[论文解读] Pied Piper: Rethinking Internet Data Delivery

Aran Bergman, Israel Cidon+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2018

Network Traffic and Congestion Control参考文献 31被引用 4

一句话总结

Pied Piper 提出了一种云化数据传输架构，通过将路由和拥塞控制功能卸载至基于云的中继节点，重新构想互联网传输机制。该架构采用 TCP 拆分与内核级优化技术，实现相较于传统互联网传输高达 30 倍的文件下载速度提升，性能显著优于 BBR 和 PCC 等先进端到端协议，提升幅度达一个数量级。

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.

研究动机与目标

• 解决传统互联网路由（BGP）与拥塞控制（TCP）长期存在的低效问题，尽管历经数十年研究，其性能仍不理想。
• 探索利用云网络作为资源丰富的基础设施来提升数据传输性能的潜力，类比于从本地部署向云计算的转变。
• 研究将传输层功能（如路由与拥塞控制）委托给虚拟化的云中继节点，是否能显著提升端到端性能。
• 设计并评估一个端到端的系统——OCD Pied Piper，通过近似理想网络管道模型，优化互联网与云环境下的联合数据传输。

提出的方法

• 通过部署两个云中继节点（靠近源和目标）并采用 TCP 拆分技术，实现 OCD 基线方案，将端到端连接划分为三个段，最大限度减少在传统互联网中的停留时间。
• 设计并实现一种无协议的理想化管道模型，用于识别当前互联网机制中的偏差，特别是由 BGP 和端到端拥塞控制引入的串行性。
• 设计并实现 OCD Pied Piper，利用基于内核的传输层加速技术，降低延迟并提升公平性，尤其在竞争流场景下表现更优。
• 采用混合架构，使流量经由处理传输层功能的云中继节点进行路由，从而实现对拥塞控制与路径选择的更好控制。
• 利用虚拟化技术部署高带宽（每台虚拟机最高达 2Gbps）且低延迟的中继节点，有效绕过传统互联网的瓶颈。
• 应用新型技术，如基于标准 Berkeley 套接字的 TCP 拆分与报文级优化，实现性能提升，且无需修改协议。

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统的端到端 TCP 相比，将路由与拥塞控制功能卸载至基于云的中继节点，是否能显著提升端到端数据传输性能？
• RQ2 在真实环境中，采用两个云中继节点与 TCP 拆分的简单 OCD 基线方案，与 BBR 和 PCC 等先进端到端拥塞控制协议相比表现如何？
• RQ3 当前互联网机制与理想化的固定容量网络管道模型之间存在多大程度的偏离？这些偏差能否被有效缓解？
• RQ4 在云环境中实施基于内核的传输优化，是否能近似实现理想网络管道的行为，并改善不同 RTT 的竞争流之间的公平性？
• RQ5 在多种网络拓扑（包括跨大陆与国内路径）中，使用云中继进行数据传输的性能影响如何？

主要发现

• OCD 基线方案（采用两个云中继节点与 TCP 拆分）在大文件传输中，下载速度最高可达传统互联网的 30 倍，显著优于 BBR 与 PCC，后者性能提升不足 30%。
• 对于 4MB 文件，OCD 基线方案将下载时间缩短了 5 倍，即使仅做最小的架构调整，也实现了显著性能提升。
• 在竞争流场景中，长 RTT 流曾因不公平性而被严重抑制；启用 Pied Piper 后，短 RTT 与长 RTT 流的吞吐量趋于均衡，证明了公平性的显著改善。
• 理想化管道模型揭示，当前互联网在传输层引入了不必要的串行性，而通过云化可消除该问题，实现路径选择与拥塞控制从终端主机的解耦。
• OCD Pied Piper 中基于内核的传输优化显著降低了延迟，提升了性能，尤其在高 RTT、多跳场景中表现突出，验证了云化传输控制的优势。
• 在三大主流云平台及多个地理位置的实证评估中，性能提升保持一致，尤其在大文件与长距离路径传输中表现尤为显著。