[논문 리뷰] Programming Flows in Dense Mobile Environments: A Multi-user Diversity Perspective

Ioannis Gasparis, Ulaş C. Kozat외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 25.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 12인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 공유 백홀 링크를 가진 고밀도 무선 네트워크에서 다중 경로 다양성을 활용하기 위해 스케줄링 및 흐름 관리의 네트워크 프로그래머블성을 제안한다. 흐름을 클러스터링하고 프로그래머블 디멀티플렉싱 및 Max C/I 스케줄링을 가능하게 함으로써, 기존 TCP 애플리케이션의 대역폭은 최대 3.5배 향상되었고, MP-TCP 대비 중앙값 성능에서 34% 향상되었다.

ABSTRACT

The emergence of OpenFlow and Software Defined Networks brings new perspectives into how we design the next generation networks, where the number of base stations/access points as well as the devices per subscriber will be dramatically higher. In such dense environments, devices can communicate with each other directly and can attach to multiple base stations (or access points) for simultaneous data communication over multiple paths. This paper explores how networks can maximally enable this multi-path diversity through network programmability. In particular, we propose programmable flow clustering and set policies for inter-group as well as intra-group wireless scheduling. Further, we propose programmable demultiplexing of a single network flow onto multiple paths before the congestion areas and multiplexing them together post congestion areas. We show the benefits of such programmability first for legacy applications that cannot take advantage of multi-homing without such programmability. We then evaluate the benefits for smart applications that take advantage of multi-homing by either opening multiple TCP connections over multiple paths or utilizing a transport protocol such as MP-TCP designed for supporting such environments. More specifically, we built an emulation environment over Mininet for our experiments. Our evaluations using synthetic and trace driven channel models indicate that the proposed programmability in wireless scheduling and flow splitting can increase the throughput substantially for both the legacy applications and the current state of the art.

연구 동기 및 목표

• 고밀도 네트워크에서 공유 무선 백홀 링크를 통해 다중 경로 다양성을 활용하지 못하는 기존 전송 프rotocol(예: TCP, MP-TCP)의 비효율성을 해결한다.
• 멀티유저, 멀티패스 무선 환경에서 기본 스케줄링(예: Proportional Fair)의 한계를 극복하기 위해 네트워크 프로그래머블성이 가능한지 조사한다.
• 지능적인 흐름 그룹화 및 스케줄링 정책이 개인 사용자 및 전체 시스템의 대역폭을 크게 향상시킬 수 있음을 입증한다.
• 기본 다중 경로 지원 기능이 내장되어 있지 않은 레거시 애플리케이션과 MP-TCP와 같은 현대적 다중 경로 인식 프rotocol에 대한 프로그래머블성의 영향을 평가한다.

제안 방법

• 동일한 최종 호스트와 병목 링크를 공유하는 흐름을 클러스터링하여 정책 인식 스케줄링을 가능하게 하는 프로그래머블 흐름 클러스터링을 제안한다.
• 중앙 집중식 네트워크 컨트롤러를 사용하여, 혼잡 이전에 단일 흐름을 여러 경로로 분할하고, 이후 복합화하는 프로그래머블 디멀티플렉싱을 도입한다.
• 공유 병목 링크가 존재할 경우, 기본 Proportional Fair Scheduling을 대체하여 인라인 그룹 내 흐름에 대해 Max C/I(최대 신호 대 간섭비) 스케줄링을 적용한다.
• 실제 무선 환경 조건을 반영하기 위해 Mininet 기반 에뮬레이션을 사용하며, 합성 마르코프 채널 트레이스와 실제 LTE 채널 트레이스를 모두 활용한다.
• 기본 단일 경로 TCP, MP-TCP, 및 흐름 분할 기능을 갖춘 커스텀 Demuxed TCP를 PFS 및 Max C/I 스케줄링 정책 하에서 비교한다.
• 다양한 시나리오(예: D2D 릴레이, 소셀 백홀 공유 등)에서 네트워크 지능 여부에 따라 대역폭 향상을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기본적으로 다중 경로를 사용할 수 없는 레거시 TCP 애플리케이션의 대역폭 향상에 네트워크 프로그래머블성(스케줄링 및 라우팅)이 기여할 수 있는가?
• RQ2 다중 경로 및 공유 무선 백홀 환경에서 프로그래머블 스케줄링(예: Max C/I)이 기본 Proportional Fair Scheduling을 능가하는가?
• RQ3 다중 경로 전송 프로토콜인 MP-TCP 및 Demuxed TCP가 고밀도 모바일 환경에서 프로그래머블 스케줄링과 결합했을 때 성능은 어떻게 되는가?
• RQ4 여러 사용자가 동일한 무선 병목(예: 매크로 기지국)을 공유할 경우 네트워크 지능이 전체 시스템 대역폭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 실제 채널 트레이스는 합성 마르코프 모델에서 관찰된 성능 향상 효과를 검증할 수 있는가?

주요 결과

• 레거시 TCP 애플리케이션의 경우, Demuxed TCP는 단일 경로 TCP 대비 최악의 10% 시나리오에서 최대 3.5배 높은 대역폭을 달성한다.
• Demuxed TCP는 단일 경로 TCP 대비 중앙값 대역폭을 34% 향상시키며, Proportional Fair Scheduling을 사용하는 최신 기술 수준의 MP-TCP 대비 23% 향상된 성능을 보인다.
• 프로그래머블 스케줄링 없이 다중 경로 옵션(예: MP-TCP 포함)은 고품질 채널 조건에서 단일 경로 TCP 대비 최대 8% 성능이 열등할 수 있다.
• Max C/I 스케줄링을 적용한 D2D 및 소셀 시나리오에서 실시간 트레이스를 사용할 경우, 타겟 사용자의 대역폭은 단일 경로 기준 대비 최대 24% 향상된다.
• 프로그래머블 스케줄링은 타겟 사용자 대역폭과 전체 시스템의 합산 대역폭을 모두 향상시키지만, 비프로그래머블 다중 경로 기법은 불공정성으로 인해 시스템 대역폭을 감소시킨다.
• Max C/I 스케줄링을 사용한 두 개의 TCP 흐름 케이스는 효율성 측면에서 Demuxed TCP를 능가하지만, Demuxed TCP는 흐름 분할 오버헤드가 더 낮아도 유사한 성능을 달성한다.