[論文レビュー] TCP SIAD: Congestion Control supporting High Speed and Low Latency

Mirja Kuehlewind|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2016

Network Traffic and Congestion Control参考文献 20被引用数 5

ひとこと要約

TCP SIAD は、利用可能帯域幅とは独立して固定で設定可能なフィードバックレートを用いることで、フィードバックレートと利用可能帯域幅を分離することにより、高速かつ低遅延なネットワーキングを実現する新しいコグネッション制御アルゴリズムである。このアルゴリズムは、さまざまなバッファサイズにおいて完全なリンク利用率を達成し、スターリングキューを回避する。TCP Cubic や H-TCP、Scalable TCP といった既存の手法よりも、スケーラビリティ、遅延、非コグネッション要因によるパケット損失に対するロバストネスにおいて優れた性能を発揮する。

ABSTRACT

Congestion control has been an open research issue for more than two decades. More and more applications with narrow latency requirements are emerging which are not well addressed by existing proposals. In this paper we present TCP Scalable Increase Adaptive Decrease (SIAD), a new congestion control scheme supporting both high speed and low latency. More precisely, our algorithm aims to provide high utilization under various networking conditions, and therefore would allow operators to configure small buffers for low latency support. To provide full scalability with high speed networks, we designed TCP SIAD based on a new approach that aims for a fixed feedback rate independent of the available bandwidth. Further, our approach provides a configuration knob for the feedback rate. This can be used by a higher layer control loop to impact the capacity share, potentially at the cost of higher congestion, e.g. for applications that need a minimum rate. We evaluated TCP SIAD against well-known high-speed congestion control schemes, such as Scalable TCP and High Speed TCP, as well as H-TCP that among other goals targets small buffers. We show that only SIAD is able to utilize the bottleneck with arbitrary buffer sizes while avoiding a standing queue. Moreover, we demonstrate the capacity sharing of SIAD depending on the configured feedback rate and a high robustness of TCP SIAD to non-congestion related loss.

研究の動機と目的

• 高速ネットワークと低遅延アプリケーションを両立するコグネッション制御の需要の増大に対応する。
• ネットワークオペレータが低遅延を実現するために小さなバッファを使用しても、リンク利用率を損なわないようにする。
• 上位レイヤーによる容量共有の制御を可能にする、設定可能なフィードバックレートメカニズムを提供する。
• 帯域幅・遅延製品（BDP）の変動に応じたスケーラビリティと、非コグネッション要因によるパケット損失に対するロバストネスを確保する。
• スターリングキューを回避しつつ、高いスループットを維持するコグネッション制御スキームを設計する。

提案手法

• スケーラブルインクリメントを導入：帯域幅に依存せずに固定されたフィードバックレートを維持する動的増加レートメカニズムを採用。増加の攻撃性を制御するための設定可能なパrameter $Num_{RTT}$ を使用する。
• アダプティブデクリメントを実装：バッファサイズに応じて減少要因 $\beta$ を動的に調整することで、バッファ構成に関係なく完全なリンク利用率を確保する戦略。
• 高速増加フェーズを統合：コグネッションウィンドウがしきい値を超えた際に、容量変化時にスロースタートの挙動を模倣してレート上昇を加速する。
• 損失ベースのスキームとして設計することで、既存のTCP実装との後方互換性および相互運用性を保証する。
• 極端な条件下での微視的挙動を評価するため、Linuxベースの実装と仮想化ネットワーク環境を用いたシミュレーションフレームワークを活用する。
• 上位レイヤー制御ループがフローの攻撃性と容量共有を管理できるように、$Num_{RTT}$ パrameter を設定用ノブとして活用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コグネッション制御アルゴリズムは、利用可能帯域幅とは独立して固定されたフィードバックレートを維持しつつ、高速ネットワークにスケーリング可能か？
• RQ2 TCP SIAD は、任意のバッファサイズにおいてスターリングキューを形成せずに完全なリンク利用率を達成できるか？
• RQ3 設定可能な $Num_{RTT}$ パrameter は、競合するフロー間の容量共有にどのように影響するか？
• RQ4 短時間のフローのバーストなど、非コグネッション要因によるパケット損失に対して、TCP SIAD はどれほどロバストか？
• RQ5 動的かつ極端なネットワーク条件下でも、H-TCP や TCP Cubic などの既存の高速・低遅延指向コグネッション制御よりも優れた性能を発揮できるか？

主な発見

• 唯一、TCP SIAD のみが、非常に小さなバッファでさえも含め、すべてのテストされたバッファサイズにおいて完全なリンク利用率を達成し、スターリングキューを回避する。
• TCP SIAD は、帯域幅にかかわらず固定で設定可能なフィードバックレートを維持するため、予測可能でスケーラブルな挙動を実現する。
• 競合するトラフィック条件下でも、TCP Cubic よりも迅速な収束と優れた性能を示す。
• $Num_{RTT}$ パrameter は、競合するフロー間の容量共有を効果的に制御でき、アプリケーションレベルでのレート保証を可能にする。
• 短い寿命のフローやバーストトラフィックに起因する非コグネッション要因による損失に対しても、TCP SIAD は高いロバストネスを示す。
• 高速増加フェーズにより、新しい帯域幅が利用可能になると迅速に帯域幅を確保でき、動的ネットワークにおける応答性が向上する。