[论文解读] Using UDP for Internet Transport Evolution

Korian Edeline, Mirja Kühlewind+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2016

Network Traffic and Congestion Control参考文献 13被引用 4

一句话总结

本文通过大规模测量（利用RIPE Atlas）和一种名为copycat的新工具，评估了UDP作为现代互联网中部署新型传输协议基础的可行性。研究发现，UDP在大多数网络中表现可靠，其性能缺陷主要局限于接入网络——这支持将UDP封装作为传输创新的稳健策略。

ABSTRACT

The increasing use of middleboxes (e.g., NATs, firewalls) in the Internet has made it harder and harder to deploy new transport or higher layer protocols, or even extensions to existing ones. Current work to address this Internet transport ossification has led to renewed interest in UDP as an encapsulation for making novel transport protocols deployable in the Internet. Examples include Google's QUIC and the WebRTC data channel. The common assumption made by these approaches is that encapsulation over UDP works in the present Internet. This paper presents a measurement study to examine this assumption, and provides guidance for protocol design based on our measurements. The key question is "can we run new transport protocols for the Internet over UDP?" We find that the answer is largely "yes": UDP works on most networks, and impairments are generally confined to access networks. This allows relatively simple fallback strategies to work around it. Our answer is based on a twofold methodology. First, we use the RIPE Atlas platform to basically check UDP connectivity and first-packet latency. Second, we deploy copycat, a new tool for comparing TCP loss, latency, and throughput with UDP by generating TCP-shaped traffic with UDP headers.

研究动机与目标

• 本文研究UDP是否可作为当今互联网中新传输协议的可靠且高性能基础。
• 解决由NAT和防火墙等中间盒导致的互联网传输协议僵化问题，该问题阻碍了协议创新。
• 目标是通过实证验证UDP封装不会使新协议在性能上处于劣势，相较于TCP。
• 本研究旨在为协议设计者提供在UDP封装传输中实现故障切换策略和状态管理的指导。

提出的方法

• 作者使用RIPE Atlas平台，从多样化的观测点测量UDP连接性和首包延迟。
• 他们部署了copycat工具，该工具生成带有UDP头部的TCP形状流量，以比较TCP与UDP在丢包、延迟和吞吐量方面的性能表现。
• copycat支持在PlanetLab、CAIDA的Ark和Digital Ocean之间进行全网格测量，从而将UDP头部的影响与协议语义的影响分离开来。
• 研究分析了在相同流量模式下，TCP与UDP流之间的RTT偏差、丢包率和吞吐量差异。
• 研究利用现有公开数据和测量结果，评估路径依赖性和中间盒干扰的影响。
• 分析涵盖IPv4和IPv6网络，以评估协议特异性行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 UDP在现代互联网中，特别是在接入网络中，连接性是否可靠？
• RQ2 当承载拥塞控制流量时，UDP是否相比TCP存在系统性性能退化？
• RQ3 当仅在物理层信号（wire image）上不同时，TCP与UDP在延迟、丢包或吞吐量方面是否存在显著差异？
• RQ4 UDP被阻断或限速的情况有多普遍？最可能发生在哪些网络中？
• RQ5 可以为协议设计者提供哪些指导，以确保UDP封装传输的鲁棒性？

主要发现

• UDP在约2%至4%的陆地接入网络中被阻断，主要集中在企业网络和地理条件受限的网络中。
• 阻断行为主要局限于接入网络，未发现UDP相比TCP存在系统性性能退化。
• TCP与UDP之间的中位RTT偏差接近于零，表明UDP不存在显著的延迟劣势。
• 在Digital Ocean的IPv4网络中，40%的流表现出1%至30%的绝对值RTT偏差，但这是由中间盒干扰引起，而非UDP特有的处理方式。
• 初始延迟不存在路径依赖性偏差，中位RTT偏差为-0.02%，证实了UDP未受到显著的差异化对待。
• 研究确认，Happy Eyeballs等故障切换机制足以应对UDP连接失败，且UDP协议中的状态暴露对于避免NAT超时过长至关重要。