[論文レビュー] Using UDP for Internet Transport Evolution

Korian Edeline, Mirja Kühlewind+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2016

Network Traffic and Congestion Control参考文献 13被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、RIPE Atlasを用いた大規模な測定と、UDPとTCPの性能を比較するための新規ツール「copycat」を用いて、現代のインターネットにおいてUDPを新たなトランスポートプロトコルの基盤として利用可能かどうかを評価している。UDPは大多数のネットワークで信頼性を示しており、障害要因は主にアクセスネットワークに限定されている。これは、トランスポート革新のためのUDPカプセル化戦略が妥当であることを支持する。

ABSTRACT

The increasing use of middleboxes (e.g., NATs, firewalls) in the Internet has made it harder and harder to deploy new transport or higher layer protocols, or even extensions to existing ones. Current work to address this Internet transport ossification has led to renewed interest in UDP as an encapsulation for making novel transport protocols deployable in the Internet. Examples include Google's QUIC and the WebRTC data channel. The common assumption made by these approaches is that encapsulation over UDP works in the present Internet. This paper presents a measurement study to examine this assumption, and provides guidance for protocol design based on our measurements. The key question is "can we run new transport protocols for the Internet over UDP?" We find that the answer is largely "yes": UDP works on most networks, and impairments are generally confined to access networks. This allows relatively simple fallback strategies to work around it. Our answer is based on a twofold methodology. First, we use the RIPE Atlas platform to basically check UDP connectivity and first-packet latency. Second, we deploy copycat, a new tool for comparing TCP loss, latency, and throughput with UDP by generating TCP-shaped traffic with UDP headers.

研究の動機と目的

• 本稿は、現代のインターネットにおいてUDPが新たなトランスポートプロトコルの信頼性と性能の基盤として機能できるかどうかを調査する。
• NAT やファイアウォールなどのミドルボックスが原因で生じるトランスポートの固定化（ossification）の問題に対処する。
• UDPカプセル化が新しいプロトコルにTCPと比較して不利な影響を及ぼさないという仮定を実証的に検証することを目的とする。
• UDPカプセル化トランスポートにおけるフォールバック戦略と状態管理に関する、プロトコル設計者への指針を提供することを目的とする。

提案手法

• 著者らはRIPE Atlasプラットフォームを用いて、多様な観測ポイントからUDP接続性とファーストパケット遅延を測定した。
• TCPに似たトラフィックをUDPヘッダーで送信するツール「copycat」を導入し、損失、遅延、スループットの観点からTCPとUDPの性能を比較した。
• copycatを用いて、PlanetLab、CAIDAのArk、Digital Ocean間でフルメッシュ測定を実施し、プロトコルの意味論とは独立してUDPヘッダーの影響を分離した。
• 同一のトラフィックパターンを用いたTCPとUDPのフロー間のRTTバイアス、損失、スループットの差を分析した。
• 既存の公開データと測定結果を活用して、経路依存性やミドルボックスの干渉を評価した。
• IPv4およびIPv6ネットワークを対象とし、プロトコル固有の挙動を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UDP接続性は、現代のインターネット全体、特にアクセスネットワークで信頼できるか？
• RQ2 UDPは、コントロールされた混雑状態のトラフィックを扱う際、TCPと比較して体系的な性能劣化を受けるか？
• RQ3 UDPとTCPの間で、送信波形（wire image）のみが異なる場合、遅延、損失、スループットに顕著な差異があるか？
• RQ4 UDPブロッキングやレート制限はどれほど広範に見られるか。また、どこで最も発生しやすいか？
• RQ5 UDPカプセル化トランスポートにおいて、堅牢性を確保するためのプロトコル設計者への指針は何か？

主な発見

• UDP接続性は、陸上アクセスネットワークの約2％から4％でブロッキングされており、主にエンタープライズネットワークや地理的に制約のあるネットワークで発生している。
• ブロッキングは主にアクセスネットワークに限定されており、UDPがTCPと比較して体系的な性能劣化を受ける明確な証拠はない。
• TCPとUDP間の中央値RTTバイアスはほぼゼロであり、UDPに顕著な遅延の不利がないことを示している。
• Digital OceanのIPv4では、40％のフローでRTTバイアスが絶対値で1％から30％の範囲にあったが、これはUDP固有の扱いではなく、ミドルボックスの干渉によるものである。
• 初期遅延に経路依存バイアスはなく、中央値RTTバイアスは-0.02％であり、差のない処理がなされていることを確認した。
• 本研究は、Happy EyeballsのようなフォールバックメカニズムがUDP障害の対処に十分であることを確認した。また、UDPプロトコルにおける状態の露呈が、NATタイムアウトの過剰発生を回避するために重要であることを示した。