[論文レビュー] Adding Forward Erasure Correction to QUIC

Michel François, Quentin De Coninck+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2018

Wireless Networks and Protocols参考文献 36被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、動画ストリーミングなどのリアルタイムアプリケーション向けに信頼性を向上させるために、フォワードエラーチェック（FEC）を統合したQUICトランスポートプロトコルの拡張であるQUIC-FECを提案する。XOR、リード・ソロモン、および畳み込み型RLC FEC方式を実装し、動的パススケジューラ（HighRB）を導入することで、パケット損失下でもFECがデータ配信を顕著に向上させることを実証した。短いバースト損失ではRLC方式が他を上回り、長時間のバースト損失、特にマルチパス環境下ではリード・ソロモン方式が優れた性能を示した。

ABSTRACT

Initially implemented by Google in the Chrome browser, QUIC gathers a growing interest. The first stable specification for QUIC v1 is expected by the end of 2018. It will deliver the same features as TCP+TLS+HTTP/2. The flexible design adopted by the IETF for QUIC enables this new protocol to support a variety of different use cases. In this paper, we revisit the reliable transmission mechanisms that are included in QUIC. More specifically, we design, implement and evaluate Forward Erasure Correction extensions to QUIC. Our design supports a generic FEC frame and our implementation includes the XOR, Reed-Solomon and Convolutional RLC schemes. We evaluate its performance by applying an experimental design with a wide range of packet loss conditions. In single-path scenarios, RLC delivers more data than the two other schemes with short loss bursts. Reed-Solomon outperforms RLC when the bursts are longer. We also apply FEC to Multipath QUIC with a new packet scheduler that helps to recover more lost packets.

研究の動機と目的

• 動画ストリーミングのようなリアルタイムアプリケーションにおけるTCPおよび従来の再送基盤の信頼性の限界を解消すること。
• QUICにフォワードエラーチェック（FEC）メカニズムを拡張することで、損失の多いネットワーク上でも信頼性が高く低レイテンシーなデータ配信を実現すること。
• 複数のネットワークパスを意識したパケットスケジューラ（HighRB）を設計・実装し、FECシンボルを複数のネットワークパスに最適に分散すること。
• さまざまな損失状況下での異なるFEC方式（XOR、リード・ソロモン、畳み込み型RLC）の性能を評価すること。
• FECとマルチパスQUICを組み合わせることで、帯域幅を増加させずに配信レートを向上させることの利点を検討すること。

提案手法

• XOR、リード・ソロモン、畳み込み型RLCを含む複数のFEC方式をサポートする汎用的なFECフレームをQUICに拡張する。
• 実世界の評価を可能にするために、quic-goオープンソースQUICスタック上にQUIC-FECを実装する。
• コントロールウィンドウ内の残りバイト数に基づいてパスを選択するパススケジューラ「HighRB」を設計し、負荷分散とパスのプローブを実現する重み付きランダム選択を用いる。
• 各パスごとの利用可能帯域幅を推定する損失ベースのコントロールモデル（OLIA）を用い、パス選択の意思決定を支援する。
• 単一パスおよびマルチパスの両状況でスケジューラを適用し、さまざまな損失パターンとバースト継続時間での性能を比較する。
• 均一損失およびバースト損失モデルを含む、制御された損失パrameterを用いたネットワークエミュレーションを用いた広範な実験を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QUICにフォワードエラーチェックを統合することで、パケット損失下でのデータ配信信頼性はどの程度向上するか？
• RQ2 XOR、リード・ソロモン、畳み込み型RLC FEC方式は、異なる損失状況下でQUIC上でどのように性能を発揮するか？
• RQ3 動的パススケジューラ（HighRB）は、ラウンドロビンや単一パス戦略と比較して、マルチパスQUICにおけるFEC性能をどのように向上させるか？
• RQ4 複数のパスにFECシンボルを分散させることで、帯域幅を増加させずに有効なデータ配信レートを向上させることができるか？
• RQ5 リアルタイムアプリケーションにおける厳密なデッドライン制約下で、FECは再送遅延をどの程度低減できるか？

主な発見

• 単一パス環境下では、短い損失バーストにおいて畳み込み型RLC FEC方式がXORおよびリード・ソロモン方式を上回り、連続符号化の性質のおかげでより多くのデータを配信した。
• 長時間の損失バーストでは、リード・ソロモン方式がRLCおよびXORを上回り、長期的なエラー回復能力に優れていることが示された。
• マルチパス環境下では、HighRBスケジューラがラウンドロビンおよび単一パス戦略を上回り、特に非均一な損失条件下でもアプリケーションデータの配信性能が優れていた。
• HighRBは、残りのコントロールウィンドウ容量が大きいパスを動的に選択することで、ラウンドロビンよりも優れた性能を発揮し、損失の多いパスへの過負荷リスクを低減した。
• FECにより配信遅延がわずかに増加するものの、FECシンボルを複数のパスに分散させることで、合計トラフィックを増加させずにデータ配信レートが顕著に向上した。
• HighRBの重み付きランダム選択戦略により、パスのスターヴェーションを防ぎ、劣るパスのプローブを維持でき、リアルタイム環境における適応的負荷分散を実現した。