## Studi Network Congestion Dengan TCP Tahoe
Misbahul Fajri 1
1 Fakultas Ilmu Komputer, Universitas Mercu Buana Jl. Raya Meruya Selatan, Kembangan, Jakarta Barat
1 fajri@mercubuana.ac.id

## Abstract
The internet and intranets are increasingly dense in traffic  due to the development of computer services  and  their  users  to  date.  In  1986,  the  first  time  there  was  congestion  on  the  internet network, namely with a drastic decrease in traffic and a collapse, a few years later the theory of Congestion Avoidance and Control was proposed by Jacobson. Congestion is the sending of data packets on a link that exceeds its bandwidth capacity, this will have a negative impact on network performance,  namely;  many  lost  packets,  decreased  link  utility  (low  throughput),  high  queue waiting times, and even deadlocks (congestion collapse), these were studied in this study because they were very challenging to analyze and develop. TCP Congestion Control is a TCP protocol that is applied to end devices, namely on the server and client, slow-start protocol and congestion avoidance  and  Fast  Retransmit  is  the  beginning  of  the  previous  research,  bottlenect  network topology where the mechanism is implemented at the Transport Layer with FTP service traffic. In this  research,  further  study  and  analysis  of  the  TCP  Tahoe  algorithm  is  carried  out,  which implements  the  four  standard  scenarios  according  to  the  TCP  mechanism.  This  research simulation uses the OPNET simulator with dumbbell network and discarding packets. Keyword: TCP Congestion Control, Network Traffic Management, Tahoe

## Abstrak
Intenet  maupun  intranet  semakin  padat  trafiknya  dikarenakan  perkembangan  layanan  komputer dan penggunanya sampai saat ini. Pada tahun 1986 terjadi pertama kali kemacetan pada jaringan internet, yaitu dengan trafik menurun secara drastis dan terjadi kolaps, bebrapa tahun kemudian diusulah  teorinya  yaitu  Congestion  Avoidance  and  Control  oleh  Jacobson.  Kemacetan  adalah pengiriman  paket  data  pada  suatu  link  yang  melebihi  kapasitas  bandwidthnya,  ini  akan berdampak negatif pada kinerja jaringan, yaitu; banyak paket yang hilang, menurunnya  utilitas link (low throughput),  tingginya waktu tunggu  antrian, dan bahkan terjadi deadlock (congestion collapse), hal tersebut yang dipelajari pada penelitian ini karena sangat menatang untuk dianalisa dan  dikembangkan.  TCP  Congestion  Control  adalah  protokol  TCP  yang  diterapkan  pada  end device  yaitu  di  server  dan  client,  protokol  slow-start  dan  congestion  avoidance  serta  Fast Retransmit  merupakan  awal  dalam  penelitian  sebelumnya,  topologi  jaringan  bottlenect  yang dimana dimplementasikan mekanisme tersebut pada Transport Layer dengan   trafik layanan FTP. Pada  penelitian  ini  dilakukan  studi  lanjut  dan  analisa  TCP  Tahoe  algortima,  dimana mengimplementasikan keempat  skenario  standar  sesuai  mekanisme  TCP.  Simulasi  penelitian  ini menggunakan simulator OPNET  dengan jaringan dumbbell dan paket discarding.
Keyword : TCP Congestion Control, Network Traffic Management, Tahoe

## I. Pendahuluan
Dengan  berkembangnya  teknologi  informasi  dan  layanannya,  membuat  penggunaan  akses  semakin  tinggi pada  jaringan  computer  yaitu  internet,  sehingga  pengiriman  trafik  padat  pada  lalu-lintas  data  komunikasi  di jaringan local maupun  internet.  Pada  tahun  1986  terjadi  pertama  kali  kemacetan  jaringan  internet,  yang mengakibatkan lumpuh total ( congestion collapse ) karena penurunan drastis kecepatan pengiriman paket data. Hal  tersebut  karena  belum  adanya  pengaturan  untuk  mengatasi  keadaan  trafik  yang  sangat  tinggi,  teori Congestion Avoidance and Control [1] yang dibuat oleh Jacobson pada tahun 1988 untuk mengatasi kemacetan
tersebut. Kemacetan adalah pengiriman paket  data pada suatu link yang melebihi kapasitas bandwidth nya, ini akan berdampak negatif pada kinerja jaringan, yaitu; banyak paket yang hilang,  menurunnya utilitas link ( low throughput ),  tingginya  waktu  tunggu  antrian,  dan  bahkan  terjadi deadlock ( congestion  collapse ).  Congestion sangat penting untuk diperbaiki yang apabila tidak dapat diatasi akan menghambat perkembagan informasi, oleh karena itu perkembangan penelitian di bidang ini berkembang sampai saat ini, munculnya metode-metode baru dari  yang  simpel  hingga  kompleks  dan  juga  untuk  berbagai  media  komunikasinya,  tetapi  metode-metode tersebut  mempunyai  keunggulan  dan  kekurangannya,  dikarenakan mempunyai  karakteritik  yang  berbeda  pula dalam  penerapannya,  hal  ini  sangat  menarik  dan  menantang  untuk  mempelajari  bidang  ini  yang  merupakan pembahasan dalam penelitian ini. Ada dua mekanisme Congestion Control, yaitu TCP Congestion Control dan Active  Queue  Management (AQM)  [2],  yang  implementasinya  berbeda.  AQM  diimplementasikan  pada intermediate network yang berfungsi untuk penanganan Buffer overflow, dimana penyebab padatnya trafik pada sebuah  node  dan  menjadi  masalah  dalam  pengiriman  paket  data  yang  mengakibatkan  memburuknya  kinerja jaringan  [3]  yaitu  diantaranya  pada buffer  overflow pada  router.  Empat  mekanisme  yang  dimiliki  oleh  TCP congestion  control adalah; slow  start,  congestion  avoidance,  fast  retransmit, dan fast  recovery .  Keempat mekanisme  tersebut  diimplementasikan  menjadi TCP  Tahoe ,  mekanisme  ini  sangat  ampuh  untuk  mengatasi kepadatan jaringan dibandingkan dengan TCP control standar sebelumnya. Pada penelitian ini dilakukan analisa kinerja protokol TCP Congestion Control dengan mengunakan metode TCP  Tahoe ,  dan  disimulasikan  untuk  uji  pada  beberapa  skenario  drop  paket  yang  dilalui  layanan  FTP  pada topologi bootlenect  network ,  keluaran  simulasi  menghasilkan  karakteristik  kinerja TCP  Control yang  akan dianalisa.  Pengunaan  simulator  jaringan  OPNET,  metode TCP  Control diimplementasikan  pada  topologi jaringan bottlenect ,  yang  kemudian  dibandingkan  mekanisme  standar TCP  Control  yaitu  slow  start dan congestion avoidance. Trafik FTP digunakan dalam test skenario pengiriman paket data. Pada Simulasi ini akan didapat  karakteristik  penggunaan buffer dalam  penanganan  antrian,  jumlah  paket  yang  dibuang, congestion window size , dan waktu tunda.

## II. Metodologi Penelitian

## Algortima TCP Control – Slow Start
Untuk  memecahkan  masalah  kemacetan  pada  jaringan,  algortima slow  start disertakan.  Dasar pendekatannya adalah dengan ide congestion window ( cwnd ) [4]. Ketika koneksi baru dibuat, cwnd di inisial satu  paket.  Setiap  waktu  sebuah  paket  dengan  nomor  berurut n datang  pada  penerima,  penerima mengkonfirmasikan  paket n dengan  pengiriman acknowledgment (ACK)  paket,  yang  mengandung  informasi nomor  paket  berikutnya,  dimana  sedang  ditunggu  yang  dikirim  balik  ke  pengirim.  TCP  menggunakan kedatangan  ACK  sebagai  trigger  paket  baru  yang  ditransmisikan,  sebagai  contoh,  setiap  waktu  sebuah  ACK diterima, congestion window dinaikan dengan satu paket. Pengirim menstop kenaikan window size ketika waktu mencapai  batas  kapasitas  jaringan  [5].  Batas  didefinisikan  sebagai  minimum window yang  pengirim  dapat transmisikan dan window yang penerima dan terima.
Pada Gambar 1. ditunjukan bahwa TCP memulai koneksi antara pengirim dan penerima window size di set satu  paket  dan  pengirim  menunggu  ACKnya.  Pada  step  berikutnya,  setelah  penerimaan  ACK, congestion window di set dari satu ke dua, dan dua paket dapat dikirim. Pada saat setiap dua paket diterima dengan baik, congestion window dinaikan menjadi empat. Ini dapat diestimasi sebagai suatu pertumbuhan exponensial.

## Gambar 1. Kenaikan Congestion Window [3]

## Congestion Avoidance
Congestion  Avoidance adalah  algoritma  yang  mencoba  memecahkan  masalah  dengan  membuang paket.  Kemacetan  timbul  dikarenakan  paket  yang  dikirim  ke  router  membanjiri  daya  tampung  buffer  pada router. Indikasi yang umum adanya paket yang hilang adalah timeout dan menerima duplikat ACK. Congestion avoidance dan slow  start merupakan  mekanisme  control  yang  berbeda  yang  bekerja  sama.  Mekanisme kombinasi control didahului dua parameter disesuaikan jumlah data yang diterapkan pada jaringan: congestion window ( cwnd ) dan slow start threshold size (ssthresh). Window size didefinisikan oleh formula sebagai berikut [3].
Window size = min( advertized_window , cwnd)
Dimana cwnd adalah window yang  pengirim  dapat  transmisikan, advertized_window adalah flow  control window , dimana dikirim dari bagian penerima.
Ketika koneksi baru mulai, TCP set cwnd satu paket, ssthresh nilai tinggi (65535 bytes), dan memulai mode slow  start , Pada saat macet (diindikasikan oleh timeout atau penerimaan duplikat ACK), setengah nilai window  size di  set  pada ssthresh ,  dan cwnd di  set  satu  paket.  TCP  mentrigger Slow  Start pada  permulaan pengiriman  dan  kenaikan  eksponensial window :  kirim  satu segment ,  kemudian  dua,  kemudian  empat,  dan seterusnya  setiap  ACK  diterima.  TCP  bekerja  pada mode slow  start sampai  window  size  mencapai sshthres . Setelah TCP menentukan congestion avoidance , maka nilai cwnd akan ditambah menjadi segsize*segsize/cwnd pada setiap ACK diterima, dimana segsize adalah segment size dan cwnd yang diatur dalam byte . Ini merupakan kenaikan yang linier cwnd , dibandingkan slow start yang merupakan kenaikan eksponensial.
Gambar 2. Grafik Slow Start dan Congestion Avoidance

## Fast Retransmit
TCP  versi  lama  mendeteksi  kepadatan  jaringan  dan  paket  yang  hilang  dengan  mekanisme timeout . Ketika  sebuah  paket  dikirim,  TCP  menset  timernya  dengan retransmission  timeout  period (RTO)  [3].  Jika penerima menerima paket dengan baik, TCP segera membuat acknowledgment (ACK) sebagai corresponding sebelum melewati time r. TCP berasumsi bahwa network baik. Setelah TCP secara otomatis menginformasikan timer paket ACK diterima dan menunggu paket ACK lainnya. Pada kasus, bahwa TCP tidak menerima paket ACK  dalam  periode  RTO, pengirim akan mentranmisikan ulang  paket  yang expired .  Selanjutnya, TCP  slow- start dan set cwnd diset ke 1 dan ssthresh di set ke ( old cwnd/2 ) dapat dilihat pada gambar 3. dibawah ini.
Gambar 3. Mekanisme paket lost dengan RTO Fast Recovery
Fast  recovery  berlaku  setelah  adanya congestion (kemacetan).  Beberapa  tahun  yang  lalu  beberapa modifikasi algoritma TCP fast recovery telah diperkenalkan seperti Tahoe, Reno dan Vegas, yang berbeda pada dasar mekanisme congestion control . Algoritma Tahoe beroperasi sebagai berikut [3]:
 Setelah fast retransmit TCP menset window size ke 0 dan sstresh menjadi window size/2 .
 TCP memulai slow start .
 Ketika window size mencapai ssthress, TCP mentrigger congestion avoidance .

## TCP Tahoe
Algoritma Tahoe  adalah suatu protokol TCP  yang telah banyak digunakakan dalam pengaturan windows size untuk  menjamin  kominikasi end-to-end [6].  karakteristiknya  TCP  Tahoe  ditunjukkan  pada  Gambar  4,  yang beroperasi sebagai berikut:
 Setelah fast retransmit TCP menset window size 1 dan sstresh menjadi window size/2 .
 TCP memulai slow start .
 Ketika window size mencapai ssthress , TCP mentrigger congestion avoidance .
Gambar 4. Congestion Window TCP Tahoe

## Simulator Jaringan  dan Konfigurasi
Analisa  kinerja  jaringan  dapat  dilakukan  dengan  simulasi  model. Analytical  modeling dan computer simulation adalah dua bebtuk umum untuk simulasi jaringan. Tools untuk melakukan simulasi topologi jaringan yang  kompleks  dapat  dilakukan  dengan  software  simulasi.  Pada  penelitian  ini  digunakan  software  simulasi OPNET [7], merupakan perangkat lunak yang berdaya-guna pada penelitian industri maupun akademik, yang pada  penelitian  ini  menggunakan  software  ini.  OPNET  ( Optimized  Network  Engineering  Tool )  menawarkan kondisi  penelitian/pengembangan  yang  menyeluruh  untuk  berbagai  sepesifikasi  untuk  simulasi  dan  analisa kinerja jaringan komunikasi, serta mendukung berbagai jangkauan sistem komunikasi dari single LAN sampai jaringan satelit.
Konfigurasi  jaringan  penelitian  dan  model  simulasi  OPNET  ditunjukkan  pada  Gambar  5.  Pada Diagram  tersebut  topologi  jaringan  yang  diimplementasikan  pada  OPNET  merupakan  konfigurasi  jaringan bottleneck yang simpel, yaitu mempunyai dua buah router dan terkoneksi dengan node subnet [8]. Node subnet memiliki  sebuah  router  dan  host  yang  mempunyai  layanan  TCP.  Konfigurasi  koneksi  antara  LAN  ke  WAN dapat merupakan akses dial-up atau line jaringan ISP.

## Tahapan Penelitian
1. Studi literatur.
Pada  fase  awal  penelitian,  melakukan literature  review berdasarkan  konsep  penelitian    terkait  yang didapat  dari artikel jurnal dan seminar, buku,  dan internet. Disamping itu mempersiapkan kebutuhan dalam penelitian.
2. Identifikasi Masalah dan Definisi Skenario
Implementasi  mekanisme  TCP  Tahoe  untuk  mengatasi  masalah  dengan  mempelajari  karakteristik kinerjanya, serta simulasi membandingkan dengan mekanisme standar TCP Congestion Control, dalam penelitian ini akan dilakukan pada skenario Layanan FTP dan Paket Drop. Karakteristik kinerja yang dianalisa  adalah; Buffer  Usage,  Traffic  Droped,  Congestion  Window,  Delay,  Utilization. Skenario- skenario yang telah ditentukan diharapkan dapat kinerja dan karakteristik TCP Tahoe pada penelitian ini.
3. Perancangan dan Implementasi
Pada  tahap  ini  perancangan  topologi  jaringan  bottlenect  (dummbell)  diimplemantasi  modelnya  pada simulator  jaringan  OPNET  dengan  menggunakan  metode Modeling  and  Simulation  cycle [9]. Konfigurasi jaringannya sebagai berikut:
 Topoogi jaringan bottleneck ditunjukkan pada Gambar 5., yaitu dengan adanya cloud jaringan.
 Menggunakan  2  buah network  yang  terhubung  pada  cloud  jaringan  dengan  Link  PPP  DS3, masing network mempunyai router device .
 Satu client dengan layanan FTP clien, link 100MB terhubung ke router east
 Satu Server dengan FTP Application Server , link 100MB terhubung ke router west .
4. Uji Coba Simulasi dan Analisa
Pada tahap akhir ini dijalankan skenario  simulasi  yang sudah dirancang, yaitu tiga buah skenario uji coba  terhadap  mekanisme  TCP  Tahoe,  dan  satu  skenario  uji  coba  yang  membandingkan  dengan standar TCP. Tahapan selanjutnya menganalisa kinerja dan karakteristik skenario-skenario yang telah didefinisikan  pada  tahap  sebelumnya.  Skenario  dan  mekanisme TCP  Control yang  disimulasikan dengan perbandingan kinerja sebagai berikut :
 Trafik data layanan FTP dan karakteristiknya
 Kondisi saat Paket Drop dan RTO.

## III. Hasil dan Pembahasan
OPNET Modeler [10] adalah simulator yang digunakan dalam penelitian ini. Rancangan pada simulator dengan mengimplemetasikan topologi jaringan dengan skenario dapat dilihat pada gambar 5. dibawah ini:
Gambar 5. Rancangan simulasi jaringan dengan OPNET Modeler.
Dari  Gambar  5.  Topologi  jaringan  yang  dibentuk  dengan  cloud  jaringan  IP  yang  terhubung  dengan West Network yang terdiri dari Router dan server FTP yang dapat dilihat pada Gambar 6, dan terhubung juga dengan East  Network yang  terdiri  dari  router  dan  client  FTP  yang  dapat  dilihat  detailnya  pada  Gambar  7.  Uji  coba dilakukan dengan menjalankan layanan FTP pada setiap skenario yaitu mekanisme yaitu Drop paket 0,5% pada Metode Standar dan Tahoe. Layanan trafik FTP dengan 10 MB dijalan pada setiap uji coba.
Gambar 6. Implementasi topologi jaringan West Network .
Gambar 7. Implementasi topologi jaringan East Network .

## Analisa Perbandingan TCP Congestion Control Standar dengan Tahoe
Perbandingan kedua skenario untuk Congestion Window Size dapat dilihat pada Gambar  8. Flutuaksi terjadi pada skenario  Standar dan Tahoe, untuk skenario Standar pengiriman paket data membutuhkan waktu yang sangat lama yaitu 225 detik, sedangkan Tahoe menyelesaikan pengiriman dalam waktu ½ nya sekitar 170 detik. Pada TCP Standar Congestion setiap paket loos data akan dikirimkan kembali setelah timeout, sedangkan pada Tahoe paket loss segera dikirim tanpa menunngu timeout dan mereset congestion windows ke 1 apabila telah menerima ACK sekuranganya 3 paket terlihat ada perbaikan yang baik pada Tahoe yang menerapkan Fast Retransmit .
Gambar 8. Perbandingan Congestion Window.
Sent segment sequence number dapat dilihat pada Gambar 9. menunjukkan bahwa pada skenario Tahoe terjadi peningkatan pengiriman paket yang stabil dan cepat dibandingkan skenario  Standar, dimana terjadinya hanya beberapa kali timeou t saat pengiriman paket. Mekanisme Tahoe mempunyai Sent Segment Number diatas Mekanisme Standar, dengan demikian ia menunjukan perbaikan yang baik dalam implementasinya.
Gambar 9. Perbandingan Sent Segment
Pada kedua skenario yang diperlihatkan pada Gambar 10, merupakan grafik Receive Acknowledgment , dapat  disimpulkan  bahwa  mekanisme  TCP  Standar  mempunyai  ACK  lebih  tinggi  dengan  banyaknya  pekaet yang tidak terkirim ke end host dibandingkan dengan mekanisme TCP Tahoe.
Gambar 10. Perbandingan Received Acknowledgment.
Grafik jumlah paket retransmit terjadi fluktuasi pada kedua sekario ini dapat dilihat pada Gambar 11. skenario Tahoe mempunyai jumlah retransmit yang besar tetapi dengan demikian proses lebih cepat dikirinm, sedangkankan  Mekanisme  Standar  mempunyai  jumlah  paket retransmit di  bawah  sekenario  Tahoe  sepanjang waktu pengriman paket 10 MB FTP, tetapi proses pengirimannya lama.
Gambar 11. Perbandingan Jumlah Retransmit
Terlihat RTT yang dialami Tahoe sangat rendah dibandingkan dengan Conngestion Control Standar dimana sangat tinggi diawal pengiriman ini ditunjukkan pada Gambar 12.
Gambar 12. Perbandingan Round Trip Time (RTT)

## IV. Kesimpulan
Pada  penelitian  ini  telah  berhasil  mensimulasikan  mekanisme TCP  Congestion  Control dengan  metode mekanisme TCP Tahoe pada jaringan bootlenec t dengan paket drop 0.5 persen, dan menganalisa karakteristinya denga  menjalankan  trafik  data  layanan  FTP  10  Mbs.  Protokol  TCP  Tahoe  tersebut  dibandingkan  dengan menggunakan  protocol  TCP  Standar,  kedua  skenario  mempunyai  grafik congestion  windows  size yang berfluktuasi karena kepadatan trafik data, dimana TCP Tahoe memperbaiki congestion window yang lebih baik dengan kecepatan sekitar 2 kali lipat dari TCP standar. Grafik Sequence segment number menunjukan adanya timeout penerimaan acknowledgment  number saat  terjadinya  paket  dibuang,  TCP  Tahoe  mempunyai  hanya beberapa kali timeout , sedangkan mekanisme Standar melakukan pengirman paket loss setelah terjadi timeout sehingga  membutuhkan  waktu  yang  lama.  Jumlah Receive  Acknowledgment pada  mekanisme  Standar mempunyai grafik yang lebih banyak dibandingkan dengan protokol Tahoe. Jumlah Retransmision pada Tahoe lebih  banyak  diawal  pengiriman  dibandingkan  dan  mempunyai  sedikit  waktu  pengiriman. Round  Trip  Time sangat  kecil  dibandingkan  dengan  Standar  yang  dialamai  Tahoe  diawal  pengirman.  Secara  keseluruhan  dari keempat  karakteristik  parameter  yang  diamati  perbaikan  dengan  mekanisme  Tahoe  lebih  baik  dibandingkan Congestion Control Standar.

## Daftar Pustaka
[1] V.  Jacobson,  "Congestion avoidance  and  control,"  in ACM  SIGCOMM  computer communication  review , 1988, pp. 314-329 .
[2] T.  Álvarez,  V.  Álvarez,  and  L.  Nicolás,  "UNDERSTANDING  CONGESTION  CONTROL ALGORITHMS IN TCP USING OPNET," EDULEARN10 Proceedings, pp. 3155-3162, 2010.
[3] Y.  N.  Reddy  and  P.  Srinivas,  "A  Routing  Delay  Predication  Based  on  Packet  Loss  and  Explicit  Delay Acknowledgement for Congestion Control in MANET," International Journal of Communication Networks and Information Security, vol. 10, p. 447, 2018 .
[4] Kirov,  Georgi.  A  Simulation  Analysis  of  the  TCP  Control  Algoritms.  International  Conference  on Computer Systems and Technologies – CompSysTech’2005.
[5] Ryu, Seungwan, et all. Advance in Internet Congestion Control. IEEE Communication, Volume 5, No. 1, Third Quarter 2004.
[6] E. Abolfazli and V. Shah-Mansouri, "Dynamic adjustment of queue levels in TCP Vegas-based networks," Electronics Letters, vol. 52, pp. 361-363, 2016
[7] Opnet Technologies. OPNET Modeler documentation.
[8] Zhu,  Chengyu,  et  all.  A  Comparison  of  Active  Queue  Management  Algorithms  Using  OPNET  Modeler. School of Information Technology and Engineering University of Ottawa, Canada.
[9] Aboelala, Emad,” Network Simulation Experiments Manual”. Morgan Kaufmann Publishers. ISBN: 978-0- 12-373974-2, 2008.
[10] Chang,  Xinjie.  “Network  Simulations  With  Opnet”.  Proceedings  of  the  1999  Winter  Simulation Conference.