[論文レビュー] Leveraging Coupled BBR and Adaptive Packet Scheduling to Boost MPTCP

Jiangping Han, Yitao Xing+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2020

Network Traffic and Congestion Control参考文献 49被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、損失が多く、変動が激しい無線ネットワークにおけるMPTCPの性能向上を目的として、Coupled BBRとAR&Pスケジューラを提案する。帯域幅ベースの混雑制御と、適応的で予測可能なパケットスケジューリングを組み合わせることで、高いスループット、TCP BBRとの公平性の向上、および困難なネットワーク環境下での順序外れパケットの低減を実現した。

ABSTRACT

Quite a few algorithms have been proposed to optimize the transmission performance of Multipath TCP (MPTCP). However, existing MPTCP protocols are still far from satisfactory in lossy and ever-changing networks because of their loss-based congestion control and the difficulty of managing multiple subflows. Recently, a congestion-based congestion control, BBR, is proposed to promote TCP transmission performance through better use of bandwidth. Due to the superior performance of BBR, we try to boost MPTCP with it. For this propose, coupled congestion control should be redesigned for MPTCP, and a functional scheduler able to effectively make use of the characteristics of BBR must also be developed for better performance. In this paper, we first propose Coupled BBR as a coupled congestion control algorithm for MPTCP to achieve high throughput and stable sending rate in lossy network scenarios with guaranteed fairness with TCP BBR flows and balanced congestion. Then, to further improve the performance, we propose an Adaptively Redundant and Packet-by-Packet (AR\&P) scheduler, which includes two scheduling methods to improve adaptability in highly dynamic network scenarios and keep in-order packet delivery in asymmetric networks. Based on Linux kernel implementation and experiments in both testbed and real network scenarios, we show that the proposed scheme not only provides higher throughput, but also improves robustness and reduces out-of-order packets in some harsh circumstances.

研究の動機と目的

• 損失に基づく混雑制御と柔軟性に欠けるスケジューラによる、損失が多く、急激に変化する無線ネットワークにおけるMPTCPの性能の悪さを是正する。
• 最高のパスに接続された単一路TCP BBRフローのスループットを超えないように、MPTCPの集約スループットを制限することで、MPTCPと単一路TCP BBRフロー間の公平性を向上させる。
• 新しい適応的で予測可能なパケットスケジューリングメカニズムにより、非対称的かつ急激に変化するネットワーク環境における耐障害性と適応性を向上させる。
• 高帯域幅利用率と低遅延を維持しながら、MPTCPサブフロー間での混雑のバランスを図る。

提案手法

• すべてのサブフローを横断した集約帯域幅測定値を用いて個々のサブフロー送信レートを設定する、MPTCPの公平性を保証する修正版BBRに基づく混雑制御アルゴリズム「Coupled BBR」を提案する。
• リアルタイムの帯域幅測定に基づくデータ割り当てレートを導入し、サブフロー間での混雑のバランスを図り、不平等な利用を防ぐ。
• 2つのコンponentから成るAR&Pスケジューラを設計：適応的レッドンダンシーング（AR-Scheduling）は、低帯域幅サブフローに動的に冗長パケットを送信することで、グッドプットの向上と遅延の低減を図る。
• 予測パケットスケジューリング（P-Scheduling）は、予想される配信順序とRTTに基づいてパケットの優先順位を決定し、非対称ネットワークにおける順序外れ配信を最小限に抑える。
• 冗長性の意思決定を支援するリアルタイムの経路状態モニタリングを実装し、動的環境における適応性を確保する。
• Linuxカーネルに実装し、テストベッドおよび実世界の無線環境での評価を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 損失が多く、変動が激しい無線ネットワークにおいて、従来の損失に基づくアルゴリズムと比較して、BBRベースの混雑制御メカニズムはMPTCPの性能を向上させることができるか？
• RQ2 MPTCPがサブフロー間で混雑をバランスさせつつ、高いスループットと高い帯域幅利用率を維持するには、単一路TCP BBRフローと公平性をどのように確保できるか？
• RQ3 適応的で予測可能なパケットスケジューラは、非対称的かつ急激に変化するネットワーク環境下で、順序外れパケットの配信を低減し、遅延を改善できるか？
• RQ4 Coupled BBRとAR&Pスケジューラの組み合わせは、実世界の無線環境におけるMPTCPの耐障害性とグッドプットをどの程度向上させられるか？

主な発見

• 提案されたCoupled BBRは、最高のパスに接続された単一路TCPフローのスループットに相当するレベルまで集約MPTCPスループットを制限することで、高い帯域幅利用率を実現するとともに、単一路TCP BBRフローと公平性を維持する。
• Coupled BBRは、リアルタイムの帯域幅測定に基づいて送信レートを動的に調整することで、サブフロー間での混雑のバランスを保ち、不平等なサブフロー利用を回避する。
• AR&Pスケジューラは、経路状態に基づいて知的に冗長パケットと予測パケットをスケジューリングすることで、非対称的かつ急激に変化するネットワーク環境下で、順序外れパケットの配信を顕著に低減する。
• 実世界およびテストベッドでの実験において、本手法は、特に高いパケット損失率と急速なリンク変化が生じる状況下で、既存のMPTCPバージョンと比較して高いグッドプットと低い遅延を達成した。
• 本手法は、個々のサブフローに深刻な劣化が生じても、依然として安定した性能を維持する強力な耐障害性を示した。
• Linuxカーネルへの実装により、本手法の実世界システムへの導入可能性と実用性が確認された。