[論文レビュー] TCP D*: A Low Latency First Congestion Control Algorithm

Taran Lynn, Dipak Ghosal|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2020

Network Traffic and Congestion Control参考文献 24被引用数 4

ひとこと要約

TCP D* は、高競合ネットワークにおける遅延を最小限に抑えるために、パーセスレートよりも擁塞ウィンドウを優先する新しい遅延ベースの擁塞制御アルゴリズムである。128フローのシナリオにおいて、BBR よりも最大40 ms 低い RTT を達成しながら、完全な帯域幅利用を維持しており、緩衝領域が不十分な混雑した環境でも優れた低遅延性能を示している。

ABSTRACT

The choice of feedback mechanism between delay and packet loss has long been a point of contention in TCP congestion control. This has partly been resolved, as it has become increasingly evident that delay based methods are needed to facilitate modern interactive web applications. However, what has not been resolved is what control should be used, with the two candidates being the congestion window and the pacing rate. BBR is a new delay based congestion control algorithm that uses a pacing rate as its primary control and the congestion window as a secondary control. We propose that a congestion window first algorithm might give more desirable performance characteristics in situations where latency must be minimized even at the expense of some loss in throughput. To evaluate this hypothesis we introduce a new congestion control algorithm called TCP D*, which is a congestion window first algorithm that adopts BBR's approach of maximizing delivery rate while minimizing latency. In this paper, we discuss the key features of this algorithm, discuss the differences and similarity to BBR, and present some preliminary results based on a real implementation.

研究の動機と目的

• 擁塞ウィンドウ優先設計が、BBR のようなパーセスレート優先アプローチと比較して遅延性能が向上するかどうかを調査すること。
• 多数の競合フローと緩衝領域が不十分なネットワークにおける遅延の最小化という課題に取り組むこと。
• さまざまな RTT とフロー条件下での実世界およびシミュレーション環境において、TCP D* の性能を評価すること。
• 遅延ベースの擁塞制御における擁塞ウィンドウとパーセスレートの制御のトレードオフを調査すること。
• ウィンドウベース制御が公平性と応答性において利点を発揮する状況を特定すること。

提案手法

• TCP D* は擁塞ウィンドウを主な制御メカニズムとして用い、キュー長をバンドウェイドゥーリングプロダクト（BDP）と擁塞ウィンドウの差分としてモデル化する。
• RTT 測定に基づいて配信レートと BDP を推定するが、BBR と同様の方法を採用するが、擁塞ウィンドウを直接キュー占有量を制御するために使用する。
• 擁塞に対するわずかな余裕を確保するため、明示的に擁塞ウィンドウを追跡・調整し、キューを最小限に保つ。
• RTT の傾向に基づいて BDP を推定し、ウィンドウサイズを動的に調整するためのプローブメカニズムを採用する。
• レート制御を実装するため FQ/pacing と HTB qDisc を使用するが、擁塞ウィンドウは未確認受信パケットの最大値を制御する。
• 性能評価は、500 Mbps、30 ms の遅延を持つ実ネットワーク環境（1 および 128 本の同時フロー）と、非対称な RTT を持つイベントベースのシミュレーションで実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 擁塞ウィンドウ優先設計は、BBR のようなパーセスレート優先設計と比較して、遅延とスループットの面でどのように異なるか？
• RQ2 TCP D* は、高競合で緩衝領域が浅いか深いネットワークで、どのように性能を発揮するか？
• RQ3 共有のボトルネック環境において、異なるベース RTT（30 ms と 60 ms）を持つフローに対して TCP D* はどのように対処するか？
• RQ4 TCP D* は、極めて混雑した環境でも低遅延を維持しながら、完全な帯域幅利用を達成できるか？
• RQ5 TCP D* が低分散性で専用の WAN で良好に動作するようにするために、どのような改善が必要か？

主な発見

• NetEm でエミュレートされたネットワークにおける 128 フローのシナリオでは、TCP D* は最も低い RTT を達成した。これは 500 Mbps のリンクを完全に利用しながら、BBR よりも約 40 ms 低い RTT を実現した。
• 1 フローの場合、TCP D* は他のアルゴリズムよりもわずかに低い RTT を示し、RTT 時系列に顕著なプローブの尾部が観察された。
• 2 フロー（30 ms および 60 ms のベース RTT）を含むシミュレーションでは、TCP D* は両方のフローが RTT を最小化することを保証し、スループットの分配はそれぞれの RTT 比例に従った。
• このアルゴリズムは非常に小さな擁塞マージンを維持しており、これは高競合環境下での低遅延性能に寄与した。
• TCP D* は擁塞ウィンドウによる明示的な擁塞モデル化を実装しており、パーセスレートのみに依存するアプローチと比較して、より予測可能で安定したキュー動作を実現した。
• 結果から、TCP D* は緩衝領域が不十分で多数の競合フローが存在するネットワークにおいて、特に遅延最小化が重要な状況で顕著な効果を発揮することが示唆された。