tcpオーバレイネットワークの...

TCPオーバレイネットワークの性能解析および評価

TCPオーバレイネットワークの性能解析および評価

大阪大学大学院情報科学研究科牧一之進

大阪大学大学院情報科学研究科牧一之進

2004/10/152004/10/15 22

Advanced Network ArchitectureOsaka University

発表内容発表内容

• 研究の背景• TCPオーバレイネットワーク• 性能評価

– 平均スループット解析– ドキュメント転送時間評価

• まとめと今後の課題

• 研究の背景• TCPオーバレイネットワーク• 性能評価

– 平均スループット解析– ドキュメント転送時間評価

• まとめと今後の課題

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研究の背景研究の背景

Trans-OceanTransTrans--OceanOcean

CDN / Media

Streaming

CDN / CDN / Media Media

StreamingStreaming

MobileMobileMobileSatelliteSatelliteSatellite

LANLANLAN

SAN / NAS

SAN / SAN / NASNAS

TCP connection

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現状の問題点現状の問題点

• 多種多様で高度なサービス要求– エンドホスト間での品質制御 (TCP, TFRC)

• ベストエフォート型のネットワークでは困難である– IP層での品質制御 (IntServ, DiffServ)

• スケーラビリティ・コスト面で困難である– アンダーレイ (MPLS, GMPLS)

• IP層での制御と同様にスケーラビリティ等に欠点がある

– ルーティングオーバレイ (RON, FBR)• ネットワーク特性計測のためのアクティブ計測、情報交換のためのシグナリングメッセージ等が必要である

• 多種多様で高度なサービス要求– エンドホスト間での品質制御 (TCP, TFRC)

• ベストエフォート型のネットワークでは困難である– IP層での品質制御 (IntServ, DiffServ)

• スケーラビリティ・コスト面で困難である– アンダーレイ (MPLS, GMPLS)

• IP層での制御と同様にスケーラビリティ等に欠点がある

– ルーティングオーバレイ (RON, FBR)• ネットワーク特性計測のためのアクティブ計測、情報交換のためのシグナリングメッセージ等が必要である

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MAC

IP

TCP

APP

MAC

IP

TCP

MAC

IP MAC

IP

TCP IP

TCP

APP

Split TCP connection

Regular TCP connection

Sender host

TCP proxy

TCP proxy

Router

Receiver host

TCPオーバレイネットワークTCPオーバレイネットワークMAC

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TCPオーバレイネットワークの利点TCPオーバレイネットワークの利点Mobile

Split TCP connection

SatelliteRTTを小さくできる

パケットロスからの回復を早くできる

機器を段階的に導入できる

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本発表の目的本発表の目的

• TCPコネクション分割機構を用いた場合の– 生存時間の長いTCPコネクションの平均スループットの評価

• TCP proxy導入によって、新たに生じる問題によるスループット低下の可能性

– 転送するドキュメントサイズが小さいTCPコネクションのドキュメント転送時間の評価

• TCP proxyにおける処理遅延orバッファリング遅延により、ドキュメント転送時間が増大する可能性

• TCPコネクション分割機構を用いた場合の– 生存時間の長いTCPコネクションの平均スループットの評価

• TCP proxy導入によって、新たに生じる問題によるスループット低下の可能性

– 転送するドキュメントサイズが小さいTCPコネクションのドキュメント転送時間の評価

• TCP proxyにおける処理遅延orバッファリング遅延により、ドキュメント転送時間が増大する可能性

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TCPコネクション分割機構TCPコネクション分割機構

Sender host

Receiver hostTCP proxy TCP proxy

SYNSYN

SYN

SYN+ACKSYN+ACKSYN+ACK

ACK+DATA1 ACK+DATA1ACK+DATA1

ACK1

ACK1

DATA1Buffering

ACK1DATA2+DATA3

DATA2+DATA3 DATA2+DATA3

FIN+DATANFIN+DATAN

FIN+DATANACKN ACKNFIN+ACK+ACKNFIN+ACK

FIN+ACK

ACK2+ACK3 ACK2+ACK3

ACK2+ACK3

〜〜

〜〜〜〜DATA2,3Buffering

DATA2,3Buffering

DATA1Bufferinglocal ACK

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TCP proxyの問題点TCP proxyの問題点

TCP proxy

受信バッファ送信バッファ

×送信側のコネクション受信側のコネクション

パケット廃棄

再送パケットが到着するまでデータの中継ができない

送信側のコネクションのパケットの転送が一時的にストップしてしまい, スループットが低下する

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PLAN1=0.00001 PWAN=0.01

Receiverhost

Senderhost

DLAN1=0.0005 [s] DWAN2=0.05 [s]

R1/P1 R2/P2

PLAN2=0.00001~0.1

DLAN2=0.005~0.5 [s]

BWLAN1

=10 [Gbps]BWWAN

=10 [Gbps]BWLAN2

=10 [Gbps]

LAN1 WAN LAN2

Case2

Case1

解析モデル解析モデル

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TCPコネクション分割機構によるスループット向上の割合

TCPコネクション分割機構によるスループット向上の割合

1e-005 0.0001 0.001 0.01 0.1 1P_LAN2 0.0001

0.001

0.01

0.1

1

D_LAN2 [s]1

1.5

2

2.5

3

3.5

Performance Ratio

Case1のスループット（文献[1]を利用）に対するCase2のスループット(文献[2]を利用)

常にCase2の方がスループットが高く、最大で3倍以上になっている

[1] J. Padhye et al, “Modeling TCP throughput: A simple modeland its empirical validation,” in Proceedings of ACM SIGCOMM’98, pp. 303-314, Sept. 1998.

[2] 牧一之進, 長谷川剛, 村田正幸, 村瀬勉, “TCPオーバレイネットワークにおけるTCPコネクション分割機構の性能解析,” 電子情報通信学会技術研究報告(IN03-198), Feb. 2004.

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FTP servers

FTP clients

Sf1

Sf300

Sw1

Sw500

Rf1

Rf300

Rw1

Rw500

5 [ms]

5 [ms]

30 [ms]

30 [ms]

30 [ms]

Link bandwidth: 100 [Mbps]

Router

Router with TCP proxy

シミュレーションモデルシミュレーションモデル

受信側のネットワークに、明示的にパケット廃棄率を0.01に設定

Web ServersWeb clients

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シミュレーション設定シミュレーション設定

• FTPコネクションはすべて分割される• WebコネクションはTCP proxyの分割方針によって一部のみ分割される

• Webサーバから転送するドキュメントサイズ分布およびドキュメント転送間隔は文献[3]を利用する

• FTPコネクションはすべて分割される• WebコネクションはTCP proxyの分割方針によって一部のみ分割される

• Webサーバから転送するドキュメントサイズ分布およびドキュメント転送間隔は文献[3]を利用する

[3] P. Barford et al., “Generating representative Web workloads for network and server performance evaluation,” in Proceedings of ACM SIGMETRICS International Conference on Measurement and Model of Computer Systems, pp. 151-160, July, 1998.

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Webコネクション分割の方針Webコネクション分割の方針• TCP proxyを通過する一部のコネクションを分割すると仮定

– 特定のユーザのコネクションのみを分割– ドキュメントサイズが大きいコネクションのみ分割– CPU負荷(1秒間にTCPプロキシに到着するパケット数と仮定)が低い場合にのみ分割

• あるコネクションのSYNパケットが到着したとき、

CPU負荷 < ならコネクション分割

(*) t： TCP proxy の1パケットあたりの処理時間

• TCP proxyを通過する一部のコネクションを分割すると仮定

– 特定のユーザのコネクションのみを分割– ドキュメントサイズが大きいコネクションのみ分割– CPU負荷(1秒間にTCPプロキシに到着するパケット数と仮定)が低い場合にのみ分割

• あるコネクションのSYNパケットが到着したとき、

CPU負荷 < ならコネクション分割

(*) t： TCP proxy の1パケットあたりの処理時間t

1

100

90・

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ドキュメント転送時間評価ドキュメント転送時間評価

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0.1 1 10 100

CD

F

File Transfer Delay [s]

SYNを送信し始めてから要求したドキュメントをすべて受信するまでの時間

split (all)

split (low)

split (high)

nonsplit (all)nonsplit (low)nonsplit (high)

分割されたWebコネクションの全ドキュメント

分割されたWebコネクションのうちドキュメントサイズ分布の上位10%

分割されたWebコネクションのうちドキュメントサイズ分布の下位10%

分割されなかったWebコネクション

分割されたWebコネクションのドキュメント転送時間を小さくできる

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まとめと今後の予定まとめと今後の予定

• まとめ– TCPコネクション分割機構を用いることによって平均スループットが向上する

– CPU負荷に応じてコネクション分割することにより、ドキュメント転送時間が小さくなる

• 今後の予定– TCPオーバレイネットワークのためのネットワーク制御

• 最適なプロキシの発見・利用• プロキシ/ネットワーク高負荷等による利用プロキシの切替

• まとめ– TCPコネクション分割機構を用いることによって平均スループットが向上する

– CPU負荷に応じてコネクション分割することにより、ドキュメント転送時間が小さくなる

• 今後の予定– TCPオーバレイネットワークのためのネットワーク制御

• 最適なプロキシの発見・利用• プロキシ/ネットワーク高負荷等による利用プロキシの切替

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