김민섭
(Department of Radio and Information Communications Engineering, Chungnam National University)
,
이재용
(Department of Radio and Information Communications Engineering, Chungnam National University)
,
김병철
(Department of Radio and Information Communications Engineering, Chungnam National University)
무선 네트워크에서 TCP는 비트 에러에 인한 패킷 손실을 혼잡상태에 의한 손실로 오인하여 잦은 혼잡제어가 일어나 성능 저하가 발생한다. 이러한 성능 저하는 기존 TCP를 확장한 프로토콜인 MPTCP (Multipath TCP) 에서도 발생하며, MPTCP의 경우 다중 경로의 전체 성능이 저하되는 문제점도 발생한다. 따라서 본 논문에서는 무선 환경에서 MPTCP 성능 저하를 해결하기 위해 MPTCP 각 경로상의 대역폭을 측정하고 패킷 손실이 발생할 때 측정된 대역폭 만큼 혼잡 윈도우 크기를 줄이는 혼잡제어를 제안하였다. 그리고 제안한 혼잡제어를 리눅스커널에 구현 설치하고 무선 환경의 특성을 적용한 테스트베드와 실제 무선 네트워크에서 기존 MPTCP와 비교분석하였다. 실험결과 제안한 혼잡제어가 기존 MPTCP 혼잡제어보다 무선 환경에서 좋은 처리량 성능을 보여주었다.
무선 네트워크에서 TCP는 비트 에러에 인한 패킷 손실을 혼잡상태에 의한 손실로 오인하여 잦은 혼잡제어가 일어나 성능 저하가 발생한다. 이러한 성능 저하는 기존 TCP를 확장한 프로토콜인 MPTCP (Multipath TCP) 에서도 발생하며, MPTCP의 경우 다중 경로의 전체 성능이 저하되는 문제점도 발생한다. 따라서 본 논문에서는 무선 환경에서 MPTCP 성능 저하를 해결하기 위해 MPTCP 각 경로상의 대역폭을 측정하고 패킷 손실이 발생할 때 측정된 대역폭 만큼 혼잡 윈도우 크기를 줄이는 혼잡제어를 제안하였다. 그리고 제안한 혼잡제어를 리눅스커널에 구현 설치하고 무선 환경의 특성을 적용한 테스트베드와 실제 무선 네트워크에서 기존 MPTCP와 비교분석하였다. 실험결과 제안한 혼잡제어가 기존 MPTCP 혼잡제어보다 무선 환경에서 좋은 처리량 성능을 보여주었다.
In wireless networks, the packet loss due to the bit error is misinterpreted as loss due to the congestion state, so TCP congestion control occurs frequently and performance degradation occurs. This degradation also occurs in MPTCP(Multipath TCP), which is an extension protocol of original TCP. In M...
In wireless networks, the packet loss due to the bit error is misinterpreted as loss due to the congestion state, so TCP congestion control occurs frequently and performance degradation occurs. This degradation also occurs in MPTCP(Multipath TCP), which is an extension protocol of original TCP. In MPTCP, the overall performance of the multipath is degraded. In this paper, we propose a congestion control scheme which measures the bandwidth on each path of MPTCP and reduces the congestion window size by the measured bandwidth when packet loss occurs, in order to solve the MPTCP performance degradation in the wireless environment. We also implemented the proposed congestion control in the Linux kernel and compared it with the original MPTCP in the testbed and real wireless networks. Experimental results show that the proposed congestion control has better throughput performance than original MPTCP congestion control in the wireless environment.
In wireless networks, the packet loss due to the bit error is misinterpreted as loss due to the congestion state, so TCP congestion control occurs frequently and performance degradation occurs. This degradation also occurs in MPTCP(Multipath TCP), which is an extension protocol of original TCP. In MPTCP, the overall performance of the multipath is degraded. In this paper, we propose a congestion control scheme which measures the bandwidth on each path of MPTCP and reduces the congestion window size by the measured bandwidth when packet loss occurs, in order to solve the MPTCP performance degradation in the wireless environment. We also implemented the proposed congestion control in the Linux kernel and compared it with the original MPTCP in the testbed and real wireless networks. Experimental results show that the proposed congestion control has better throughput performance than original MPTCP congestion control in the wireless environment.
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문제 정의
본 논문에서는 무선 환경에서 손실기반의 MPTCP 혼잡제어로 발생하는 다중 경로 성능저하 문제를 해결하기 위해 대역폭 측정 기반 혼잡제어 방식을 제안한다. 제안한 혼잡제어는 해당 경로의 측정된 대역폭을 기반으로 패킷 손실이 발생할 때 혼잡 윈도우 크기를 측정된 대역폭 크기에 맞게 줄이도록 동작한다.
본 논문에서는 무선망에서 MPTCP가 동작 할 때 손실기반의 혼잡제어가 무선망의 특징으로 인한 비트 에러에 따른 패킷손실을 혼잡으로 오인하여 잦은 혼잡제어로 윈도우크기가 급격히 감소하여 해당 경로의 트래픽 전송량이 줄어들고 해당 경로로 트래픽이 흐르지 않아 다중경로를 통한 전송 효율저하의 문제점 있다는 점을 분석하였다. 그리고 이 문제점을 해결하기 위해서 대역폭 측정기술을 이용하여 각 경로의 대역폭을 측정하고 패킷 손실이 발생 할 때 윈도우크기를 해당 경로의 측정된 대역폭만큼 줄이는 혼잡제어를 제안하였다.
기존 MPTCP 혼잡제어로 사용되는 LIA[3]와 OLIA[4]와 같은 손실기반 혼잡제어는 패킷 손실이 발생 할 경우 TCP Reno와 동일하게 해당 Subflow의 혼잡 윈도우 크기를 절반으로 줄이는 알고리즘이 적용되어 있다. 본 논문에서는 이를 수정하여 패킷 손실이 발생할 경우 해당 Subflow의 혼잡 윈도우 크기를 측정 대역폭 크기만큼 줄이는 혼잡제어를 제안한다. 그러면 비트 에러에 의한 손실이 자주 발생하더라도 혼잡 윈도우를 무조건 줄이는 단점을 보완할 수 있다.
TCP 대역폭 측정 기술은 TCP Westwood[7]를 시작으로 TCP Westwood+[8], TCP Jersey[9] 등 많은 방법들이 연구되어왔다. 본 절에서는 대역폭 측정 기술 중 대표적으로 TCP Westwood와 TCP Jersey에 대해서 다루도록 하겠다.
제안 방법
그림 3의 알고리즘 코드를 보면 먼저 대역폭을 측정하기 위한 파라미터 값인 식 (1)의 bk을 구하기 위해서 ACK를 수신 할 때마다 update_parameter라는 함수를 이용하여 tk - tk-1과 dk를 갱신한다. ACK간의 시간차를 측정하기위해 TCP Timer를 사용하여 시간을 측정하여 ACK간 의 시간차를 계산한다. 보낸 데이터의 양인 dk을 측정하기 위해 시간 tk에 보낸 데이터의 시퀀스 번호와 시간 tk-1에 보낸 시퀀스 번호의 차이를 이용하여 계산하였다.
90을 추가 설치하였다. MPTCP sender의 다중 경로 구성은 한쪽 경로를 USB 테더링을 통하여 KT LTE를 사용하는 이동통신망에 연결하였고 다른 경로는 802.11n을 지원하는 USB 무선랜카드를 이용하여 802.11n을 사용하는 AP에 연결하였다. MPTCP receiver의 다중 경로 구성은 양쪽 경로를 100Mbps 유선 랜으로 연결하였다.
다음으로 제안한 혼잡제어와 단일 TCP의 공평성을 평가하기 위해 그림 4의 (a)와 같은 테스트베드에서 MPTCP Subflow 1과 Subflow 2를 공유링크를 지나도록 구성하였다. 그리고 공유링크에 TCP트래픽이 지나가도록 하여 MPTCP와 기존 TCP간의 공평성 실험을 진행하였다. 실험은 120초간 제안한 혼잡제어를 사용한 MPTCP Subflow 두 개가 하나의 경로를 공유하여 트래픽이 전송되고 실험 중간 30초부터 90초까지 60초동안 Reno 혼잡제어를 사용한 단일 TCP가 공유링크를 통해서 트래픽을 전송하였다.
1% 패킷 손실률을 적용하였다. 그리고 실험 150초에서 180초 동안 dummynet d에서 0.1% 패킷 손실률을 적용하였다. 실험은 기존 MPTCP 혼잡제어와 비교 분석을 위해 LIA 혼잡제어와 제안한 혼잡제어를 사용하여 각각 실험을 진행하였다.
본 논문에서는 무선망에서 MPTCP가 동작 할 때 손실기반의 혼잡제어가 무선망의 특징으로 인한 비트 에러에 따른 패킷손실을 혼잡으로 오인하여 잦은 혼잡제어로 윈도우크기가 급격히 감소하여 해당 경로의 트래픽 전송량이 줄어들고 해당 경로로 트래픽이 흐르지 않아 다중경로를 통한 전송 효율저하의 문제점 있다는 점을 분석하였다. 그리고 이 문제점을 해결하기 위해서 대역폭 측정기술을 이용하여 각 경로의 대역폭을 측정하고 패킷 손실이 발생 할 때 윈도우크기를 해당 경로의 측정된 대역폭만큼 줄이는 혼잡제어를 제안하였다.
다음으로 제안한 혼잡제어와 단일 TCP의 공평성을 평가하기 위해 그림 4의 (a)와 같은 테스트베드에서 MPTCP Subflow 1과 Subflow 2를 공유링크를 지나도록 구성하였다. 그리고 공유링크에 TCP트래픽이 지나가도록 하여 MPTCP와 기존 TCP간의 공평성 실험을 진행하였다.
실험결과 제안한 혼잡제어가 기존 MPTCP 혼잡제어보다 무선 환경에서 다중 경로를 통한 트래픽 전송 성능을 개선함을 확인하였다. 또한 기존 TCP와의 공평성 실험을 통하여 기존 TCP와의 공평성을 확인하였다.
ACK간의 시간차를 측정하기위해 TCP Timer를 사용하여 시간을 측정하여 ACK간 의 시간차를 계산한다. 보낸 데이터의 양인 dk을 측정하기 위해 시간 tk에 보낸 데이터의 시퀀스 번호와 시간 tk-1에 보낸 시퀀스 번호의 차이를 이용하여 계산하였다. update_parameter라는 함수를 이용하여 샘플 대역폭을 계산하게 되고 update_est_bw라는 함수를 통해 계산된 샘플 대역폭은 이전 측정한 샘플 대역폭과 로우패스필터를 이용하여 평균을 취해 예상 대역폭으로 사용되게 된다.
본 논문에서 제안한 대역폭 측정기반 혼잡제어 알고리즘은 2.2 절에서 살펴본 대역폭 측정 기술 중 TCP Westwood에 사용한 식 (1)을 이용하여 설계하였다. 혼잡제어 알고리즘의 동작은 각 Subflow의 대역폭을 ACK를 수신할 때 마다 측정하고 패킷 손실이 일어날 때 혼잡 윈도우의 크기를 패킷 손실이 일어난 Subflow의 측정된 대역폭 크기로 줄이는 방식이다.
본 논문에서 제안한 혼잡제어를 실험하기 위해 그림 4와 같은 테스트베드를 구성하여 실험을 진행하였다. 모든 테스트베드의 sender와 receiver는 Ubuntu 14.
dummynet은 네트워크 에뮬레이션 툴로서 네트워크 프로토콜을 테스트하기 위해 설계되었고 경로상의 대역폭, 지연시간, 패킷 손실률 등을 설정 할 수 있다. 본 실험에서는 모든 링크의 대역폭은 100Mbps로 설정하고 지연시간은 각 Subflow의 RTT가 20ms가 되도록 설정하였다. MPTCP 설정으로 스케줄러는 LowRTT[14]를 사용하고 경로관리는 설정하지 않았다.
본 절에서는 그림 4와 같은 테스트베드에서 제안한 혼잡제어 알고리즘을 검증을 위해 대역폭 측정 실험과 기존 TCP와의 공평성 평가를 실시하고 무선 환경과 유사한 비트 에러를 발생시켜 패킷 손실률 변화에 따른 성능과 다중 경로 상에서 급격한 비트 에러에 의한 성능을 비교하였다.
비트 에러로 인한 패킷 손실률 변화에 따른 성능 분석을 위해서 그림 4의 (b)와 같은 테스트베드에서 Subflow 1의 dummynet b와 Subflow 2의 dummynet d에 동일한 패킷 손실률을 적용하고 패킷 손실률을 0.001% ~ 1%까지 변경하여 실험을 하였다. 실험은 기존 손실기반 MPTCP 혼잡제어와 비교 분석을 위해 LIA 혼잡제어와 제안한 혼잡제어를 사용하여 패킷 손실률마다 300초 동안 트래픽 전송을 반복하였다.
그리고 공유링크에 TCP트래픽이 지나가도록 하여 MPTCP와 기존 TCP간의 공평성 실험을 진행하였다. 실험은 120초간 제안한 혼잡제어를 사용한 MPTCP Subflow 두 개가 하나의 경로를 공유하여 트래픽이 전송되고 실험 중간 30초부터 90초까지 60초동안 Reno 혼잡제어를 사용한 단일 TCP가 공유링크를 통해서 트래픽을 전송하였다.
001% ~ 1%까지 변경하여 실험을 하였다. 실험은 기존 손실기반 MPTCP 혼잡제어와 비교 분석을 위해 LIA 혼잡제어와 제안한 혼잡제어를 사용하여 패킷 손실률마다 300초 동안 트래픽 전송을 반복하였다.
제안한 혼잡제어가 무선 환경의 특성을 적용한 테스트베드에서 기존 혼잡제어와 비교하여 더 좋은 처리량 성능 결과를 보이고 공평성 평가에서도 MPTCP 목표에 부합하는 것을 확인하였다. 이를 바탕으로 본 장에서는 제안한 혼잡제어를 적용한 MPTCP를 실제 무선네트워크에서 실험하여 성능 분석을 하였다.
본 논문에서는 무선 환경에서 손실기반의 MPTCP 혼잡제어로 발생하는 다중 경로 성능저하 문제를 해결하기 위해 대역폭 측정 기반 혼잡제어 방식을 제안한다. 제안한 혼잡제어는 해당 경로의 측정된 대역폭을 기반으로 패킷 손실이 발생할 때 혼잡 윈도우 크기를 측정된 대역폭 크기에 맞게 줄이도록 동작한다.
제안한 혼잡제어의 구현은 리눅스 MPTCP kernel v0.90[12]버전의 LIA 혼잡제어 에 제안한 혼잡제어 알고리즘에 적용하였으며 이를 무선 환경 특성을 가진 테스트베드 및 실제 무선 네트워크에서 실험을 진행하였다.
제안한 혼잡제어의 대역폭 측정 알고리즘을 검증하기 위해서 대역폭 변화에 따른 대역폭 측정 알고리즘 동작과 기존 TCP와의 공평성에 대하여 실험을 진행하였다. 먼저 대역폭 변화에 따른 대역폭 측정 알고리즘 동작을 검증하기 위해 그림 4의 (a)와 같은 테스트베드에서 MPTCP는 Subflow 1이 공유링크를 지나도록 구성하고 공유링크에 UDP트래픽이 지나가도록 하였다.
대상 데이터
1% 패킷 손실률을 적용하였다. 실험은 기존 MPTCP 혼잡제어와 비교 분석을 위해 LIA 혼잡제어와 제안한 혼잡제어를 사용하여 각각 실험을 진행하였다.
MPTCP 설정으로 스케줄러는 LowRTT[14]를 사용하고 경로관리는 설정하지 않았다. 혼잡제어의 경우 기존 LIA 혼잡제어와 제안한 혼잡제어를 비교하기 위해 두 혼잡제어를 모두 사용하여 실험을 진행하였다. 네트워크의 성능 측정 툴은 iperf[15]를 사용하였다.
데이터처리
그림 10과 같은 무선 네트워크에서 iperf를 사용하여 180초 동안 LIA 혼잡제어와 제안한 혼잡제어를 비교분석하였다. 먼저 그림 11의 LIA 혼잡제어 실험 결과 그래프를 보면 LTE를 사용하는 Subflow 1의 경우 평균 17Mbps를 유지하며 일정하게 트래픽이 전송되었다.
제안한 혼잡제어 알고리즘을 리눅스커널의 MPTCP 혼잡제어로 구현하였으며, 제안한 혼잡제어를 임의적으로 네트워크 파라미터를 조정하여 무선 환경의 특징을 적용한 테스트베드와 실제 무선네트워크에서 기존 MPTCP 혼잡제어와 비교 분석하였다.
제안한 혼잡제어의 성능분석을 위해 무선 환경의 특성을 적용한 테스트베드와 실제 무선 네트워크에서 기존 MPTCP 혼잡제어와 비교 분석하였다. 실험결과 제안한 혼잡제어가 기존 MPTCP 혼잡제어보다 무선 환경에서 다중 경로를 통한 트래픽 전송 성능을 개선함을 확인하였다.
MPTCP 설정으로 스케줄러는 LowRTT를 사용하고 경로관리는 설정하지 않았다. 혼잡제어의 경우 LIA와 제안한 혼잡제어를 사용하여 비교분석 하였다.
이론/모형
90을 추가적으로 설치하였다. 그리고 각 경로의 네트워크 특성에 변화를 주기위해 dummynet[13]을 사용하였다. dummynet은 네트워크 에뮬레이션 툴로서 네트워크 프로토콜을 테스트하기 위해 설계되었고 경로상의 대역폭, 지연시간, 패킷 손실률 등을 설정 할 수 있다.
혼잡제어의 경우 기존 LIA 혼잡제어와 제안한 혼잡제어를 비교하기 위해 두 혼잡제어를 모두 사용하여 실험을 진행하였다. 네트워크의 성능 측정 툴은 iperf[15]를 사용하였다.
성능/효과
다음으로 제안한 혼잡제어를 이용하여 같은 실험을 진행하였다. 그 결과 그림 12의 제안한 혼잡제어 실험 결과 그래프를 보면 LTE를 사용하는 Subflow 1의 경우 Subflow 2와의 부하분산으로 인하여 이전 실험보다는 낮은 처리량 성능인 8Mbps가 나왔으며 WiFi를 사용하는 Subflow 2의 경우 평균 13Mbps가 나왔다. 제안한 혼잡제어를 이용하여 Subflow 2의 성능이 향상된 대신에 Subflow 1의 성능이 감소한 이유는 Subflow 2의 성능이 Subflow 1보다 높아져 공평성과 부하부산의 이유로 Subflow 1의 처리량 성능이 감소된 것이다.
실험결과 그림 6과 같이 0초에서 30초 사이에서는 100Mbps의 대역폭을 두 개의 Subflow가 나누어 사용하다가 30초부터 단일 TCP의 트래픽이 추가되어 MPTCP 전체 트래픽 전송량이 절반으로 줄어드는 것을 확인 할 수 있었다. 단일 TCP는 총 60초 동안 평균47Mbits/s의 성능을 보여주었으며 이는 100Mbps의 대역폭을 가진 공유링크에서 MPTCP와 단일 TCP가 서로 공평한 성능을 나누어가진 것으로 볼 수 있다. 이를 통하여 제안한 MPTCP 혼잡제어가 기존 TCP와 공평성을 가지는 것을 확인할 수 있다.
구체적인 MPTCP의 설계 목표를 살펴보면 첫 번째로 단일 연결에도 여러 네트워크 경로를 사용할 수 있어야 한다. 두 번째로 기존 TCP의 성능을 감소시키지 않은 채로 사용이 가능해야 한다. 세 번째는 기존 TCP를 사용하는 어플리케이션을 그대로 사용이 가능하여야 한다.
이는 0% 패킷 손실률에서 평균 처리량 성능인 131Mbits/sec와 비슷한 수치이다. 또한 0.01% 패킷손실률 이상부터 평균 처리량 성능의 감소가 있지만 기존 LIA 혼잡제어보다 2배 이상의 성능을 보여주었다.
반면에 그림 9의 제안한 혼잡제어를 사용한 성능그래프를 보면 60초~90초 사이와 150초~180초 구간에 패킷 손실률을 적용한 Subflow의 성능이 감소하긴 하였지만 그림 8의 LIA 혼잡제어의 처리량 성능처럼 급격하게 감소하지 않으며 평균 40Mbps를 유지하였다. 또한 제안한 혼잡제어가 부하분산을 통하여 패킷 손실률이 없는 경로의 트래픽양이 소량 증가하는 모습을 확인 하였다. 소량 증가한 이유는 LIA 혼잡제어와 다르게 패킷손실률이 존재하는 Subflow의 처리량 성능이 완전하게 줄어들지 않았기 때문이다.
실험결과 먼저 그림 8의 LIA 혼잡제어를 사용한 성능그래프를 보면 60초~90초 사이와 150초~180초 구간에 패킷 손실률을 적용한 Subflow의 처리량 성능이 급격히 줄어 10Mbps 이하의 모습을 확인 할 수 있었다. 반면에 그림 9의 제안한 혼잡제어를 사용한 성능그래프를 보면 60초~90초 사이와 150초~180초 구간에 패킷 손실률을 적용한 Subflow의 성능이 감소하긴 하였지만 그림 8의 LIA 혼잡제어의 처리량 성능처럼 급격하게 감소하지 않으며 평균 40Mbps를 유지하였다. 또한 제안한 혼잡제어가 부하분산을 통하여 패킷 손실률이 없는 경로의 트래픽양이 소량 증가하는 모습을 확인 하였다.
본 실험을 통하여 제안한 혼잡제어가 무선 환경에서기존 손실기반 MPTCP 혼잡제어의 문제점으로 나타난 무선망의 높은 비트 에러에 의한 패킷손실로 인한 다중경로 성능저하를 줄이고 무선망에서 기존 MPTCP보다 다중 경로를 통한 전송효율 증가를 확인할 수 있었다.
실험결과 그림 6과 같이 0초에서 30초 사이에서는 100Mbps의 대역폭을 두 개의 Subflow가 나누어 사용하다가 30초부터 단일 TCP의 트래픽이 추가되어 MPTCP 전체 트래픽 전송량이 절반으로 줄어드는 것을 확인 할 수 있었다. 단일 TCP는 총 60초 동안 평균47Mbits/s의 성능을 보여주었으며 이는 100Mbps의 대역폭을 가진 공유링크에서 MPTCP와 단일 TCP가 서로 공평한 성능을 나누어가진 것으로 볼 수 있다.
실험결과 그림 7의 그래프를 보면 전체적으로 제안한 혼잡제어가 LIA 혼잡제어보다 더 높은 평균 처리량을 보여주었다. LIA 혼잡제어는 0.
실험결과 먼저 그림 8의 LIA 혼잡제어를 사용한 성능그래프를 보면 60초~90초 사이와 150초~180초 구간에 패킷 손실률을 적용한 Subflow의 처리량 성능이 급격히 줄어 10Mbps 이하의 모습을 확인 할 수 있었다. 반면에 그림 9의 제안한 혼잡제어를 사용한 성능그래프를 보면 60초~90초 사이와 150초~180초 구간에 패킷 손실률을 적용한 Subflow의 성능이 감소하긴 하였지만 그림 8의 LIA 혼잡제어의 처리량 성능처럼 급격하게 감소하지 않으며 평균 40Mbps를 유지하였다.
실험결과 무선망에서 MPTCP가 다중경로를 통한 트래픽을 전송 할 때 기존 손실기반 MPTCP 혼잡제어보다 제안한 혼잡제어가 무선 환경의 특징으로 인한 과도한 윈도우크기 감소를 줄일 수 있었으며 부하분산으로 인한 다중경로의 전송 효율의 감소를 줄일 수 있다.
제안한 혼잡제어를 이용하여 Subflow 2의 성능이 향상된 대신에 Subflow 1의 성능이 감소한 이유는 Subflow 2의 성능이 Subflow 1보다 높아져 공평성과 부하부산의 이유로 Subflow 1의 처리량 성능이 감소된 것이다. 실험결과 전체 트래픽의 41.7%를 Subflow 1을 통하여 전송되었으며 나머지 58.3%는 Subflow 2를 통하여 전송되었다. 이는 기존 MPTCP와 다르게 한쪽 경로에 의존적으로 성능이 치우치지 않으며 한 경로의 네트워크 상황이 좋지 않은 경우가 발생하더라도 부하 분산을 통하여 다중 경로를 통한 전송 효율 향상을 얻을 수 있다.
그 이유는 Subflow 2의 무선 환경의 특징으로 인한 무선 비트 에러를 혼잡으로 오인하여 혼잡제어를 수행하고 Subflow 2의 경로를 혼잡한 경로로 오인하여 MPTCP에서 부하분산이 일어났기 때문이다. 실험결과 전체 트래픽의 87.9%를 Subflow 1을 통하여 전송되었으며 나머지 12.1%는 Subflow 2를 통하여 전송되었다. 이는 Subflow 1에 의존적으로 트래픽 전송이 이루어진 것으로 LTE 네트워크의 상황이 좋지 않다면 더욱 좋지 않은 결과를 얻을 수 있다.
제안한 혼잡제어의 성능분석을 위해 무선 환경의 특성을 적용한 테스트베드와 실제 무선 네트워크에서 기존 MPTCP 혼잡제어와 비교 분석하였다. 실험결과 제안한 혼잡제어가 기존 MPTCP 혼잡제어보다 무선 환경에서 다중 경로를 통한 트래픽 전송 성능을 개선함을 확인하였다. 또한 기존 TCP와의 공평성 실험을 통하여 기존 TCP와의 공평성을 확인하였다.
MPTCP receiver의 다중 경로 구성은 양쪽 경로를 100Mbps 유선 랜으로 연결하였다. 이 때 실험 당시에 Subflow 1과 Subflow 2의 무선 비트 에러율을 각각의 Subflow 별로 UDP 트래픽을 전송하여 반복 측정 하였으며 그 결과 Subflow 1은 평균 0.005%의 비트 에러율을 보여주었으며 Subflow 2의 경우 평균 0.08%의 비트에러율을 보여주었다. MPTCP 설정으로 스케줄러는 LowRTT를 사용하고 경로관리는 설정하지 않았다.
단일 TCP는 총 60초 동안 평균47Mbits/s의 성능을 보여주었으며 이는 100Mbps의 대역폭을 가진 공유링크에서 MPTCP와 단일 TCP가 서로 공평한 성능을 나누어가진 것으로 볼 수 있다. 이를 통하여 제안한 MPTCP 혼잡제어가 기존 TCP와 공평성을 가지는 것을 확인할 수 있다.
제안한 혼잡제어가 무선 환경의 특성을 적용한 테스트베드에서 기존 혼잡제어와 비교하여 더 좋은 처리량 성능 결과를 보이고 공평성 평가에서도 MPTCP 목표에 부합하는 것을 확인하였다. 이를 바탕으로 본 장에서는 제안한 혼잡제어를 적용한 MPTCP를 실제 무선네트워크에서 실험하여 성능 분석을 하였다.
그 결과 그림 12의 제안한 혼잡제어 실험 결과 그래프를 보면 LTE를 사용하는 Subflow 1의 경우 Subflow 2와의 부하분산으로 인하여 이전 실험보다는 낮은 처리량 성능인 8Mbps가 나왔으며 WiFi를 사용하는 Subflow 2의 경우 평균 13Mbps가 나왔다. 제안한 혼잡제어를 이용하여 Subflow 2의 성능이 향상된 대신에 Subflow 1의 성능이 감소한 이유는 Subflow 2의 성능이 Subflow 1보다 높아져 공평성과 부하부산의 이유로 Subflow 1의 처리량 성능이 감소된 것이다. 실험결과 전체 트래픽의 41.
패킷손실률의 변화에 따른 혼잡제어 성능 분석을 통하여 제안한 혼잡제어가 무선 환경과 유사한 비트 에러에 의한 패킷손실이 발생하는 환경에서 기존 LIA 혼잡제어보다 MPTCP 성능저하를 줄이는 것을 확인하였다.
5% 패킷손실률 이상으로는 거의 패킷을 보내지 못하였다. 하지만 제안한 혼잡제어의 경우 0.01% 패킷 손실률까지 평균 129Mbits/sec 처리량 성능을 보여주었다. 이는 0% 패킷 손실률에서 평균 처리량 성능인 131Mbits/sec와 비슷한 수치이다.
실험결과 그림 5 (a)의 그래프를 보면 시간별 대역폭의 변화에 맞게 대역폭 측정값이 변화하는 모습을 보여주었다. 해당 실험을 통하여 제안한 혼잡제어의 대역폭측정 알고리즘이 정상적으로 동작함을 확인 할 수 있다.
후속연구
본 연구에는 대역폭 측정기술을 TCP Westwood 기반의 대역폭 측정기술을 이용하여 대역폭을 측정하여 사용하였지만, 차후 연구에는 대역폭 측정방법에 대한 새로운 방법을 제시하고 이를 적용하여 혼잡제어를 구현할 예정이다. 또한 다양한 환경에서의 성능 분석을 위해 이동단말에 MPTCP를 설치하고 제안한 혼잡제어를 이용하여 실험을 할 예정이다.
본 연구에는 대역폭 측정기술을 TCP Westwood 기반의 대역폭 측정기술을 이용하여 대역폭을 측정하여 사용하였지만, 차후 연구에는 대역폭 측정방법에 대한 새로운 방법을 제시하고 이를 적용하여 혼잡제어를 구현할 예정이다. 또한 다양한 환경에서의 성능 분석을 위해 이동단말에 MPTCP를 설치하고 제안한 혼잡제어를 이용하여 실험을 할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
TCPW는 무엇인가?
TCPW (TCP Westwood)는 종단 간 네트워크의 대역폭을 측정하고 측정한 결과 값을 이용하여 혼잡제어를 수행하는 기법이다. TCPW는 기존 TCP Reno 프로토콜 스택에서 송신자 측 알고리즘에 수정을 시도한 것이며 종단 간 대역폭 추정 법을 사용하여 네트워크 계층의 정보 없이도 네트워크 대역폭을 측정할 수 있다.
MPTCP를 이용하면 어떠한 효과를 얻을 수 있는가?
MPTCP (Multipath TCP) [1]는 2013년 IETF에서 표준화된 전송 계층 프로토콜로서 서로 다른 IP 주소를 가지고 있는 여러 개의 인터페이스를 이용하여 동시에 데이터 전송이 가능한 프로토콜이다. 이를 이용하여 무선 단말에게 많은 무선 자원을 할당하여 전송 효율성을 높일 수 있다. 하지만 MPTCP는 기존 TCP를 확장한 프로토콜로서 TCP를 사용하는 응용을 그대로 사용이 가능한 장점이 있지만 기존 TCP가 가진 문제가 MPTCP에서도 발생하는 단점을 가지고 있다.
ABE는 어떻게 구현되는가?
하지만 TCP Jersey의 경우 TCPW보다 좀 더 단순한 대역폭 측정법을 사용한다. TCP Jersey에서 사용하는 ABE (Available Bandwidth Estimator)는 네트워크 라우터에서 개별 TCP에서 차지하고 있는 대역폭을 추정하는 TSW (Time Sliding Window)[11]를 이용하여 구현된다. ABE는 송신측에 적용하여 매 RTT마다 최적 혼잡 윈도우 값을 계산하며 계산된 최적 혼잡 윈도우 값은 윈도우 감소가 필요 할 시에 cwnd와 ssthresh값으로 사용한다.
참고문헌 (15)
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iPerf - The TCP, UDP and SCTP network bandwidth measurement tool [Internet]. Available: https://iperf.fr/.
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