[论文解读] AMP: A Better Multipath TCP for Data Center Networks

Morteza Kheirkhah, Myungjin Lee|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2017

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一句话总结

AMP 提出了一种自适应多路径 TCP 拥塞控制机制，通过在多路径与单路径操作之间动态切换，缓解了 TCP 拥塞和一种新发现的“最小窗口综合征”问题，该问题导致严重的公平性违规。通过检测低最小窗口状态和 ECN 标记模式，AMP 在性能损失最小的情况下减少拥塞并提升公平性，在混合工作负载下优于现有方案。

ABSTRACT

In recent years several multipath data transport mechanisms, such as MPTCP and XMP, have been introduced to effectively exploit the path diversity of data center networks (DCNs). However, these multipath schemes have not been widely deployed in DCNs. We argue that two key factors among others impeded their adoption: TCP incast and minimum window syndrome. First, these mechanisms are ill-suited for workloads with a many-to-one communication pattern, commonly found in DCNs, causing frequent TCP incast collapses. Second, the syndrome we discover for the first time, results in 2-5 times lower throughput for single-path flows than multipath flows, thus severely violating network fairness. To effectively tackle these problems, we propose AMP: an adaptive multipath congestion control mechanism that quickly detects the onset of these problems and transforms its multipath flow into a single-path flow. Once these problems disappear, AMP safely reverses this transformation and continues its data transmission via multiple paths. Our evaluation results under a diverse set of scenarios in a fat-tree topology with realistic workloads demonstrate that AMP is robust to the TCP incast problem and improves network fairness between multipath and single-path flows significantly with little performance loss.

研究动机与目标

• 为解决由于 TCP 拥塞和公平性问题导致多路径 TCP 在数据中心中未被广泛部署的问题。
• 识别并解决‘最小窗口综合征’——一种此前未记录的问题，导致多路径流的吞吐量比单路径流高出 2–5 倍。
• 设计一种简单、低开销的拥塞控制机制，在确保公平性的同时保持高吞吐量和低延迟。
• 在多种工作负载下实现稳健性能，包括数据中心中常见的多对一通信模式。
• 提供一种实用、可追溯且可部署的解决方案，避免使用如基于 RTT 的 cwnd 调整等复杂机制。

提出的方法

• AMP 通过监控所有子流的最小拥塞窗口（cwnd）来检测 TCP 拥塞或最小窗口综合征的发生；若最小 cwnd 在 1–3 个 RTT 内保持较低，则 AMP 仅保留一个子流。
• 当最小 cwnd 表明存在共享链路竞争时，AMP 切换到单路径模式，以减少缓冲区压力并避免拥塞崩溃。
• 在连续 8 个 RTT 内未检测到 ECN 标记的数据包后，AMP 重新激活所有子流，确保在条件改善时安全恢复多路径操作。
• AMP 在 ECN 标记时采用固定的 cwnd 减少因子，避免基于标记包比例的动态调整，以提升简洁性和速度。
• AMP 每个 RTT 仅增加一个子流的 cwnd，模拟单路径 TCP 行为，从而降低控制复杂度。
• AMP 不依赖基于 RTT 的 cwnd 增加或动态 cwnd 减少，简化实现并提升可追溯性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 ECN 支持的多路径和单路径 TCP 流共存的数据中心网络中，‘最小窗口综合征’的成因是什么？
• RQ2 如何使多路径 TCP 在数据中心中常见的多对一通信模式下对 TCP 拥塞具有鲁棒性？
• RQ3 一种简单、自适应的拥塞控制机制能否在公平性和性能方面优于复杂的现有方案？
• RQ4 多路径 TCP 中基于 ECN 的拥塞控制是否受益于基于 RTT 的 cwnd 调整，还是固定减少已足够？
• RQ5 一种能动态在单路径与多路径操作间切换的机制，能否在确保公平性的同时保持高吞吐量和低延迟？

主要发现

• AMP 通过检测低最小 cwnd 状态并切换到单路径模式，有效缓解了 TCP 拥塞，防止缓冲区溢出和性能崩溃。
• AMP 解决了最小窗口综合征问题，该问题曾导致多路径流的吞吐量比单路径流高出 2–5 倍，恢复了公平性。
• AMP 在不显著损失性能的前提下，改善了多路径与单路径流之间的公平性，同时保持高吞吐量和低延迟。
• AMP 在 ECN 标记时采用固定 cwnd 减少，优于动态调整，实现了更低开销的快速流量切换。
• AMP 在包括短流和长流在内的多样化工作负载中，性能可与或优于现有方案（如 XMP 和 DCTCP）。
• AMP 的简洁性——无需基于 RTT 的 cwnd 增加或动态 cwnd 减少——使其易于实现和追踪，同时保持高性能。