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무선 환경에서 MPTCP 성능 개선을 위한 대역폭 측정 기반 혼잡 제어 설계
Design of MPTCP Congestion Control based on BW measurement for Wireless Networks 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.21 no.6, 2017년, pp.1127 - 1136  

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)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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.
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참고문헌 (15)

  1. A. Ford, C. Raiciu, M. Handley, and O. Bonaventure, "TCP Extensions for Multipath Operation With Multiple Addresses," Internet Requests for Comments, IETF, RFC 6824, Jan. 2013. 

  2. F. Lefevre and G. vivier, "Understanding TCP's behavior over wireless links," In Proceeding of the 20th IEEE Symposium on Communications and Vehicular technology, Leuven, pp. 123-130, Aug. 2000. 

  3. C. Raiciu, M. Handley, and D. Wischik, "Coupled Congestion Control for Multipath Transport Protocols," Internet Requests for Comments, IETF, RFC 6356, Oct. 2011. 

  4. R. Khalili, N. Gast, M. Popovic, U. Upadhyay, and J. Y. Le Boudec, "Non-Pareto Optimality of MPTCP: Performance Issues and a Possible Solution," IEEE/ACM Transactions on Networking, vol. 21, no. 5, pp. 1651-1665, Oct. 2013. 

  5. R. Stewart, "Stream Control Tramsmission Protocol," Internet Requests for Comments, IETF, RFC 4960, Sep. 2007. 

  6. C. Raiciu, C. Paasch, S. Barre, A. Ford, M. honda, F. Duchene, O. Bonaventure, and M. Handley. "How hard can it be? designing and implementing a deployable multipath tcp," in Proceeding of 9th USENIX Symposium on Networked Systems Design and Implementation, Boston, pp. 29-29, Apr. 2012. 

  7. S. Mascolo, C. Casetti, M. Gerla, M. Y. Sanadidi and R. Wang, "TCP Westwood: Bandwidth Estimation for Enhanced Transport over Wireless Links," in Proceeding of the 7th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking, Rome, July. 2001. 

  8. L. A. Grieco and S. Mascolo, "Performance evaluation and comparison of Westwood+, New Reno, and Vegas TCP congestion control," ACM Computer Communication Review, vol. 34, no. 2, pp. 25-38, Apr. 2004. 

  9. K. Xu, Y. Tian, and N. Ansari, "TCP-Jersey for Wireless IP Communications," In IEEE Journal on Selected Areas in Communication, vol. 22, no. 4, pp. 747-756, May 2004. 

  10. K. J. Astrom, Computer Controlled Systems, Theory and Design, 3th ed. Prentice-Hall. p. 294, 1990. 

  11. D. D. Clark and W. Fang, "Explicit allocation of best effort packet delivery service," IEEE/ACM Transactions on Networking, vol. 6, no. 4, pp. 362-373, Aug. 1998. 

  12. MultiPath TCP Linux Kernel implementaion [Internet]. Available: http://mptcp.info.ucl.ac.be/ 

  13. M. Carbone, L. Rizzo, "Dummynet Revisited", ACM SIGCOMM Computer Communication Review, vol. 40, Issue. 2, pp. 12-20, Mar. 2010. 

  14. JH. Hwang, J. Yoo, "Packet scheduling for Multipath TCP", in Proceeding of the 7th International Conference on Ubiquitous and Future Networks, Sapporo, pp. 177-179, July 2015. 

  15. iPerf - The TCP, UDP and SCTP network bandwidth measurement tool [Internet]. Available: https://iperf.fr/. 

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