[논문 리뷰] Fairness of Congestion-Based Congestion Control: Experimental Evaluation and Analysis

Shiyao Ma, Jingjie Jiang외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 28.

Network Traffic and Congestion Control참고 문헌 15인용 수 32

한 줄 요약

이 논문은 BBR 혼잡 제어에서 장기 RTT 흐름이 과도한 프로빙으로 인해 단기 RTT 흐름을 지배하는 심각한 RTT 공정성 문제를 규명하고 해결한다. 저자들은 커널 구현된 BBQ를 제안하며, 대기열 축적을 방지하기 위해 프로빙 지속 시간을 제한함으로써, 성능을 희생시키지 않은 채 최대 6.1배 향상된 공정성을 달성한다.

ABSTRACT

BBR is a new congestion-based congestion control algorithm proposed by Google. A BBR flow sequentially measures the bottleneck bandwidth and round-trip delay of the network pipe, and uses the measured results to govern its sending behavior, maximizing the delivery bandwidth while minimizing the delay. However, our deployment in geo-distributed cloud servers reveals a severe RTT fairness problem: a BBR flow with longer RTT dominates a competing flow with shorter RTT. Somewhat surprisingly, our deployment of BBR on the Internet and an in-house cluster unearthed a consistent bandwidth disparity among competing flows. Long BBR flows are bound to seize bandwidth from short ones. Intrigued by this unexpected behavior, we ask, is the phenomenon intrinsic to BBR? how's the severity? and what's the root cause? To this end, we conduct thorough measurements and develop a theoretical model on bandwidth dynamics. We find, as long as the competing flows are of different RTTs, bandwidth disparities will arise. With an RTT ratio of 10, even flow starvation can happen. We blame it on BBR's connivance at sending an excessive amount of data when probing bandwidth. Specifically, the amount of data is in proportion to RTT, making long RTT flows overwhelming short ones. Based on this observation, we design a derivative of BBR that achieves guaranteed flow fairness, at the meantime without losing any merits. We have implemented our proposed solution in Linux kernel and evaluated it through extensive experiments.

연구 동기 및 목표

• 다른 라운드트립 시간을 가진 경쟁 흐름이 존재할 때 BBR에서 발생하는 RTT 공정성 불균형의 심각성과 근본 원인을 조사하기 위해.
• BBR가 대역폭을 최대화하고 지연을 최소화하는 것을 목표로 하건대, 왜 장기 RTT 흐름이 단기 RTT 흐름을 우선시하는지 분석하기 위해.
• 성능 이점 손실 없이도 실용적이고 엔드호스트 기반의 솔루션을 설계하고 구현하여 공정성을 복원하기 위해.
• 다양한 네트워크 조건과 흐름 구성에서 솔루션의 확장성과 강건성 평가하기 위해.

제안 방법

• 큐 상태 감지 기반으로 프로빙 지속 시간을 동적으로 조정하는 BBR 유도체인 BBQ를 제안한다.
• 과도한 큐가 감지되면 짧은 프로빙 기간(α = 3 ms)을 적용하여 장기 RTT 흐름의 대역폭 프로빙을 제한한다.
• 큐가 소멸되면 더 긴 프로빙 기간으로 전환하여 효율적인 대역폭 탐색을 가능하게 한다.
• 실세계 평가를 위해 Linux 커널 4.9.18에 BBQ를 구현한다.
• 내부 클러스터와 인터넷 배포를 통해 대역폭 할당, RTT 공정성, 링크 활용도를 측정한다.
• 다양한 RTT 비율, 흐름 수, AQM 구성에서 BBQ와 BBR 간 비교 분석을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 경쟁 흐름의 라운드트립 시간이 다를 경우 BBR에서 RTT 공정성 문제의 심각도는 어느 정도인가?
• RQ2 BBR이 단기 RTT 흐름을 편애하는 근본 원인은 무엇인가?
• RQ3 간단한 엔드호스트 기반 수정이 BBR의 성능 목표를 희생시키지 않고도 공정성을 복원할 수 있는가?
• RQ4 경쟁 흐름 수가 증가함에 따라 제안된 솔루션의 확장성은 어떻게 되는가?
• RQ5 일률적인 고정 프로빙 제한(α)이 다양한 RTT 범위에서 효과적으로 작용하는가?

주요 결과

• 50ms RTT 흐름과 경쟁할 경우, 10ms RTT 흐름이 BBR를 사용할 때는 단지 6.3 Mbps, 즉 복잡한 대역폭의 7.2%에 그친다.
• RTT 비율이 10(10ms 대비 100ms)일 경우, BBQ를 사용할 경우 단기 RTT 흐름은 대역폭의 37.1%를 확보하며, BBR 대비 4.62배 향상된다.
• 1개의 50ms RTT 흐름과 20개의 10ms RTT 흐름이 존재하는 시나리오에서 BBQ는 BBR 대비 공정성을 최대 6.1배 향상시킨다.
• 5ms에서 300ms의 RTT 범위 전역에서 BBQ는 단기 RTT 흐름의 대역폭 할당을 최소 84.12% 향상시킨다.
• 일괄적인 프로빙 제한 α = 3ms는 다양한 인터넷 RTT 조건에서 일관된 공정성 향상을 보장한다.
• BBQ는 전체 링크 활용도와 낮은 종단 간 지연을 유지하며, BBR의 성능 지표와 동일한 수준을 확보한다.