[論文レビュー] Pied Piper: Rethinking Internet Data Delivery

Aran Bergman, Israel Cidon+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2018

Network Traffic and Congestion Control参考文献 31被引用数 4

ひとこと要約

Pied Piperは、ルーティングと混雑制御をクラウドベースのリレーサービスにオフロードすることで、インターネット伝送を再考するクラウド化されたデータ配信アーキテクチャを提唱する。TCPスプリッティングとカーネルレベルの最適化を用いて、従来のインターネット配信に比べ最大30倍の高速なファイルダウンロードを実現し、BBR や PCC といった高度なエンドツーエンドプロトコルを1桁以上上回る性能を発揮する。

ABSTRACT

We contend that, analogously to the transition from resource-limited on-prem computing to resource-abundant cloud computing, Internet data delivery should also be adapted to a reality in which the cloud offers a virtually unlimited resource, i.e., network capacity, and virtualization enables delegating local tasks, such as routing and congestion control, to the cloud. This necessitates rethinking the traditional roles of inter- and intra-domain routing and conventional end-to-end congestion control. We introduce Optimized Cloudified Delivery (OCD), a holistic approach for optimizing joint Internet/cloud data delivery, and evaluate OCD through hundreds of thousands of file downloads from multiple locations. We start by examining an OCD baseline approach: traffic from a source A to a destination B successively passes through two cloud virtual machines operating as relays - nearest to A and B; and the two cloud relays employ TCP split. We show that even this naive strategy can outperform recently proposed improved end-to-end congestion control paradigms (BBR and PCC) by an order of magnitude. Next, we present a protocol-free, ideal pipe model of data transmission, and identify where today's Internet data delivery mechanisms diverge from this model. We then design and implement OCD Pied Piper. Pied Piper leverages various techniques, including novel kernel-based transport-layer accelerations, to improve the Internet-Cloud interface so as to approximately match the ideal network pipe model.

研究の動機と目的

• 何十年もの研究が重ねられても依然として最適でない、従来のインターネットルーティング（BGP）および混雑制御（TCP）の持続的で非効率な点を是正すること。
• クラウドネットワークをリソース豊富なインfraとして活用することで、データ配信の性能ポentialを調査すること。これは、オンプレミスからクラウド計算への移行に類似した変化である。
• 仮想化されたクラウドリレーサービスにトランスポート層の機能（ルーティングや混雑制御）を委ねることで、エンドツーエンドのパフォーマンスが著しく向上するかを調査すること。
• 理想のネットワークパイプモデルに近づくように、インターネットとクラウドの両方のデータ配信を統合的に最適化するシステムOCD Pied Piperを設計・評価すること。

提案手法

• エンドツーエンド接続を3セグメントに分割するTCPスプリッティングを用い、ソースおよび宛先に近い2つのクラウドリレーサービスを導入することで、OCDベースラインを実装。これにより、従来のインターネットに費やす時間が最小限に抑えられる。
• 現在のインターネットメカニズム、特にBGPとエンドツーエンド混雑制御によるシリアル性に起因する偏差を特定するため、プロトコルフリーな理想のパイプモデルを定義する。
• カーネルベースのトランスポート層アクセラレーションを活用して、遅延を低減し、特に競合するフローが存在する状況での公平性を向上させるOCD Pied Piperを設計・実装する。
• トラフィックをトランスポート層の機能を処理するクラウドリレーサービスを経由するハイブリッドアーキテクチャを採用。これにより、混雑制御やパス選択に対する制御性が向上する。
• 仮想化技術を活用して、1VMあたり最大2Gbpsの帯域幅と低遅延接続を備えたリレーサービスを展開。これにより、従来のインターネットのボトルネックを効果的に回避できる。
• 標準のBerkeleyソケットを用いたTCPスプリッティングやパケットレベルの最適化といった新規技術を適用。これにより、プロトコルの変更なしにパフォーマンスを向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クラウドベースのリレーサービスにルーティングと混雑制御をオフロードすることで、従来のエンドツーエンドTCPに比べ、エンドツーエンドのデータ配信パフォーマンスが著しく向上するか？
• RQ2 2つのクラウドリレーサービスとTCPスプリッティングを用いたシンプルなOCDベースラインは、実世界の環境下でBBR や PCC といった高度なエンドツーエンド混雑制御プロトコルと比較して、どのように性能を発揮するか？
• RQ3 現在のインターネットメカニズムは、理想化された固定帯域幅のネットワークパイプモデルからどの程度逸脱しているのか。また、その偏差はどのように是正できるか？
• RQ4 クラウド上で実行されるカーネルレベルのトランスポート最適化は、理想のネットワークパイプの挙動をどれほど再現できるか。また、異なるRTTを持つ複数のフロー間の公平性は向上するか？
• RQ5 異なるトポロジー、特に国際間および国内間のパスにおいて、クラウドリレーサービスを用いたデータ配信のパフォーマンスにどのような影響が生じるか？

主な発見

• 2つのクラウドリレーサービスとTCPスプリッティングを用いたOCDベースラインは、野生のインターネットに比べ、大容量ファイルのダウンロードを最大30倍高速化した。これは、BBR や PCC がもたらす改善（30％未満）を著しく上回る。
• 4MBのファイルに対しては、OCDベースラインがダウンロード時間を5倍に短縮した。これは、最小限のアーキテクチャ的変更でも顕著な性能向上が得られることを示している。
• 競合するフローの状況では、従来は長距離RTTのフローが不公平に資源を食い潰されていたが、Pied Piperを有効化することで、短距離RTTと長距離RTTの両方のフローがほぼ同等のスループットを達成した。これは、公平性の向上を示している。
• 理想のパイプモデルの分析から、現在のインターネットではトランスポート層に不要なシリアル性が生じており、クラウド化によって、パス選択と混雑制御をエンドホストから分離することでこれを解消できることが明らかになった。
• OCD Pied Piperにおけるカーネルベースのトランスポート最適化は、遅延を低減し、特に高RTT・マルチホップ環境においてパフォーマンスを向上させた。これは、クラウドベースのトランスポート制御の利点を裏付けている。
• 3つの主要クラウドと複数の地理的場所で実施した実証評価から、大容量ファイルや長距離パスにおいて一貫したパフォーマンス向上が確認された。