[論文レビュー] Congestion Avoidance in Computer Networks with a Connectionless Network Layer

Raj Jain, K. K. Ramakrishnan+1 more|ArXiv.org|Sep 24, 1998

Distributed and Parallel Computing Systems参考文献 12被引用数 163

ひとこと要約

この論文は、接続なしネットワーク向けに二値フィードバックに基づく混雑回避メカニズムを提案している。ネットワークヘッダに1つの混雑ビットを含めることで、送信元がその送信レートを調整するよう通知する。分散的かつ設定依存性のない制御により、グローバルな効率性、公平性、耐障害性を達成し、高スループット環境下でのパケット損失とキューイング遅延を最小限に抑える。

ABSTRACT

Widespread use of computer networks and the use of varied technology for the interconnection of computers has made congestion a significant problem. In this report, we summarize our research on congestion avoidance. We compare the concept of congestion avoidance with that of congestion control. Briefly, congestion control is a recovery mechanism, while congestion avoidance is a prevention mechanism. A congestion control scheme helps the network to recover from the congestion state while a congestion avoidance scheme allows a network to operate in the region of low delay and high throughput with minimal queuing, thereby preventing it from entering the congested state in which packets are lost due to buffer shortage. A number of possible alternatives for congestion avoidance were identified. From these alternatives we selected one called the binary feedback scheme in which the network uses a single bit in the network layer header to feed back the congestion information to its users, which then increase or decrease their load to make optimal use of the resources. The concept of global optimality in a distributed system is defined in terms of efficiency and fairness such that they can be independently quantified and apply to any number of resources and users. The proposed scheme has been simulated and shown to be globally efficient, fair, responsive, convergent, robust, distributed, and configuration-independent.

研究の動機と目的

• トラフィックの増加と異種の相互接続技術の発展に伴い、多様な接続なしコンピュータネットワークにおけるネットワーク混雑の深刻化という問題に対処すること。
• 混雑回避（予防）と混雑制御（回復）を区別し、予防的メカニズムの必要性を強調すること。
• 接続設定を明示的に行わず、接続なしネットワーク層に適したスケーラブルで分散型の混雑制御メカニズムを設計すること。
• 効率性（スループット）と公平性（レート配分）の観点から、グローバルに最適なメカニズムを確保すること。これは、ユーザー数やリソース数に関係なく独立して測定可能であること。
• 応答性があり、収束性があり、耐障害性があり、ネットワーク設定や初期条件に依存しないメカニズムを開発すること。

提案手法

• ネットワーク層ヘッダに1つのビットを含め、エンドホストに混雑状態を通知する二値フィードバックメカニズムを実装すること。
• フィードバックビットを用いて、現在のネットワーク状態に応じて送信元が送信レートを増加または減少させるように信号を送ること。
• フィードバックに応じて送信元レートを調整する分散制御アルゴリズムを適用し、安定性と収束性を確保すること。
• 効率性（スループット）と公平性（レート配分）をユーザー間で独立して測定することで、グローバル最適性を定義すること。
• ネットワークパラメータやトポロジーの事前知識が不要な設定依存性のない仕組みを設計すること。
• 遅延、スループット、公平性といった主要指標をカバーする、さまざまなトラフィック条件下でのシミュレーションを通じて性能を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 接続設定や複雑なシグナル伝送に依存せずに、接続なしネットワークで混雑を前もって回避する方法は何か？
• RQ2 分散的かつスケーラブルな混雑制御メカニズムにおいて、効率性（スループット）と公平性（レート配分）の最適なバランスは何か？
• RQ3 1ビットのフィードバックメカニズムが、収束性と耐障害性を確保しながら、レート適応を効果的に導くことができるか？
• RQ4 従来の混雑制御手法と比較して、変動するネットワーク負荷やトポロジー下での本手法の性能はいかがなものか？
• RQ5 安定性と公平性を維持しつつ、ネットワーク設定に依存しない程度はどの程度まで達成できるか？

主な発見

• 二値フィードバック方式は、分散ネットワーク環境下で、効率性と公平性を独立して測定・バランスさせることで、グローバル最適性を達成する。
• シミュレーション結果から、多様なトラフィック負荷下でも、高いスループットと低キューイング遅延を実現し、グローバルに効率的であることが確認された。
• このメカニズムは公平性を確保しており、中央集権的制御なしに競合するフロー間で均等なレート割り当てが可能である。
• この方式は応答性があり収束性があり、変化するネットワーク状態に素早く適応し、最適動作点に安定する。
• ネットワークパラメータの変動に対しても耐障害性があり、異なる展開環境に対して設定やチューニングを必要としない。
• このアプローチは分散的かつ設定依存性がなく、インターネットのような大規模で異種の接続なしネットワークに適している。