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"Exploring Mobile Wifi Handler with Multipath TCP" を読んだ

PDFは下記リンクを．論文タイトルで調べると出てくる．

Exploring Mobile/WiFi Handover with Multipath TCP - IP Networking Lab

自分が後で見返すことを意図したメモである．

[TOC]

内容

Abstract

モバイルデータネットワークにおけるデータトラフィックは成長を続けている．

モバイルオペレータは，3G・4Gネットワークですべてのトラフィックを捌くことに苦労していて，Wi-Fiへのオフロードも検討されている．

MPTCPを使えば，一つのコネクションで複数のインターフェースを同時に使うことができる．

この論文では，現在のインターネットにおいて，MPTCPで3G/WiFiハンドオーバが実現可能であることを証明する．

エネルギー消費とハンドオーバーパフォーマンスを複数のモードで解析し，VoIPのような要求の厳しいアプリケーションに置いても，スムーズなハンドオーバを妥当なパフォーマンスで行えることがわかった．

Introduction

3Gで成長するバンド幅をサポートするのは難しい．専門家は，バンド幅の要求は今後も増え続け，4GやLTEなどの新しいセルラー技術の導入も，要求を満たさないだろうとしている．

セルラーデータネットワークと並行して，WiFiも継続して導入されている．

デバイスが移動中に，複数のリンクを同時に，または選択的に使うことができれば，ユーザ体験は向上するだろう．

MPTCPでは，ハンドオーバが起こる際に，TCP接続を再度スタートする必要はない．

MPTCPが，実際のワイヤレスネットワーク・アプリケーションでどのように振る舞うのか理解することが目標だ．そのような評価を行うことで，Linux MPTCPスタックを，WiFi/3Gハンドオーバをより良くサポートするように最適化することができる．

MPTCPをモバイルで走らせることの主な懸念点はエネルギー消費だ．

Nokia N950でMPTCPでのエネルギー消費を計測した．結果，複数のインターフェースを使うと，より良いスループットを得られるが，エネルギーコストが高い．

そのため，3つのハンドオーバーモードを用意し，3GからWiFiにハンドオーバする際のパフォーマンスを計測した．

MPTCPは，アプリケーションへ，接続を提供しながら，WiFiから3Gへのスムーズなハンドオーバを可能にする．

最後に，ハンドオーバの遅延を有意に減らす，MPTCPプロトコルへのマイナーチェンジを提案する．

メモ: このプロトコルへの提案についての部分は読めていない．

Handover Modes

ユーザから見て，以下の3つの重要な懸念事項がある．

• データ転送のパフォーマンス

• バッテリー消費

• トラフィックの値段

これを踏まえて，MPTCPで，ほとんどのユーザのニーズを満たす3つのモードを実装した．

• Full-MPTCP Mode
  • すべてのインターフェースを使い，データ転送を行う．
• Backup Mode
  • すべてのインターフェースでサブフローを作成するが，データ転送には，そのサブセットのみを用いる．
• Single-path Mode
  • 一つのサブフローのみを用い，インターフェースがダウンし，新しいインターフェースが必要になった際に，新しいサブフローを作成する．

Evaluation

それぞれのハンドオーバモードを用いたときのパフォーマンスのトレードオフを示す．

3GとWiFiネットワーク両方に接続されたクライアントを利用し，サーバ・クライアントはMPTCPカーネル実装を実行する．

この計測では，MPTCPの2つの使われ方に焦点を当てる．

• MPTCPコネクションで，バルクデータ転送とVoIPアプリケーション上で，違ったハンドオーバモードを使用した際の，ハンドオーバのパフォーマンスへの影響

• 3G・WiFiを利用したときのMPTCPのエネルギー使用量

ハンドオーバの実験はクライアントがWiFiと3Gネットワークで接続したところから開始し，そして5秒後にADSLルータ上のWiFIインターフェースを無効化する． これはモバイルユーザがWiFiの範囲から移動したことをエミュレートする． クライアントはWiFiネットワークの障害を検知し，3Gコネクションのみを使うように切り替える．

Download Goodput

シンプルなHTTPアプリケーションでの，垂直ハンドオーバー中のgoodputを計測する．

元論文中の Figure 1を参照

backup-modeとFull-MPTCPは，WiFiネットワークが使用不可になったときに既に3Gネットワーク上でのサブフローが確立されている． その他の2つは，3Gインターフェースがアイドル状態から復帰するため，時間に影響が出ている．
3Gインターフェースを強制的にアクティブにして測定したところ，バックアップモードとシングルパスモードの間に大きな違いはなかった．

Application Delay

VoIP・ストリーミングアプリケーションにおいて，アプリケーションの遅延は重要なメトリックである．

タイムスタンプでタグ付けしたデータのブロックを送信し，アプリケーションの遅延を測定した． 各ブロックを受信すると，受信側のタイムスタンプと一緒に送信タイムスタンプを保存する． このタイムスタンプの差で，アプリケーションの遅延の変動を得ることができる．

サーバからクライアントに500Kbsデータを送信し，5秒後にWiFiインターフェースをダウンさせた．

500Kbsは，WiFiインターフェースのパイプを満たさず，Full-MPTCPモードでも3Gインターフェースは使われない．そのため，Backup-Modeは，Full-MPTCPモードと変わらないため，ここでは表示していない．

元論文中の Figure 2(a) を参照

Single-Pathモードでは，WiFiインターフェースはダウンする前に3Gインターフェースのサブフローを確立していないため，3Gインターフェースはそれまでアイドル状態になっている．アイドル状態から復帰するのに2秒ほどかかる．

3Gインターフェースを強制的に有効にした場合，以下のようになった．

元論文中の Figure 2(b) を参照

この場合，Single-Path modeでの新しいサブフローの確立による影響は少ない．

Full-MPTCP modeで，少しピークがあるのは，

• Remove Adressオプションを送信する必要がある

• 3Gインターフェースの輻輳ウィンドウが十分に成るまで時間がかかっている

という理由からである．

Impact on Exiting Applications

MPTCPはsocket APIを変更しないため，あらゆるTCPアプリケーションに対して透過的である．

ここでは，Skypeを用いて実験する．Skypeは，TCPとUDP上で動くVoIPアプリケーションであり，厳しいパケットレベルの制約がある．

7秒後にWiFiアクセスポイントをダウンさせた．MPTCPはアプリケーションへの影響なく，シームレスに3Gへのハンドオーバを実行した．

元論文中の Figure 3 を参照

Wi-Fiアクセスポイントがダウンしてから少し間があるのは，MPTCPが失敗を検知して，他のサブフローでデータを再送(Full-MPTCP Mode)するか，新しくサブフローを確立(Single-Path Mode)する必要があるからだ．

Energy Consumption

スマートフォンのバッテリーライフタイムは限られており，これはMPTCPを利用することのエネルギー消費への影響を理解し，レギュラーなTCPと比較するにあたって重要である．

MPTCPのLinuxカーネル実装をNokia N950にポートし，正確にエネルギー消費を計測できるようにした．

計測中の合計消費電力量を計測し，アプリケーションによって送信されたビット数で割った．これで，MPTCPのエネルギー消費におけるオーバーヘッドを考慮することができる．

評価では，3G・WiFiそれぞれを利用したレギュラーTCPとMPTCPを利用して，MPTCPが有効なWebサーバからファイルをダウンロードする．

2つの代表的なシナリオを考慮する．

• 1MBのファイルを繰り返しダウンロード

• 小さなファイル(100kb)を5秒の間を開けて繰り返しダウンロード

それぞれ，大きなファイルのダウンロードとWebブラウジングに対応している．

元論文中のFigure 4を参照

1番目のシナリオに置いて，低いスピードでは，レギュラーなTCPでは，WiFiは3Gと比べて半分ほどのエネルギー消費になっている．これは，N950のWiFiインターフェースは素早く energy-saving modeに切り替えることができるからだ．いくつかのパケットが生成されるとエネルギーをセーブできる．

対して，3Gはエネルギー消費がより高い．

MPTCPで両方のインターフェースを使う場合，ダウンロードは2倍早く終わり，エネルギー消費はWiFiのみ，3Gのみの場合の間だった．

元論文中 Figure 5を参照

2番目のシナリオにおいて，3Gインターフェースにパケットが渡されない場合でも，WiFiインターフェースとは違って，3Gインターフェースは直接 energy-saving mode に切り替えない．

Nokia N950では，このプロセスに7秒かかる．この7秒間の間，インターフェースはエネルギーを消費し続ける．これは tail-energy と呼ばれる．

Summary of Experiments

• アプリケーションを変更することなく，skypeをハンドオーバーさせ，機能させることが出来た．

  • 知る限り，実際のアプリケーション・ネットワークでハンドオーバーをした初めての実験

• Nokia N950では，3Gインターフェースはバッテリーライフタイムにコストがかかるので，Full-MPTCPはバッテリーライフを節約するのにベストではない．

  • 対して，Full-MPTCPは最もスムーズなハンドオーバーを提供する．

• Single-Path modeは3Gがスリープするほどコネクションが長い場合，Backup Modeはこれにたいして控えめにパフォーマンスが向上する

  • この場合，Single-Path modeがより少ないエネルギー消費で済み，好ましい

  • コネクションが10秒より短い場合，Backup Modeの方がより良いパフォーマンスを発揮し，エネルギーコストも少ない．

• 活発にデバイスが使われている場合はFull-MPTCPを利用し，スリープしている場合は，Single-Path modeを利用する．といった戦略が考えられる．