Multipath internet transport

Abstract

The proliferation of smartphones, with their multiple interfaces, and data servers, with their high-performance interconnection networks, has revived interest in multipath transport protocols. Multipath-TCP (MPTCP), the multipath extension of TCP, is currently available in the Apple iOS and Linux operating systems, enabling bandwidth aggregation, load balancing, and resilience to failures and disconnections due to mobility. However, the deployment of multipath transport is challenged by the address-based TCP/IP communication, which does not facilitate the seamless establishment of multiple paths among two end-points, and by the distributed hop-by-hop TCP/IP routing, which does not ensure the disjointness of the paths. Even when multiple paths are deployed, the use of many subflows is both a blessing and a curse for multipath TCP/IP protocols, as they tend to grasp an unfair share of bandwidth, thus becoming unfriendly to single-path TCP flows. The latest congestion control algorithms for MPTCP attempt to equalize the cumulative subflow throughput with the throughput of the fastest single-path flow in the same link, thus exchanging performance for TCP-friendliness. While TCP-friendly in the long run, these approaches exhibit high throughput convergence latency, thus being effective only for long-lived flows.Our contribution to multipath transport is two fold. First, we introduce themultipath multisource Transport Protocol (mmTP), a transport-layer protocol thatoffers reliable multipath and multisource content delivery in the Publish-SubscribeInternet (PSI) architecture. mmTP increases the utilization of network processingresources, exploits on-path and off-path caching and does not require additionalstate at routers, or complex signaling during connection establishment. Second,we propose a novel hybrid multipath congestion control algorithm that enhancesresource utilization through greedy friendliness, a design that meets the TCP-friendliness constraint only when is needed. The hybrid congestion control schemeconsists of the novel end-to-end Normalized Multiflow Congestion Control (NMCC)algorithm, which offers accurate and instant convergence to TCP-Friendliness, andan in-network topology management module, that provides disjoint paths whenpossible and notifies end-users about shared bottlenecks otherwise. We finallydiscuss the integration of the proposed designs with the TCP/IP architecture:mmTP through Software Defined Networking (SDN) and NMCC through MPTCP.

O διάδοση των συσκευών με πολλαπλές δικτυακές διεπαφές, όπως τα έξυπνα τηλέφωνα και οι εξυπηρετητές στα κέντρα πληροφορικής (data center), αναζωογόνησε το ενδιαφέρον για την μετάδοση περιεχομένου από πολλά μονοπάτια (multipath). H επέκταση του πρωτοκόλλου μετάδοσης TCP, που υποστηρίζει πολλά μονοπάτια, το Multipath-TCP (ΜPTCP), πλέον εμπεριέχεται στα λειτουργικά συστήματα iOS και Linux, παρέχοντας στους χρήστες επαυξημένο ρυθμό μετάδοσης, ισοσκελισμένη διανομή κίνησης δεδομένων και ενισχυμένη συνδεσιμότητα σε περίπτωση βλάβης ή αποσύνδεσης κινητών χρηστών. Ωστόσο, η χρήση πολλαπλών μονοπατιών μπορεί και να προκαλέσει το ζήτημα της φιλικότητας προς τις συνδέσεις ΤCP (TCP-Friendliness) κατά το οποίο τα πρωτόκολλα πολλών μονοπατιών <<αρπάζουν>> δυσανάλογα μεγάλο μερίδιο ρυθμού μετάδοσης. Oι πιο εξελιγμένοι αλγόριθμοι διαχείρισης συμφόρησης (congestion control) για το πρωτόκολλο MPTCP εξισώνουν το συνολικό ρυθμό μετάδοσης όλων των μονοπατιών με τον αντίστοιχο ρυθμό μετάδοσης της ταχύτερης σύνδεσης ΤCP, που χρησιμοποιεί τους ίδιους δικτυακούς πόρους. Κατά αυτό τον τρόπο δεν αναιρείται η φιλικότητα του πρωτοκόλλου αλλά μειώνεται η συνολική του απόδοση. Επιπλέον, αυτοί οι αλγόριθμοι συνήθως παρουσιάζουν αυξημένη καθυστέρηση σύγκλισης σε τερματική κατάσταση (steady state), οριοθετώντας έτσι την αποτελεσματικότητά τους σε μεταδόσεις που ζουν για μακρά χρονικά διαστήματα. Η συνεισφορά μας στην διαδικασία μετάδοσης περιεχομένου από πολλά μονοπάτια έχει δύο σκέλη. Αρχικά, παρουσιάζουμε το πρωτόκολλο multipath multisource Transport Protocol (mmTP), το οποίο αποτελεί μια διαστρωματωμένη (cross-layer) πρόταση για την αρχιτεκτονική Publish-Subscribe Internet (PSI) και συνδυάζει μετάδοση πληροφορίας μέσω πολλών μονοπατιών από πολλές πηγές. Βασικά πλεονεκτήματα του πρωτοκόλλου mmTP είναι η αξιοποίηση των επεξεργαστικών πόρων του δικτύου αλλά και της προσωρινής ενταμίευσης εντός και εκτός του μονοπατιού μετάδοσης (on-path and off-path caching), χωρίς να εισάγει κατάσταση στους δρομολογητές του δικτύου ή πολυπλοκότητα κατά την εγκαθίδρυση της σύνδεσης. Δεύτερον, παρουσιάζουμε ένα νέο υβριδικό σχήμα διαχείρισης δικτυακής συμφόρησης για το mmTP, το οποίο ενισχύει την αξιοποίηση των διαθέσιμων πόρων, την φιλικότητα προς τις συνδέσεις TCP αλλά και εισαγάγει την άπληστη φιλικότητα, μία μέθοδο αποδοτικότερης προσέγγισης της φιλικότητας. Το υβριδικό σχήμα αποτελείται από τον αλγόριθμο Normalized Mutiflow Congestion Control (NMCC), μία καινοτόμα πρόταση για διαχείριση συμφόρησης που εφαρμόζεται στα άκρα του δικτύου, και ένα μηχανισμό παροχής τοπολογικής πληροφορίας που επιτρέπει την εφαρμογή άπληστης φιλικότητας. Μέσω πειραμάτων σε ποικίλες δικτυακές συνθήκες αξιολογούμε το πρωτόκολλο mmTP και επικυρώνουμε ότι βελτιώνει την αξιοποίηση των δικτυακών πόρων αλλά και την φιλικότητα, η οποία διατηρείται σε όλες τις φάσεις της σύνδεσης. Τέλος, παρουσιάζουμε την ενσωμάτωση των προτεινόμενων μηχανισμών στην αρχιτεκτονική TCP/IP ως μέρος των τεχνολογιών Software Defined Networking (SDN) και MultiProtocol Label Switching (MPLS) αλλά και του πρωτοκόλλου ΜPTCP.