[論文レビュー] Programming Flows in Dense Mobile Environments: A Multi-user Diversity Perspective

Ioannis Gasparis, Ulaş C. Kozat+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2015

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 12被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、共有バックホールリンクを有する高密度無線ネットワークにおけるマルチパス分散を活用するため、スケジューリングおよびフロー管理におけるネットワークプログラマビリティを提案する。フローのクラスタリングとプログラマブルなデマルチプレクシングおよびMax C/Iスケジューリングを可能にすることで、レガシTCPアプリケーションのスルーレットが最大3.5倍向上し、MP-TCPに比べて中央値性能で34%の向上を達成する。

ABSTRACT

The emergence of OpenFlow and Software Defined Networks brings new perspectives into how we design the next generation networks, where the number of base stations/access points as well as the devices per subscriber will be dramatically higher. In such dense environments, devices can communicate with each other directly and can attach to multiple base stations (or access points) for simultaneous data communication over multiple paths. This paper explores how networks can maximally enable this multi-path diversity through network programmability. In particular, we propose programmable flow clustering and set policies for inter-group as well as intra-group wireless scheduling. Further, we propose programmable demultiplexing of a single network flow onto multiple paths before the congestion areas and multiplexing them together post congestion areas. We show the benefits of such programmability first for legacy applications that cannot take advantage of multi-homing without such programmability. We then evaluate the benefits for smart applications that take advantage of multi-homing by either opening multiple TCP connections over multiple paths or utilizing a transport protocol such as MP-TCP designed for supporting such environments. More specifically, we built an emulation environment over Mininet for our experiments. Our evaluations using synthetic and trace driven channel models indicate that the proposed programmability in wireless scheduling and flow splitting can increase the throughput substantially for both the legacy applications and the current state of the art.

研究の動機と目的

• 高密度ネットワークにおける共有無線バックホールを介したマルチパス分散を効率的に活用できない既存のトランスポートプロトコル（例：TCP、MP-TCP）の非効率性に対処する。
• マルチユーザー・マルチパス無線環境におけるデフォルトスケジューリング（例：Proportional Fair）の制限を、ネットワークプログラマビリティが克服できるかどうかを調査する。
• 知的なフローグルーピングおよびスケジューリングポリシーが、個々のユーザーおよびシステム全体のスルーレットを顕著に向上させられることを実証する。
• ネイティブにマルチパスをサポートしないレガシアプリケーションと、MP-TCPのような現代的なマルチパス対応プロトコルにおけるプログラマビリティの影響を評価する。

提案手法

• 同じエンドホストおよびボトルネックリンクを共有するフローをクラスタリングするプログラマブルなフロークラスタリングを提案し、ポリシーに配慮したスケジューリングを可能にする。
• 集中型ネットワークコントローラーを用いて、混雑の前後に1つのフローを複数のパスにデマルチプレクシングし、その後にマルチプレクシングする、プログラマブルなデマルチプレクシングを導入する。
• 共有ボトルネックが存在する場合のグループ内フローに対して、デフォルトのProportional Fair Schedulingに代えて、Max C/I（最大キャリア対インターフェアレンス比）スケジューリングを採用する。
• Mininetを用いたエミュレーションにおいて、合成マルコフ過程および実際のLTEチャネルトレースを用い、現実的な無線環境下での性能を評価する。
• PFSおよびMax C/Iスケジューリングポリシーの下で、ベースラインの単一パスTCP、MP-TCP、およびカスタムデマルチプレクスドTCP（フローカット付き）を比較する。
• D2Dリレーシングやスモールセルバックホール共有を含むさまざまなシナリオにおいて、ネットワークインテリジェンスの有無を比較し、スルーレットの向上を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ネイティブに複数パスを利用できないレガシTCPアプリケーションに対して、スケジューリングおよびルーティングにおけるネットワークプログラマビリティがスルーレット向上に寄与できるか？
• RQ2 マルチパスで共有無線バックホールを有する環境において、プログラマブルスケジューリング（例：Max C/I）がデフォルトのProportional Fair Schedulingを上回るか？
• RQ3 D2Dリレーシングやスモールセル環境のような高密度モバイル環境において、MP-TCPやデマルチプレクスドTCPのようなマルチパストランスポートプロトコルが、プログラマブルスケジューリングと組み合わせてどのように性能を発揮するか？
• RQ4 複数ユーザーが同じ無線ボトルネック（例：マクロセルベースステーション）を共有する状況において、ネットワークインテリジェンスの影響はシステム全体のスルーレットにどのような影響を与えるか？
• RQ5 実際のチャネルトレースは、合成マルコフモデルで観察された性能向上を裏付けることができるか？

主な発見

• レガシTCPアプリケーションでは、デマルチプレクスドTCPが、単一パスTCPに比べて最悪の10%のシナリオで最大3.5倍のスルーレット向上を達成する。
• デマルチプレクスドTCPは、中央値スルーレットを単一パスTCPに比べて34%向上させ、最新のMP-TCPに比べて23%の向上を達成する（Proportional Fair Scheduling下）。
• プログラマブルスケジューリングがなければ、マルチパスオプション（MP-TCPを含む）は、高品質なチャネル状態下で単一パスTCPに比べて最大8%の性能低下を示すことがある。
• Max C/Iスケジューリングを採用した場合、D2Dおよびスモールセルシナリオのターゲットユーザーは、実際のトレースを用いて単一パスベースラインに比べて最大24%のスルーレット向上を達成する。
• プログラマブルスケジューリングは、ターゲットユーザーのスルーレットと全体のシステム合計スルーレットの両方を向上させるが、非プログラマブルなマルチパス方式は不平等性のためシステムスルーレットを低下させる。
• Max C/Iスケジューリングを用いた2フローTCPケースは、効率性の観点からデマルチプレクスドTCPを上回るが、フローカットのオーバーヘッドが低いため、デマルチプレクスドTCPは依然として同等の性能を達成する。