC 896    Congestion Control in IP/TCP Internetworks      1/6/84 
  94.  
  95.  under  the  IP standard was the ICMP Source Quench message.  With careful handling,  we  find  this  adequate  to  prevent  serious congestion problems.  We do find it necessary to be careful about the behavior of our hosts and switching  nodes  regarding  Source Quench messages. 
  96.  
  97.                When to send an ICMP Source Quench 
  98.  
  99. The present ICMP standard* specifies that an ICMP  Source  Quench message  should  be  sent whenever a packet is dropped, and addi- tionally may be sent when a gateway finds itself  becoming  short of  resources.   There is some ambiguity here but clearly it is a violation of the standard to drop a  packet  without  sending  an ICMP message. 
  100.  
  101. Our basic assumption is that packets ought not to be dropped dur- ing  normal  network  operation.   We  therefore want to throttle senders back before they overload switching nodes  and  gateways. All  our  switching  nodes  send ICMP Source Quench messages well before buffer space is exhausted; they do not wait  until  it  is necessary to drop a message before sending an ICMP Source Quench. As demonstrated in our  analysis  of  the  small-packet  problem, merely  providing  large  amounts of buffering is not a solution. In general, our experience is that Source Quench should  be  sent when  about  half  the  buffering space is exhausted; this is not based on extensive experimentation but appears to be a reasonable engineering  decision.   One  could  argue for an adaptive scheme that adjusted the quench generation  threshold  based  on  recent experience; we have not found this necessary as yet. 
  102.  
  103. There exist other gateway implementations  that  generate  Source Quenches  only after more than one packet has been discarded.  We consider this approach undesirable since any system for  control- ling congestion based on the discarding of packets is wasteful of bandwidth and may be susceptible  to  congestion  collapse  under heavy  load.   Our understanding is that the decision to generate Source Quenches with great reluctance stems from a fear that ack- nowledge  traffic  will  be quenched and that this will result in connection failure.  As will be shown below, appropriate handling of  Source  Quench in host implementations eliminates this possi- bility. 
  104.  
  105.         What to do when an ICMP Source Quench is received 
  106.  
  107. We inform TCP or any other  protocol  at  that  layer  when  ICMP receives  a Source Quench.  The basic action of our TCP implemen- tations is to reduce the amount of data  outstanding  on  connec- tions to the host mentioned in the Source Quench. This control is ________   * ARPANET RFC 792 is the present standard.  We are advised by     the Defense Communications Agency that the description of     ICMP in MIL-STD-1777 is incomplete and will be deleted from     future revision of that standard. 
  108.  
  109.  
  110. RFC 896    Congestion Control in IP/TCP Internetworks      1/6/84 
  111.  
  112.  applied by causing the sending TCP to behave as  if  the  distant host's  window  size  has been reduced.  Our first implementation was simplistic but effective;  once  a  Source  Quench  has  been received  our  TCP behaves as if the window size is zero whenever the window isn't  empty.   This  behavior  continues  until  some number  (at  present 10) of ACKs have been received, at that time TCP returns to normal operation.* David Mills  of  Linkabit  Cor- poration  has  since  implemented  a  similar  but more elaborate throttle on the count of outstanding packets in his DCN  systems. The  additional  sophistication seems to produce a modest gain in throughput, but we have not made formal tests.  Both  implementa- tions effectively prevent congestion collapse in switching nodes. 
  113.  
  114. Source Quench thus has the effect of limiting the connection to a limited number (perhaps one) of outstanding messages.  Thus, com- munication can continue but at a reduced rate,  that  is  exactly the effect desired. 
  115.  
  116. This scheme has the important property that Source Quench doesn't inhibit  the  sending of acknowledges or retransmissions.  Imple- mentations of Source Quench entirely within the IP layer are usu- ally unsuccessful because IP lacks enough information to throttle a connection properly.  Holding back acknowledges tends  to  pro- duce  retransmissions and thus unnecessary traffic.  Holding back retransmissions may cause loss of a connection by  a  retransmis- sion  timeout.   Our  scheme  will  keep  connections alive under severe overload but at reduced bandwidth per connection. 
  117.  
  118. Other protocols at the same layer as TCP should also  be  respon- sive  to  Source  Quench.  In each case we would suggest that new traffic should be throttled but acknowledges  should  be  treated normally.   The only serious problem comes from the User Datagram Protocol, not normally a major traffic generator.   We  have  not implemented  any  throttling  in  these protocols as yet; all are passed Source Quench messages by ICMP but ignore them. 
  119.  
  120.                     Self-defense for gateways 
  121.  
  122. As we have shown, gateways are vulnerable to  host  mismanagement of  congestion.  Host misbehavior by excessive traffic generation can prevent not only the host's own traffic from getting through, but  can interfere with other unrelated traffic.  The problem can be dealt with at the host level but since one malfunctioning host can  interfere  with others, future gateways should be capable of defending themselves against such behavior by obnoxious or  mali- cious hosts.  We offer some basic self-defense techniques. 
  123.  
  124. On one occasion in late 1983, a TCP bug in an ARPANET host caused the  host  to  frantically  generate  retransmissions of the same datagram as fast as the ARPANET would accept them.   The  gateway ________   * This follows the control engineering dictum  "Never bother     with proportional control unless bang-bang  doesn't work". 
  125.  
  126.  
  127. RFC 896    Congestion Control in IP/TCP Internetworks      1/6/84 
  128.  
  129.  that connected our net with the ARPANET was saturated and  little useful  traffic  could  get  through,  since the gateway had more bandwidth to the ARPANET than to our  net.   The  gateway  busily sent  ICMP  Source  Quench  messages  but the malfunctioning host ignored them.  This continued for several hours, until  the  mal- functioning  host  crashed.   During this period, our network was effectively disconnected from the ARPANET. 
  130.  
  131. When a gateway is forced to  discard  a  packet,  the  packet  is selected  at  the  discretion of the gateway.  Classic techniques for making  this  decision  are  to  discard  the  most  recently received packet, or the packet at the end of the longest outgoing queue.  We suggest that a worthwhile practical measure is to dis- card  the  latest  packet  from the host that originated the most packets currently queued within the gateway.  This strategy  will tend  to  balance throughput amongst the hosts using the gateway. We have not yet tried this strategy, but it  seems  a  reasonable starting point for gateway self-protection. 
  132.  
  133. Another strategy is to discard a  newly  arrived  packet  if  the packet  duplicates  a  packet already in the queue.  The computa- tional load for this check is not a problem if hashing techniques are  used.   This  check will not protect against malicious hosts but will provide some protection against TCP implementations with poor  retransmission  control.   Gateways between fast local net- works and slower long-haul networks may find this check  valuable if the local hosts are tuned to work well with the local network. 
  134.  
  135. Ideally  the  gateway  should  detect  malfunctioning  hosts  and squelch them; such detection is difficult in a pure datagram sys- tem.  Failure to  respond  to  an  ICMP  Source  Quench  message, though,  should be regarded as grounds for action by a gateway to disconnect a host.  Detecting such failure is non-trivial but  is a worthwhile area for further research. 
  136.  
  137.                            Conclusion 
  138.  
  139. The congestion control problems  associated  with  pure  datagram networks  are  difficult, but effective solutions exist.  If IP / TCP networks are to be operated under heavy load, TCP implementa- tions  must address several key issues in ways at least as effec- tive as the ones described here. 
  140.  
  141.