[논문]Bufferbloat 환경에서 MPTCP 성능 개선을 위한 대역폭 측정 기반 스케줄러 설계

김민섭; 한기문; 이재용; 김병철

doi:10.6109/jkiice.2017.21.8.1508

Bufferbloat 환경에서 MPTCP 성능 개선을 위한 대역폭 측정 기반 스케줄러 설계
Design of Bandwidth Measurement based Scheduler for Improving MPTCP Performance in Bufferbloat Environment 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.21 no.8, 2017년, pp.1508 - 1516

김민섭 (Department of Radio and Information Communications Engineering, Chungnam National University) , 한기문 (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
AI-Helper

Multipath TCP (MPTCP)는 다중 경로를 지원하는 전송계층 프로토콜이다. MPTCP가 가진 다중 경로 중에서 한 경로에 지연시간이 급격히 증가하는 "bufferbloat"가 발생하게 된다면 경로 간의 패킷 도착시간 차이로 수신버퍼에서 HoL blocking이 발생하여 bufferbloat가 발생된 경로뿐만 아닌 다른 경로의 성능도 저하되는 문제가 있다. 본 논문에서는 이와 같은 문제를 해결하기 위해 대역폭 측정 기반의 스케줄러를 제안한다. 대역폭 측정 기반 스케줄러는 각 서브플로우의 대역폭을 측정하여 이를 기반으로 패킷 스케줄링을 하도록 설계하였다. 제안한 스케줄러 검증을 위해 리눅스커널에 제안한 스케줄러를 구현하고 bufferbloat가 발생하는 테스트베드를 구성하여 기존 MPTCP와 비교분석 하였다. 실험결과 제안한 스케줄러가 bufferbloat 환경에서 기존 MPTCP보다 성능이 크게 개선됨을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Multipath TCP (MPTCP) is a transport layer protocol that supports multipath transmission. If a bufferbloat occurs in one of the subflows of MPTCP, HoL blocking occurs at the receiver due to the difference in packet arrival time among paths. In MPTCP, HoL blocking degrades not only the performance of the path where bufferbloat occurs, but also the performance of other paths. In this paper, we propose a bandwidth measurement based scheduler to solve this problem. Bandwidth measurement based scheduler is designed to measure the bandwidth of each subflow and to perform packet scheduling based on it. In order to verify the proposed scheduler, we implemented the proposed scheduler in the Linux kernel and constructed a testbed in which bufferbloat occurs. Experimental results show that the proposed scheduler has better performance than the legacy MPTCP in bufferbloat environment.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이러한 기존 해결방법들은 HoLblocking이 발생하면 이를 대처하기 위한 방법으로 HoL blocking을 미연에 방지할 수 없다. 따라서 본 논문에서는 MPTCP가 가진 서브플로우의 대역폭을 지속적으로 측정하고 이를 기반으로 경로 별 대역폭에 비례한 패킷 스케줄링을 통하여 HoL blocking 문제를 사전에 방지하고자 한다.
본 논문에서는 MPTCP에서 bufferbloat로 인한 HoLblocking을 방지하기 위해 대역폭 측정 기반 스케줄링을 제안한다. 제안한 스케줄러는 각 경로의 가용 대역폭을 지속적으로 측정하고 측정된 대역폭으로 각 경로별 예상 윈도우를 계산한다.
본 논문에서는 bufferbloat 환경에서 HoL blocking으로 인한 MPTCP 성능저하를 해결하기 위해서 대역폭 측정 기법을 이용한 대역폭 기반 스케줄러를 제안하였다. 이는 bufferbloat의 근본원인이 전송대역폭이 급변하는 네트워크 환경에서 발생하기 때문에 대역폭 급감을 스케줄러에 반영하기 위해서였다.
대역폭 측정 기법을 사용한 TCP 프로토콜은 TCP Westwood [6]와 이를 개선한 TCP Westwood+ 그리고 TCP TIBET, TCP Jersey [7-9]등이 있다. 본 절에서는 TCP 대역폭 측정기법의 시작인 TCP Westwood의 대역폭 측정 기법에 대해서 소개한다.
그리고 계산 된 예상 윈도우 값을 이용하여 각 경로 별로 대역폭에 알맞은 패킷 양을 할당하는 방식으로 동작한다. 이 방안은 급격히 대역폭이 저하되는 subflow의 인입 데이터를 줄여주어 사전에 HoL blocking을 해결하고자 제안하였다.

제안 방법

bufferbloat 발생의 근본원인은 전송대역폭이 급감하기 때문이므로 제안한 스케줄러는 bufferbloat를 예측하기 위해 대역폭 측정을 사용하여 설계하였다. 제안한 스케줄러는 대역폭 측정 기법을 적용하여 각 서브플로우의 가용 대역폭을 측정하고 측정한 대역폭의 비율에 맞추어 서브플로우 별 전송 스케줄링을 하는 방식으로 동작한다.
90을 설치하였다. 그리고 UDP sender와 receiver를 크로스 케이블로 각 서브플로우에 연결하여 공유링크를 구성하였다. 다음으로 테스트베드에 bufferbloat 환경을 구현하기 위해서 각 서브플로우의 공유링크 노드들의 송신 큐 크기를 변경하였다.
그리고 UDP sender와 receiver를 크로스 케이블로 각 서브플로우에 연결하여 공유링크를 구성하였다. 다음으로 테스트베드에 bufferbloat 환경을 구현하기 위해서 각 서브플로우의 공유링크 노드들의 송신 큐 크기를 변경하였다. 리눅스에서 기본 송신 큐의 크기는 1000 패킷이지만 공유링크 노드 송신 큐 사이즈는 운영체제가 가질 수 있는 최대 크기 패킷으로 설정하였다.
먼저 제안한 스케줄러의 대역폭 측정 기법은 2.3절에서 소개한 TCP Westwood의 대역폭 측정 기법을 기반으로 설계하였다. 그림 4는 제안한 스케줄러의 대역폭 측정 pseudo code이다.
실험은 구성한 테스트베드에서 MPTCP 트래픽을 50초 동안 발생을 시키고 10초~20초 구간에서 Subflow 2에 80Mbps의 UDP 트래픽을 10초간 발생시켰으며 30초~40초 구간에서 Subflow 1에 80Mbps의 UDP 트래픽을 10초간 발생시켜 양 쪽 서브플로우에서 bufferbloat 현상이 발생하도록 하였다. 실험순서는 Round-robin 스케줄러와 LowRTT 스케줄러 [16], 제안한 스케줄러 순서로 진행하였다. 실험 결과로 그림 7과 그림 8은 각MPTCP 스케줄러 별 처리량 성능과 RTT를 그래프로 나타내었다.
실험은 구성한 테스트베드에서 MPTCP 트래픽을 50초 동안 발생을 시키고 10초~20초 구간에서 Subflow 2에 80Mbps의 UDP 트래픽을 10초간 발생시켰으며 30초~40초 구간에서 Subflow 1에 80Mbps의 UDP 트래픽을 10초간 발생시켜 양 쪽 서브플로우에서 bufferbloat 현상이 발생하도록 하였다. 실험순서는 Round-robin 스케줄러와 LowRTT 스케줄러 [16], 제안한 스케줄러 순서로 진행하였다.
그리고 식 (2)을 사용하여 각 서브플로우의 대역폭에 알맞은 윈도우 크기를 계산한다. 이 경우도 TCP Westwood의 경우 RTT_min을 사용하지만 제안한 알고리즘은 sRTT를 사용하여 이상적인 윈도우 크기를 계산하도록 설계하였다.
본 논문에서는 MPTCP에서 bufferbloat로 인한 HoLblocking을 방지하기 위해 대역폭 측정 기반 스케줄링을 제안한다. 제안한 스케줄러는 각 경로의 가용 대역폭을 지속적으로 측정하고 측정된 대역폭으로 각 경로별 예상 윈도우를 계산한다. 그리고 계산 된 예상 윈도우 값을 이용하여 각 경로 별로 대역폭에 알맞은 패킷 양을 할당하는 방식으로 동작한다.
이는 bufferbloat의 근본원인이 전송대역폭이 급변하는 네트워크 환경에서 발생하기 때문에 대역폭 급감을 스케줄러에 반영하기 위해서였다. 제안한 스케줄러는 각각의 서브플로우의 가용 대역폭을 측정하고 이를 바탕으로 각 경로 별 대역폭 크기에 비례하여 패킷 스케줄링을 하도록 설계하였다. 제안한 스케줄러는 리눅스커널에 구현하였으며 bufferbloat가 발생하는 테스트베드를 구성하여 기존 MPTCP 스케줄러와 비교 분석하였다.
bufferbloat 발생의 근본원인은 전송대역폭이 급감하기 때문이므로 제안한 스케줄러는 bufferbloat를 예측하기 위해 대역폭 측정을 사용하여 설계하였다. 제안한 스케줄러는 대역폭 측정 기법을 적용하여 각 서브플로우의 가용 대역폭을 측정하고 측정한 대역폭의 비율에 맞추어 서브플로우 별 전송 스케줄링을 하는 방식으로 동작한다.
TCP Westwood의 동작은 TCP Reno 프로토콜 스택에서 송신측 알고리즘을 일부 수정 한 것으로 일반적인 동작은 TCP Reno와 동일하게 동작한다. 하지만 TCP Reno와 다르게 종단 간 대역폭 측정을 지속적으로 수행하고 측정한 대역폭을 이용하여 이상적인 윈도우 크기를 계산한다. 그리고 손실이 발생한 경우 TCP Reno는 윈도우 크기를 절반으로 줄이지만 TCP Westwood의 경우 측정 대역폭으로 계산한 윈도우 크기로 줄이게 된다.

데이터처리

MPTCP 설정은 혼잡제어로 LIA 혼잡제어[16]를 사용하고 경로관리는 설정하지 않았다. MPTCP스케줄러는 제안한 스케줄러와의 성능을 비교하기 위해서 LowRTT [17]와 Round-robin을 사용하여 실험을 진행하였다. 그리고 네트워크 성능 측정 툴로는 iperf[18]를 사용하여 TCP 트래픽과 UDP 트래픽을 발생시켰다.
bufferbloat 환경을 구현한 테스트베드에서 기존 스케줄러와 제안한 스케줄러를 실험한 결과를 바탕으로 비교분석을 하였다. 표 1은 기존 스케줄러와 제안한 스케줄러의 총 전송량과 최대 RTT 증가량에 대해서 비교한 것으로 총 전송량에서 Round-robin 스케줄러가 가장 낮은 전송량을 보여주었으며 제안한 스케줄러는 가장 높은 전송량을 보였다.
Ⅲ장에서는 bufferbloat로 인한 MPTCP 성능저하 문제와 이를 해결하기 위한 기존연구를 기술하며 제안한 스케줄링 알고리즘을 소개한다. Ⅳ장에서는 제안한 스케줄러를 bufferbloat 환경을 구성한 테스트베드에서 기존 MPTCP 스케줄러와 비교 분석 하였다. 마지막으로 5장에서는 본 논문의 결론을 맺는다.
제안한 스케줄러는 각각의 서브플로우의 가용 대역폭을 측정하고 이를 바탕으로 각 경로 별 대역폭 크기에 비례하여 패킷 스케줄링을 하도록 설계하였다. 제안한 스케줄러는 리눅스커널에 구현하였으며 bufferbloat가 발생하는 테스트베드를 구성하여 기존 MPTCP 스케줄러와 비교 분석하였다.
제안한 스케줄러의 성능분석을 위해 bufferbloat가 발생하는 네트워크 환경을 구성한 테스트베드를 구성하고 제안한 스케줄러와 기존 MPTCP 스케줄러를 비교분석하였다. 실험결과 제안한 스케줄러가 기존 MPTCP스케줄러보다 bufferbloat 환경에서 다중 경로를 통한트래픽 전송 성능을 크게 개선함을 확인하였다.

이론/모형

제안한 스케줄러의 구현을 위해 리눅스 MPTCP kernel v.90 [15]버전의 Round-robin 스케줄러에 제안한 스케줄러 알고리즘을 적용하였다. 다음 장에서는 bufferbloat 환경을 구성한 테스트베드에서 실험을 진행한 결과에 대해서 살펴보겠다.

성능/효과

제안한 스케줄러의 경우 대역폭을 측정하고 대역폭에 비례하여 패킷 스케줄링을 하기 때문에 그림7(c)에서 10초~20초 bufferbloat 구간에서는 Subflow2는 UDP트래픽을 제외한 남은 대역폭만큼 전송하고 Subflow1는 100Mbps를 유지하는 것을 확인하였다. 그리고 다음 bufferbloat 구간인 30초~40초에서도 Subflow1은 UDP트래픽을 제외한 남은 대역폭만큼 전송하고 Subflow2는 100Mbps를 유지하는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 제안한 스케줄러에서 bufferbloat가 발생한 10초~20초, 30초~40초 구간에서 가용 대역폭 20M를 측정하여 2:10의 비율로 패킷을 스케줄링 하였기 때문이다.
표 1은 기존 스케줄러와 제안한 스케줄러의 총 전송량과 최대 RTT 증가량에 대해서 비교한 것으로 총 전송량에서 Round-robin 스케줄러가 가장 낮은 전송량을 보여주었으며 제안한 스케줄러는 가장 높은 전송량을 보였다. 그리고 최대 RTT에서는 Low-RTT 스케줄러가 가장 좋지 않은 결과를 보여주었으며 제안한 스케줄러는 기존의 Round-robin 스케줄러, Low-RTT 스케줄러와 다르게 최대 RTT가 가장 낮은 것을 볼 수 있다.
다음으로 LowRTT 스케줄러는 50초 동안 평균 142Mbits/s의 전송속도로 총 893Mbytes를 전송하였다. LowRTT 스케줄러는 RTT를 기반으로 RTT가 작은 경로를 우선적으로 스케줄링하고 느린 경로에 윈도우 크기를 절반씩 줄이는 페널티를 부여하는 스케줄러이다.
마지막으로 제안한 스케줄러는 50초 동안 평균 168Mbits/s의 전송속도로 총 1056Mbytes를 전송하여 3개의 스케줄러 중에서 가장 우수한 처리량 성능을 보여주었다. 제안한 스케줄러의 경우 대역폭을 측정하고 대역폭에 비례하여 패킷 스케줄링을 하기 때문에 그림7(c)에서 10초~20초 bufferbloat 구간에서는 Subflow2는 UDP트래픽을 제외한 남은 대역폭만큼 전송하고 Subflow1는 100Mbps를 유지하는 것을 확인하였다.
본 실험을 통하여 제안한 스케줄러는 대역폭 측정 기법을 이용하여 각 서브플로우의 가용 대역폭 크기를 측정하고 측정한 대역폭 크기에 비례한 패킷 스케줄링으로 bufferbloat 환경에서 HoL blocking 현상을 미연에 방지하여 MPTCP 성능저하를 줄였다.
제안한 스케줄러의 성능분석을 위해 bufferbloat가 발생하는 네트워크 환경을 구성한 테스트베드를 구성하고 제안한 스케줄러와 기존 MPTCP 스케줄러를 비교분석하였다. 실험결과 제안한 스케줄러가 기존 MPTCP스케줄러보다 bufferbloat 환경에서 다중 경로를 통한트래픽 전송 성능을 크게 개선함을 확인하였다.
마지막으로 제안한 스케줄러는 50초 동안 평균 168Mbits/s의 전송속도로 총 1056Mbytes를 전송하여 3개의 스케줄러 중에서 가장 우수한 처리량 성능을 보여주었다. 제안한 스케줄러의 경우 대역폭을 측정하고 대역폭에 비례하여 패킷 스케줄링을 하기 때문에 그림7(c)에서 10초~20초 bufferbloat 구간에서는 Subflow2는 UDP트래픽을 제외한 남은 대역폭만큼 전송하고 Subflow1는 100Mbps를 유지하는 것을 확인하였다. 그리고 다음 bufferbloat 구간인 30초~40초에서도 Subflow1은 UDP트래픽을 제외한 남은 대역폭만큼 전송하고 Subflow2는 100Mbps를 유지하는 것을 확인하였다.
bufferbloat 환경을 구현한 테스트베드에서 기존 스케줄러와 제안한 스케줄러를 실험한 결과를 바탕으로 비교분석을 하였다. 표 1은 기존 스케줄러와 제안한 스케줄러의 총 전송량과 최대 RTT 증가량에 대해서 비교한 것으로 총 전송량에서 Round-robin 스케줄러가 가장 낮은 전송량을 보여주었으며 제안한 스케줄러는 가장 높은 전송량을 보였다. 그리고 최대 RTT에서는 Low-RTT 스케줄러가 가장 좋지 않은 결과를 보여주었으며 제안한 스케줄러는 기존의 Round-robin 스케줄러, Low-RTT 스케줄러와 다르게 최대 RTT가 가장 낮은 것을 볼 수 있다.

후속연구

하지만 제안한 스케줄러는 기존의 연구되어왔던 스케줄러와 다르게 느린 경로에 대한 페널티를 부여하지 않고 측정 대역폭에 비례한 패킷 스케줄링만 구현하였기 때문에 성능을 개선하기 위해서는 느린 경로에 페널티를 부여하는 알고리즘을 추가로 필요하다. 차후 연구에는 대역폭 측정 기반 스케줄러에 페널티를 부여하는 방법을 추가할 예정이다.
그에 반해 대역폭 기반 스케줄러의 경우 대역폭에 비례하여 패킷을 스케줄링 하도록 설계되어있기 때문에 HoL blocking이 발생하는 것을 방지 하는 효과를 볼 수 있었다. 하지만 제안한 스케줄러는 기존의 연구되어왔던 스케줄러와 다르게 느린 경로에 대한 페널티를 부여하지 않고 측정 대역폭에 비례한 패킷 스케줄링만 구현하였기 때문에 성능을 개선하기 위해서는 느린 경로에 페널티를 부여하는 알고리즘을 추가로 필요하다. 차후 연구에는 대역폭 측정 기반 스케줄러에 페널티를 부여하는 방법을 추가할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	MPTCP의 장점은 무엇인가?	이전에 다중 경로를 지원하는 전송 계층프로토콜은 SCTP [4]가 제안되었으나 NAT와 같은 네트워크 환경에서 정상적으로 동작 하지 않으며 기존 TCP와 UDP로 구성된 응용계층에서 모두 SCTP로 변경해야 하는 문제가 발생하였다. 하지만 MPTCP는 기존 TCP 프로토콜에 옵션을 확장하였기 때문에 NAT 문제를 해결하고 기존 TCP 응용을 그대로 사용할 수 있다는 장점을 가진다.
	HoLblocking 현상은 어떻게 발생하는가?	그리고 bufferbloat 현상은 큰 버퍼로 인하여 Round Trip Time (RTT)이 급격하게 증가하여 TCP 성능저하에 원인이 된다. 이러한 성능저하는 기존 TCP를 확장한 Multipath TCP (MPTCP) [2]에서도 발생하는데 한쪽 경로가 bufferbloat로 인해 지연시간이 급격하게 늘어나게 되면 다른 경로로 먼저 도착한 패킷이 bufferbloat로 도착하지 못한 패킷이 도착할 때 까지 대기하고 있는 상태가 발생한다. 이러한 현상을 HoL(Head-of-Line)blocking [3]이라 부르며 HoL blocking은 MPTCP의 전체적인 성능저하를 가지고 온다.
	MPTCP란 무엇인가?	MPTCP는 2013년 IETF에서 표준화된 전송 계층 프로토콜로서 서로 다른 IP 주소를 가지고 있는 여러 개의 인터페이스를 이용하여 동시에 데이터 전송이 가능한 프로토콜이다. 이전에 다중 경로를 지원하는 전송 계층프로토콜은 SCTP [4]가 제안되었으나 NAT와 같은 네트워크 환경에서 정상적으로 동작 하지 않으며 기존 TCP와 UDP로 구성된 응용계층에서 모두 SCTP로 변경해야 하는 문제가 발생하였다.

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