[논문 리뷰] Pied Piper: Rethinking Internet Data Delivery

Aran Bergman, Israel Cidon외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 13.

Network Traffic and Congestion Control참고 문헌 31인용 수 4

한 줄 요약

Pied Piper는 라우팅과 혼잡 제어를 클라우드 기반 릴레이로 이관하여 인터넷 전송 방식을 재고하는 클라우드 기반 데이터 전달 아키텍처를 제안한다. TCP 스플리팅과 커널 수준 최적화를 통해 기존 인터넷 전달 방식보다 최대 30배 빠른 파일 다운로드를 달성하며, BBR 및 PCC와 같은 고급 엔드 투 엔드 프로토콜을 한 단계 뛰어넘는 성능을 보인다.

ABSTRACT

We contend that, analogously to the transition from resource-limited on-prem computing to resource-abundant cloud computing, Internet data delivery should also be adapted to a reality in which the cloud offers a virtually unlimited resource, i.e., network capacity, and virtualization enables delegating local tasks, such as routing and congestion control, to the cloud. This necessitates rethinking the traditional roles of inter- and intra-domain routing and conventional end-to-end congestion control. We introduce Optimized Cloudified Delivery (OCD), a holistic approach for optimizing joint Internet/cloud data delivery, and evaluate OCD through hundreds of thousands of file downloads from multiple locations. We start by examining an OCD baseline approach: traffic from a source A to a destination B successively passes through two cloud virtual machines operating as relays - nearest to A and B; and the two cloud relays employ TCP split. We show that even this naive strategy can outperform recently proposed improved end-to-end congestion control paradigms (BBR and PCC) by an order of magnitude. Next, we present a protocol-free, ideal pipe model of data transmission, and identify where today's Internet data delivery mechanisms diverge from this model. We then design and implement OCD Pied Piper. Pied Piper leverages various techniques, including novel kernel-based transport-layer accelerations, to improve the Internet-Cloud interface so as to approximately match the ideal network pipe model.

연구 동기 및 목표

• 수십 년에 걸친 연구에도 불구하고 여전히 비효율적인 전통적인 인터넷 라우팅(BGP)과 혼잡 제어(TCP)의 문제를 해결하기 위해.
• 클라우드 네트워크를 자원이 풍부한 인프라로 활용하여 데이터 전달의 잠재적 성능을 탐색하고, 온프리미스에서 클라우드 컴퓨팅으로의 전환과 유사한 전환을 모색하기 위해.
• 라우팅과 혼잡 제어와 같은 전송 계층 기능을 가상화된 클라우드 릴레이로 위임함으로써 엔드 투 엔드 성능을 크게 향상시킬 수 있는지 조사하기 위해.
• 이deal 네트워크 파이프 모델을 근사함으로써 인터넷과 클라우드의 공동 데이터 전달을 최적화하는 통합 시스템—OCD Pied Piper—설계 및 평가하기 위해.

제안 방법

• 원천적인 OCD 기반 시스템을 구현하기 위해 소스와 목적지 근처에 위치한 두 개의 클라우드 릴레이와 TCP 스플리팅을 사용하여 엔드 투 엔드 연결을 세 개의 세그먼트로 분할하여 기존 인터넷에서 머무는 시간을 최소화한다.
• 현재 인터넷 메커니즘의 이질성을 규명하기 위해 프로토콜에 의존하지 않는 이상적인 파이프 모델을 설계하고, 특히 BGP와 엔드 투 엔드 혼잡 제어로 인해 발생하는 순차성 문제를 분석한다.
• 커널 기반 전송 계층 가속 기법을 활용하여 지연 시간을 줄이고 공정성을 향상시키는 OCD Pied Piper를 설계 및 구현한다. 특히 경쟁적 흐름 상황에서의 성능 향상에 중점을 둔다.
• 트래픽이 전송 계층 기능을 처리하는 클라우드 릴레이를 통해 라우팅되는 하이브리드 아키텍처를 사용하여 혼잡 및 경로 선택에 대한 더 나은 제어를 가능하게 한다.
• 가상화 기술을 활용하여 최대 2Gbps의 대역폭과 낮은 지연 시간을 제공하는 VM 기반 릴레이를 구축함으로써 기존 인터넷의 병목 현상을 효과적으로 회피한다.
• 표준 Berkeley 소켓을 사용하는 새로운 TCP 스플리팅 기법과 패킷 수준 최적화를 적용하여 프로토콜 변경 없이 성능을 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 엔드 투 엔드 TCP 방식과 비교해 클라우드 기반 릴레이로 라우팅과 혼잡 제어를 이관하면 엔드 투 엔드 데이터 전달 성능이 크게 향상되는가?
• RQ2 두 개의 클라우드 릴레이와 TCP 스플리팅을 사용하는 단순한 OCD 기반 시스템이 실제 환경에서 BBR 및 PCC와 같은 고급 엔드 투 엔드 혼잡 제어 프로토콜보다 어떻게 비교되는가?
• RQ3 현재의 인터넷 메커니즘이 이상화된 고정 대역폭 파이프 모델에서 얼마나 벗어나 있으며, 이러한 이질성은 어떻게 보완할 수 있는가?
• RQ4 클라우드에서 커널 기반 전송 최적화가 이상적인 네트워크 파이프의 행동을 얼마나 근사할 수 있으며, 서로 다른 RTT를 가진 경쟁 흐름 간의 공정성은 어떻게 향상되는가?
• RQ5 다양한 토폴로지, 특히 해외 간 및 국내 간 경로에서 클라우드 릴레이를 사용한 데이터 전달의 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 두 개의 클라우드 릴레이와 TCP 스플리팅을 사용하는 OCD 기반 시스템은 대용량 파일 전송에서 야생 인터넷 대비 최대 30배 빠른 다운로드 속도를 달성했으며, BBR 및 PCC와 같은 고급 프로토콜보다도 성능 향상이 30% 미만으로 떨어지지 않았다.
• 4MB 파일 전송 시 OCD 기반 시스템은 다운로드 시간을 5배 향상시켜, 단순한 아키텍처 변경에도 불구하고 상당한 성능 향상을 입증했다.
• 경쟁적 흐름 상황에서 기존에는 장거리 RTT 흐름이 공정성 문제로 인해 자원을 확보하지 못했지만, Pied Piper 기능이 활성화된 후 짧은 RTT와 긴 RTT 흐름 모두 유사한 대역폭을 확보하여 공정성 향상을 입증했다.
• 이상적 파이프 모델은 현재의 인터넷이 전송 계층에서 불필요한 순차성을 유도하고 있음을 드러내었으며, 클라우드화를 통해 경로 선택과 혼잡 제어를 엔드 호스트에서 분리함으로써 이를 제거할 수 있음을 보여주었다.
• OCD Pied Piper에서 커널 기반 전송 최적화는 지연 시간을 감소시키고 성능을 향상시켰으며, 특히 고 RTT 및 다중 홉 환경에서 그 효과가 뚜렷했다. 이는 클라우드 기반 전송 제어의 이점을 입증한다.
• 세 대의 주요 클라우드와 여러 지리적 위치에서의 실증 평가를 통해 대용량 파일 및 장거리 경로 전송에서 일관된 성능 향상이 확인되었으며, 특히 이러한 환경에서 뚜렷한 성능 개선이 이루어졌다.