[論文レビュー] Improving PIE's performance over high-delay paths

Nicolas Kuhn, David Ros|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2016

Network Traffic and Congestion Control参考文献 6被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、高ラウンドトリップタイム（RTT）経路におけるキューイング遅延のピークを低減するために、PIE（Active Queue Management）アルゴリズムの単純な拡張であるMADPIEを提案する。キューイング遅延がしきい値を超えると制御された決定論的パケット破棄を導入することで、MADPIEは最大キューイング遅延を低く保ち、95パーセンタイルにおいて最大21％の低減を達成する。同時に、バルク転送のグッドプットを維持し、VoIPや小規模ファイルダウンロードのパフォーマンスを向上させながら、低RTTリンクにおけるPIEの挙動に悪影響を与えない。

ABSTRACT

Bufferbloat is excessive latency due to over- provisioned network buffers. PIE and CoDel are two recently proposed Active Queue Management (AQM) algorithms, designed to tackle bufferbloat by lowering the queuing delay without degrading the bottleneck utilization. PIE uses a proportional integral controller to maintain the average queuing delay at a desired level; however, large Round Trip Times (RTT) result in large spikes in queuing delays, which induce high dropping probability and low utilization. To deal with this problem, we propose Maximum and Average queuing Delay with PIE (MADPIE). Loosely based on the drop policy used by CoDel to keep queuing delay bounded, MADPIE is a simple extension to PIE that adds deterministic packet drops at controlled intervals. By means of simulations, we observe that our proposed change does not affect PIE's performance when RTT < 100 ms. The deterministic drops are more dominant when the RTT increases, which results in lower maximum queuing delays and better performance for VoIP traffic and small file downloads, with no major impact on bulk transfers.

研究の動機と目的

• PIEの高RTT経路に対する感受性、特に大きなキューイング遅延の振動とボトルネック利用度の低下を是正すること。
• VoIP や小規模ファイルダウンロードなどの遅延に敏感なアプリケーションの高遅延リンクにおけるパフォーマンスを向上させること。
• バルク転送のグッドプットを維持しつつ最大キューイング遅延を低減すること。CoDelの固定5ms遅延制限とRTT仮定の欠点を回避すること。
• 最小限のコード変更でPIEを拡張し、トラフィック負荷やパrameter感度に対して高いロバスト性を保つこと。
• 実用的で展開可能なAQMソリューションを提供し、PIEの安定性とCoDelの遅延バウンディング特性を統合すること。

提案手法

• MADPIEは、推定キューイング遅延が設定可能なしきい値τ_DDを超えると、決定論的破棄ポリシーが発動するようにPIEを拡張する。
• キューイング遅延 > τ_DD である場合、λ=30msごとに状態変数p_maxを1に設定し、p_max=1でありかつすでにランダムポリシーで破棄されていない場合に1パケットを破棄する。
• アルゴリズムは、ターゲット遅延τからの偏差に基づく動的破棄確率を制御するPIEの元来の比例積分制御器を保持する。
• 決定論的破棄メカニズムはRTTに比例して活性化され、高RTT（例：300ms以上）で主導的になるが、低RTTでは非活性のままとなる。
• ns-2シミュレーションを用いて、MADPIE、PIE、CoDel、DropTailをさまざまなトラフィックタイプとRTT条件で比較する。
• 主なパrameterにはτ（ターゲット遅延）、αおよびβ（PI制御ゲイン）、τ_DD（決定論的破棄しきい値）があり、評価ではτ_DDを40msに設定している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜPIEの性能が高RTT条件下で劣化するのか？（キューイング遅延の振動が原因）
• RQ2 PIEに決定論的破棄を追加することで、バルク転送のグッドプットを損なわずに最大キューイング遅延を制限できるか？
• RQ3 高RTT経路において、MADPIEはCoDelおよびPIEと比較してキューイング遅延、グッドプット、小規模ファイルダウンロード時間の点でどのように異なるか？
• RQ4 MADPIEは低RTTリンクにおけるPIEの性能を保持しつつ、高RTTリンクにおける性能を向上させられるか？
• RQ5 インタラクティブトラフィックの遅延低減とバルク転送の利用度維持の間のトレードオフは何か？

主な発見

• 500ms RTTのフローにおいて、MADPIEはPIEと比較して95パーセンタイルのキューイング遅延を約21％低減し、CoDelの性能に近づける。
• 高RTT経路において、MADPIEはPIEと比較して75パーセンタイルのキューイング遅延を約13％低減する。
• 500ms RTT経路において、MADPIEは小規模ファイルダウンロード時間を顕著に短縮し、低遅延と高グッドプットを両立させることで、PIEおよびCoDelを上回る性能を発揮する。
• バルク転送のグッドプットにおいて、MADPIEはPIEよりわずかに低いがCoDelより高い水準にあり、バランスの取れたトレードオフを達成する。
• 低RTT経路（例：100ms）では、MADPIEの性能はPIEとほとんど同一であり、キューイング遅延やグッドプットに顕著な劣化は認められない。
• 決定論的破棄メカニズムはRTTが約300msを超えた場合にのみ活性化され、通常の運用に最小限の影響を与える。