[논문 리뷰] Leveraging Coupled BBR and Adaptive Packet Scheduling to Boost MPTCP

Jiangping Han, Yitao Xing외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 15.

Network Traffic and Congestion Control참고 문헌 49인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 손실이 많고 동적인 무선 네트워크에서 MPTCP 성능을 향상시키기 위해 결합된 BBR와 AR&P 스케줄러를 제안한다. 대역폭 기반의 혼잡 제어와 적응형, 예측 가능한 패킷 스케줄링을 통해 어려운 네트워크 조건에서 더 높은 Throughput, TCP BBR와의 개선된 공정성, 그리고 순서 어긋남 패킷 감소를 달성한다.

ABSTRACT

Quite a few algorithms have been proposed to optimize the transmission performance of Multipath TCP (MPTCP). However, existing MPTCP protocols are still far from satisfactory in lossy and ever-changing networks because of their loss-based congestion control and the difficulty of managing multiple subflows. Recently, a congestion-based congestion control, BBR, is proposed to promote TCP transmission performance through better use of bandwidth. Due to the superior performance of BBR, we try to boost MPTCP with it. For this propose, coupled congestion control should be redesigned for MPTCP, and a functional scheduler able to effectively make use of the characteristics of BBR must also be developed for better performance. In this paper, we first propose Coupled BBR as a coupled congestion control algorithm for MPTCP to achieve high throughput and stable sending rate in lossy network scenarios with guaranteed fairness with TCP BBR flows and balanced congestion. Then, to further improve the performance, we propose an Adaptively Redundant and Packet-by-Packet (AR\&P) scheduler, which includes two scheduling methods to improve adaptability in highly dynamic network scenarios and keep in-order packet delivery in asymmetric networks. Based on Linux kernel implementation and experiments in both testbed and real network scenarios, we show that the proposed scheme not only provides higher throughput, but also improves robustness and reduces out-of-order packets in some harsh circumstances.

연구 동기 및 목표

• 손실 기반 혼잡 제어와 유연성 없는 스케줄러로 인해 손실이 많고 매우 동적인 무선 네트워크에서 MPTCP의 성능이 떨어지는 문제를 해결한다.
• 최상의 경로에서 단일 경로 TCP BBR 흐름과의 공정성을 향상시키기 위해, 집합된 MPTCP Throughput가 단일 경로 TCP 흐름의 최고 경로에서의 수준을 초과하지 않도록 보장한다.
• 새로운 적응형 및 예측 가능한 패킷 스케줄링 메커니즘을 통해 비대칭적이고 급격히 변화하는 네트워크 조건에서의 강건성과 적응 능력을 향상시킨다.
• 고대역폭 활용도와 낮은 지연 시간을 유지하면서 MPTCP 서브플로우 간의 균형 잡힌 혼잡 제어를 달성한다.

제안 방법

• 모든 서브플로우를 통해 측정한 집합 대역폭를 사용하여 개별 서브플로우 전송 속도를 설정하는, 단일 경로 TCP BBR와의 공정성을 보장하는 수정된 BBR 기반 혼잡 제어 알고리즘인 Coupled BBR를 제안한다.
• 실시간 대역폭 측정 기반의 데이터 할당 속도를 도입하여 서브플로우 간의 혼잡을 균형 있게 조절하고 공정성 문제를 방지한다.
• 두 가지 구성 요소를 가진 AR&P 스케줄러를 설계한다: 적응형 중복 스케줄링(AR-Scheduling)은 낮은 대역폭 서브플로우에 동적으로 중복 패킷을 전송하여 양호한 전송률을 향상시키고 지연 시간을 줄인다.
• 예측 가능한 패킷 스케줄링(P-Scheduling)은 예상 도착 순서와 RTT를 기반으로 패킷 우선순위를 정하여, 비대칭 네트워크에서 순서 어긋남 전송을 최소화한다.
• 실시간 경로 조건 모니터링을 통해 중복 전송 결정을 안내하여 동적인 환경에서의 적응 능력을 확보한다.
• Linux 커널에 솔루션을 구현하고, 실험 기반 및 실제 무선 환경에서 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존의 손실 기반 알고리즘과 비교해 볼 때, BBR 기반 혼잡 제어 메커니즘이 손실이 많은 무선 네트워크에서 MPTCP 성능을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 MPTCP가 서브플로우 간의 균형 잡힌 혼잡과 높은 Throughput를 유지하면서도 단일 경로 TCP BBR 흐름과의 공정성을 확보할 수 있는가?
• RQ3 적응형 및 예측 가능한 패킷 스케줄러는 비대칭적이고 동적인 네트워크 조건에서 순서 어긋남 패킷 전달을 줄이고 지연 시간을 개선할 수 있는가?
• RQ4 Coupled BBR와 AR&P 스케줄러의 조합은 실제 무선 환경에서 MPTCP의 강건성과 양호한 전송률을 어느 정도 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 Coupled BBR는 최상의 경로에서 단일 경로 TCP 흐름의 수준에 도달하는 것만으로 집합 MPTCP Throughput를 제한함으로써 고대역폭 활용도를 확보하고 단일 경로 TCP BBR 흐름과의 공정성을 유지한다.
• 실시간 대역폭 측정 기반으로 전송 속도를 동적으로 조정함으로써 Coupled BBR는 서브플로우 간의 균형 잡힌 혼잡을 보장하고 불공정한 서브플로우 활용을 방지한다.
• AR&P 스케줄러는 경로 조건에 기반한 지능적인 중복 및 예측 패킷 스케줄링을 통해 비대칭적이고 동적인 네트워크에서 순서 어긋남 패킷 전달을 크게 감소시킨다.
• 실제 환경 및 실험 기반 실험에서, 특히 높은 패킷 손실과 빠른 링크 변화 조건에서 기존 MPTCP 변종과 비교해 더 높은 양호한 전송률과 낮은 지연 시간을 달성한다.
• 개별 서브플로우가 심각하게 악화되는 경우에도 솔루션은 높은 강건성을 보이며 안정된 성능을 유지한다.
• Linux 커널 구현은 제안된 솔루션을 실제 시스템에 구현할 수 있음을 확인하며 실용성과 타당성을 입증한다.