本文 Thesis 総合研究大学院大学学術情報リポジトリ A1832本文

(1)

TCP 輻輳制御 ^動的 ^替え

ン通信性能改善関 _研究

口 _直樹

博士 _(情報学)

総合研究大学院大学

複合学研究情報学専攻

成 ₂₇

(2015)

2016 3

(2)

論文総合研究大学院大学複合学研究情報学専攻

博士 (情報学) 授 ^要件 ^提出 ^{博士論文゙あ} ^．

審査委員 _:

阿部俊 (主査) ^{国立情報学研究所} / 総合研究大学院大学

漆谷 _重雄国立情報学研究所 / 総合研究大学院大学

計 _宇生国立情報学研究所 / 総合研究大学院大学

戸出 _英樹 _{大阪府立大学}

福 _健国立情報学研究所 / 総合研究大学院大学

山 _茂樹国立情報学研究所 / 総合研究大学院大学

(主査以外あいうえ )

(3)

A S TUDY OF P ERFORMANCE I MPROVEMENT IN

I NTERACTIVE C OMMUNICATION BY D YNAMIC C HANGING

OF TCP C ONGESTION C ONTROL A LGORITHMS

Naoki Oguchi

DOCTOR OF

PHILOSOPHY

Department of Informatics,

School of Multidisciplinary Sciences,

The Graduate University for Advanced Studies (SOKENDAI)

March, 2016

(4)

A dissertation submitted to the Department of Informatics, School of

Multidisciplinary Sciences,

The Graduate University for Advanced Studies (SOKENDAI) in partial

fullfillment of the requirements for

the degree of Doctor of Philosophy

Advisory Committee:

Shunji Abe(Chair)

National Institute of Informatics/

The Graduate University for Advanced Studies

KensukeFukuda

Yusheng Ji

Hideki Tode Osaka Prefecture University

Shigeo Urushidani

Shigeki Yamada

(Alphabet order of last name except chair)

(5)

Today, many cloud services become widespread and it is expected that utilization of virtual desktop services over the cloud services are accelerated to avoid information leaking by loss or theft of PCs, to reduce capital investment for offices and to save electricity consumption. Many companies are propelling utilization of cloud services by replacing employees’ PCs into thin clients.

In general, it is known that human feels comfortable when response time of interactive applications such as virtual desktop is less than one second. Therefore, response time degradation ranging from dozens of milliseconds to several hundreds milliseconds significantly affects the experience quality of these applications.

However, most interactive applications use the TCP protocol for the communication between servers and mobile devices. Packet losses in wireless networks and long delays on international lines have a great influence on end-to-end TCP sessions and degrade communication quality.

Applications that execute bulk transfer such as FTP (File Transfer Protocol) continuously write sufficient amount of data into the buffer between the applications and TCP stack with quicker speed than the packet send rate of the TCP stack. As there are sufficient transmitting data, the sender TCP stack sends data packets at the rate of current congestion window size and receives sufficient ACKs to fully expand the congestion window size. In this case, the sender TCP expands its congestion window size at the maximum rate on design of the congestion control algorithms.

On the other hand, interactive applications such as virtual desktop services expand TCP congestion window size slowly as those applications gradually send data with little chunks and it causes degradation of response time. For the reason of low usability with low responsiveness of virtual desktop services, companies make slow progress in utilization of cloud services in reality.

So far, various TCP congestion control algorithms have been studied for a long time, and plural algorithms that could communicate effectively in specific communication

(21)

It depends on the data transmission rate of applications and the characteristics of networks such as round trip time (RTT) and the packet loss rate[47] which congestion control algorithm is the most superior in performance. For example, when RTT is short, the congestion control algorithm called TCP Hybla[57] expands the congestion window size more slowly than other congestion control algorithms. However, it shows the highest performance in satellite communications because it opens the congestion window size more quickly when RTT is large. Moreover, the congestion control algorithm called TCP Westwood shows high performance in the wireless environment with many signal errors. In this way, it is thought to be possible to design an ideal congestion control algorithm in a particular communication environment. However, it is thought that many man-hours and verifications are necessary to design a congestion control algorithm that shows universally ideal performance for communication environment which characteristics can dynamically change as is the case accessing an overseas cloud service through a wireless access network.

Therefore, this dissertation proposes a method (Reconfigurable TCP) to improve response time in interactive communications, by dynamically selecting the most suitable congestion control algorithm according to network characteristics. The proposed method selects an algorithm according to packet loss rates for two packet loss patterns and RTT, utilizing the Linux’s congestion detecting mechanism, which distinguishes congestions based on whether at most two continuous packet losses occurred or more than three continuous packet losses occurred. It is also important to take into account the fairness when proposing a new TCP variant. From the view point of TCP friendliness, Reconfigurable TCP can reduce the deviation from ideal TCP friendliness by restricting the selecting congestion control algorithms. From the view point of RTT fairness, Reconfigurable TCP has little deviation as it can reduce the deviation by changing congestion control algorithms.

Next, this study shows the results of evaluation using a GE channel model in fixed wireless environment by implementing the proposed method on the NS-3 network simulator. In this evaluation, the parameters of the GE channel model are decided reflecting the characteristic of a real Wi-Fi network. Furthermore, the proposed method was evaluated in mobile wireless environment with IEEE802.16e (WiMAX) by using

(22)

the simulator. It was revealed that up to 45% of improvement of the response time was achieved in the evaluation.

In addition, the proposed method was implemented on Linux OS and evaluated on a LTE (Long Term Evolution) network. It was revealed that up to 34% of improvements of the response time were achieved in the real machine evaluations. Then it was clarified how much these improvements contribute to the improvements of subjective evaluations. The proposed method can improve MOS score, which is an opinion evaluation defined in ITU-T recommendation, by 0.5 to 1.5.

From these evaluations it was revealed that for around 40% of improvement of response time was achieved, and the proposed method could be an effective mean to improve the response time when interactive communication such as virtual desktop services are used in cloud environment.

(23)

第1章序論

1.1

現，広い，組織

，設備投資削減観点，省電力観点，，利用仮

想利用増期待さい _[6]．

例え観点゙，企業情報漏洩社会的問

い．情報漏えい原因 PC 置忘や盗゙あ．仮想

入，情報企業側集約゙，_{PC 紛失}

，盗あ情報漏洩防゙．

，IT(Information Technology)設備投資削減観点゙，IT 設備技術革新

速耐用数短い．ソン多，

陳腐化固定資産 _{IT 設備所} 利点少，高

購入代わ，用い゙_{IT 資産変動費用}

化゙．

さ，省電力観点゙，温室効果排出削減目標，

2005 ^比゙3.8%減 ^目標 ^立 ^い [1]．地球規模温暖化対策多企業温暖化 _(CO₂) 排出量削減様々面゙ ^組 ^゙い [2]．

一進い，業務用_PC 移行，温暖化対策一手

段得考えい _[3]．

う状況， _1-1 示う多企業従業員端ン

ン置換え，利用推進い．

゙，仮想ンン゙

人快適利用能応答時間限一以言わ [25][26]，数十 ms

数 _{ms 応答性能劣化} ン使用感大影響．

，近，ワ接形態多様化い，仮

想性能出い．

(24)

様々場所゙提供さ，海外あ多い．

，提供場所，_{RTT 異} ．

，様々ワン技術開さ，情報

漏洩対策必要端外持出，様々場所無線

網ワ接゙う，場所通信特性

異．

さ，近無線技術，車や高速列車移動体通信

゙様い，移動伴い，無線環境特性時々刻々

変化．

う，端提供間，無線

網，国回線多種多様特性持ワ経通信．

う通信環境，無線網廃棄生

え，国回線大い遅延生やい．

，仮想用い TCP(Transmission Control

Protocol) ^，経 ^ワ ^{遅延や廃棄} ^あ ^通信性能

劣化やい特性持知い．，゙仮想

利用場合，応答性や操作性悪い利

用進いいう問生い．

゙，通信時ワ特性遊いや，通信中ワ特性

変化応，適通信用い，常快適仮想

利用゙゙い _? ，仮想

応答性能改善゙，利用積極的進，端紛失や盗

情報漏洩い懸念軽減゙思わ．

論文゙，通信環境変化応，通信最適化，通信

ン応答性能改善組．

(25)

1-1 ^仮想 ^活用

TCP ッン

ン

仮想ッ

企業内網

ンン

キ確保

設備投資削減省電力化

仮想ッ

(26)

1.2 ビ

節゙，い概観，中゙，回着目い

DaaS ^組 ^，DaaS 用い ^動作 ^い ^明 ^．

1.2.1 ビ

，主ン仮想 _CPU，仮想

，仮想ワ仮想環境構築，時間貸形態

゙契約顧客仮想環境貸出゙あ．顧客，物理

的機器管理ゾ，必要時必要仮想環境契約

゙，費用削減゙いあ．

゙，大量処理，

用途多利用さ，近，仮想 _(DaaS)[7]，

[8] ^人間 ^対話 ^ン ^用途 ^利用さ

始い．，提供，_SaaS，

PaaS，IaaS，DaaS，GaaS い ^様々 ^．

1.2.1.1 _SaaS

Software as a Service(SaaS) ， ^ン ^実行 ^環境

提供゙，自前゙立，゙

ン実行，ン公開能．，_WEB

中ンン表示利用゙

．代表的 _SaaS ，_[9]や[10] あ．

1.2.1.2 _PaaS

Platform as a Service (PaaS) ， ^ン ^開 ^環境 ^提供

゙，_Web ン開環境提供．代表的

，_[11] あ．

1.2.1.3 _IaaS

Infrastructure as a Service (IaaS) ， ^， ^， ^ワ ^機器

利用者自構築゙゙，利用者 _{OS や CPU}

料金応遥択゙．_{IaaS 代表的} [12] あ．

(27)

，_Hadoop[13] 提供 _[14] あ．

，大容量保゙

，_{IaaS 一種考え} い．，_[15]，

[16]，[17]，[18]，[19] ^あ ^．

1.2.1.4 _DaaS

Desktop as a Service (DaaS) ， ^画面

表示操作能仮想

ン，゙提供゙あ．現，複数業

者商用 _DaaS 提供い [20] [21]．

1.2.1.5 _GaaS

Gaming as a Service (GaaS) ， ^画面 (PC や移動

) ^ン ^配信 ^， ^操作

，゙実行能゙あ．

商用，例え，[22]や[23] あ．

1.2.2 _{DaaS 仕組}

1-2 DaaS ^組 ^示 . DaaS ^ン ^仮想

ン間，RDP (Remote Desktop Protocol)や PCoIP(PC over IP) い ^用い ^．

゙，仮想ン，や

操作，ン仮想送信

さ．対，仮想操作対

更新情報送信．更新情報最大_{64KBytes 程} 大さ．

や操作，更新ざ時間応答時間

呼．

(28)

1-2 DaaS ^組

1.3 ^ン ^求通信性能

世中，様々提供通信ンあ

，ワ求性能様々゙あ．主，以う性能要件

求あ．

 高い均゙確実転送求ン

 確実転送求ン

 転送求ン

1.3.1 高い平均 ^ッ ^確実 ^転送を求

ン

大規模転送う，信側゙，

転送終わ信処理開始ン

う通信性能要求．ン処理行う，

完全性保証必要あ，通信完全性保証

い _{TCP 使わ} 多い．人間通信行うン

含い性_{(人間遅さ感} い時間内処理完了

) 求 ^い ^， ^早 ^処理 ^開始゙ ^う高い ^均

(29)

1.3.2 確実 ^つ ^転送を求

ン

確実性性両方要求ン，代

表的仮想うン通信行わ

ンあ．うン，人間遅さ感い

時間内比較的少量転送人間ン

処理進ン゙あ．転送確実必要あ

TCP 使わ ^場合 ^多い． ^性 ^求 ^，応答 ^速

さ求一方，転送比較的少い高さ

求い．ンン゙人快適

利用能応答時間限一以言わ _[25][26].

1.3.3 ^転送を求ン

性要求ン，ンや

VoIP(Voice over Internet Protocol) い ^{，像や音声} ^扱う ^ン

あ．，所定時間内い，人間視聴

自然さ感性求一方，多少廃棄あ

人間感い，再送回復行わい _UDP

使う場合多い．

1.4 DaaS 応答性能劣化通信よ要因

1.2.2 節示 ^う ^，一定 ^通信性能 ^求 ^い ^関わ ^，

TCP 通信性能利用環境 ^劣化 ^． ^節゙ ^， TCP 通信 ^組

い述，多様化通信環境，引起さ _TCP

性能劣化明．

1.4.1 _TCP ^{を用いた通信} ^仕組

1-3 通信行う TCP ^構造 ^示

い．゙あ通信ン対，一般的 _TCP

OS ^内 ^機能 ^提供さ ^． ^，通信

ン，ソ呼 API(Application Programming Interface)

TCP 通信機能利用 ^．TCP ^，TCP 送信部 TCP

(30)

信部あ，通信ン送信，_{TCP 送信部゙送信}

処理ざ，送信ソ蓄積さ．_{TCP 送信部，}

ン管理部，輻輳制御部構成さ．ン管理部，通信相手

接開始終了手，接状態管理行い，輻輳制御部，通信相手

間゙輻輳起いう，廃棄無基送信調

整行う．輻輳制御部送信調整行う，輻輳

制御呼，゙様々提案さ．_{TCP 送信}

部，送信対 _{ACK(確応答)} 信゙再送

格納．_TCP 信部，再送制御部序制御部構成さ．

再送制御部，通信相手信 _ACK ン番号抜検

出ワ廃棄あ検出，

確応答さ再送出再送．序制

御部，通信相手信ン番号確，

序通゙い場合，一時的ン格納番

信う．_TCP 信部，正い序゙信

信ソ書込，通信ン対信ソ

出う通知．

(31)

1-3 TCP

1.4.1.1 ソッ ^ン役割

ソ，通信ン，_{OS 提供} _{TCP 機能利用}

ン゙あ，通信ン，ソ対

実行゙，指定通信相手対 _TCP ン生

成，送信信゙．ソ，送信ソ

信ソ持．通信ン送信ソ

一書込，_{TCP 送信部} ワ状態応

速゙，送信ソ出，ワ送信

．ソ，通信ンソ書

込速 _{TCP 送信部} 送信速差緩衝役目持．

信ソ，_TCP 信一蓄積，通信

ン゙保持゙あ．

TCP ^信部

送信

ソッ

ッ

輻輳制御

TCP送信部

再送ッン

ッ

信

ソッ

ッ

ネン管理

再送制御 ^輻輳制御

通信ン

ソッ

順序制御

(32)

1.4.1.2 ^ネン管理

ン管理部，通信相手 _TCP ン接状態管理行

う機能゙あ．

TCP ^， 1-4 ^示 ^状態 ^ン ^ン状態 ^管理 ^． ^状

態ン，側ソ開い待場合，ン

側ン場合両方状態遤移合わ示あ．以

゙，側_TCP ン側TCP 代表的状態遤移 ^い ^明

．

サーとしての動作

通信ンソ作成時点゙，状態ン

CLOSED ^状態 ^始 ^． ^ン

動的 _OPEN 実行さ，LISTEN 状態遤移 ^． ^ン SYN

信 SYN RCVD 状態遤移 ^共 ^ン ^対

SYN/ACK ^送信 ^． SYN 対 ACK ^ン

信 ESTAB 状態遤移， ^ン ^確立 ^．

ンン断場合，ン _FIN

信．_TCP CLOSE WAIT 状態遤移， ^送信

全時点゙_{CLOSE 行い} ン対 _{FIN 送信} ．

FIN 対 ^ン ACK ^信 CLOSED 状態

ン解放さ．

クランとしての動作

通信ンソ作成時点゙，状態ン

CLOSED ^状態 ^始 ^． ^ン ^能

動的_{OPEN 実行さ} ，対 _SYN 送信 _{SYNSENT 状}

態遤移． _SYN/ACK 信 ESTAB 状態遤移

共対 _ACK 送信．

ンン断場合，通信ン

CLOSE FIN ^送信 ^共 ^，FIN WAIT-1

(33)

遤移．， _FIN 信 TIME WAIT 状態遤移共 _{ACK 送信} ． _{2MSL 時間(最大} ン生時間_{; Maximum} Segment Lifetime; 通常 2 間設定) 経過 ^，CLOSED 状態

ン解放さ．

1-4 TCP ^{ン状態管理}

1.4.1.3 _{TCP輻輳制御}

TCP 輻輳制御部，TCP ^送信 ^制御 ^機能 ^゙あ ^．TCP

輻輳制御部，始呼動作゙輻輳ン

ssthresh (Slow Start Threshold) 呼 ^閾値 ^゙広 ^， ^以降 ^輻輳回

避呼動作゙輻輳ン広．輻輳回

避輻輳ン広方手輻輳制御

呼゙い．様々輻輳制御提案さい，一般 _OS

内゙設定一輻輳制御用い．_TCP 輻輳制御

一般以示式輻輳ン _{� 調整}

CLOSED

LISTEN

ESTAB

SYN SENT SYN RCVD

CLOSE WAIT

LAST ACK

CLOSED TIME WAIT

FIN WAIT-1

CLOSING FIN WAIT-2

動的 OPEN

CLOSE

能動OPEN

SYN/ACK ^信 SYN 信

SYN ACK ^信

FIN ^信 SEND

SYN ^信

CLOSE

FIN ACK ^信 CLOSE

CLOSE

FIN 対 ACK ^信

FIN ^信

FIN ACK 信 FIN ^信

Timeout=2MSL

(34)

．わ，_TCP 送信，対 _ACK 信

毎式(1-1) 従い増率 ^，輻輳 ^ン ^広 ^．

� = � + � ^(1-1)

一方゙，_TCP ワ輻輳検出場合，_TCP 式_{(1-2) 従い}

減少率輻輳ン縮．

� = ∙ � < < ^(1-2)

送信側_{TCP ，ACK} 信゙送信最大゙輻輳

ン内う送信制御，送信

い，_ACK 信゙再送保持．

1.4.1.4 再送制御

再送制御部，送信対信側 _TCP _ACK 信

，_{ACK さ} ン番号再送削

．一方゙，_TCP 以示 ₃ 場合送信廃棄さ

識再送行う．

 再送

 Fast Retransmit( 重重複 ACK ^信 ^場合)

 _SACK 廃棄通知さ場合_(SACK い述₎

再送タムウ

送信側 _TCP ，送信対 _ACK ，_RTT 基計算

RTO(Retransmission Time Out)以内 ^信゙ ^い場合， ^廃棄さ

断，再送保持さい対象再送．

再送生場合，_TCP 輻輳ン初期ン

値゙縮．

Fast Retransmit

重重複_ACK 重複_ACK ， _{1-5 示} う，送信側_TCP

(35)

(ACK2499) 繰返 ACK ゙通知 ^．送信側TCP ACK ゙ ^ン

番号 _{3 回通知さ} 輻輳識，再送行う．

場合，送信側_{TCP 輻輳} ン輻輳制御毎

決い割合゙，輻輳検出前輻輳ン引．

1-5 Fast Retransmission SACK によ ^{ケッ廃棄の通知}

既 _{ACK 廃棄さ} 直前ン番号 _ACK 伝

え．具体的ン番号廃棄さ通知゙い

，廃棄以降全再送．Selective ACK (SACK) 機能[24][46]

，廃棄さン番号直接通知゙，廃棄さ

効率的再送゙．_TCP ン開設時

ン時 _{SACK 対応通知} ン設定゙利用゙，

多 OS ゙ SACK 使え ^う ^い ^． ^信側TCP ，連

廃棄検出場合，_SACK 通常 _ACK え，

SACK option ^使 ^，廃棄 ^以外 ^ン ^到着

送信側_{TCP 通知} ．SACK option ^， 1-6 示 ^う

，到着ン端(LeftEdge) 右端(RightEdge)゙表現さ，最

大₄ ゙指定能゙あ．送信側_{TCP ，SACK} 通

知さ廃棄再送信共輻輳ン輻輳制御

ッ

送信側TCP ^信側TCP

SEQ 2000 SEQ 2500 SEQ 3000 SEQ 3500

SEQ 4000 ^{ACK 2499}

ACK 2499 ACK 2499

SEQ 2500

ACK ACK ACK

再送

(36)

1-6 SACK ^ン

1.4.1.5 順序制御

序制御部，信付さいン番号

基，番並直機能゙あ．一般 _TCP ン

転送 _IP 序保証行わい．，_TCP 序制御部

用い，到着保証い．具体的，付さ

ン番号監視，ン番号連い信

場合，一ン蓄積．正い序゙信゙

，信ソ書込．

1.4.2 DaaS 応答性能劣化通信起因 ^要因

端間゙_{TCP 通信性能} い要因

以考え．

 遅延や廃棄対 TCP 輻輳制御影響

 ワ帯域い影響

 ^ン ^少 ^さ ^性能

1.4.2.1 遅延や廃棄対 TCP輻輳制御影響

様々ワン技術開さ，端

外持出，様々場所 LTE(Long Term Evolution) や WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access) い

Right Edge of n th Block Left Edge of n th Block Left Edge of First Block Right Edge of First Block

LEN KIND

(37)

や地域゙提供さ，提供ン国外あ

少い．場合，大遅

延時間持国回線通信行う．

無線網゙，端移動い場合゙あ，ン，

ン，影響廃棄生やい．近無線

技術゙，_{HARQ[41] い} 無線誤訂正技術備わ

，_TCP 廃棄検出いう廃棄回復ざ，

再送繰返遅延時間積重 _TCP _{RTT 増} う

見え．，電波強応 RTT 変動やいいう特性持．

，非常多廃棄さ場合，無線誤訂正

゙全廃棄再送，_TCP 廃棄見え．

一方，端移動場合，基地局距変化，ン，

廃棄や遅延特性大変化．

国回線，大陸間跨敷設さ，廃棄い，

遅延大いいう特徴持．米国間゙ _200ms，欧

間゙_{300ms 程} _{RTT 持．}

端国外場合，無線網，国

回線通信，_TCP ，廃棄起や，遅延大い

ワ通信い．

大容量転送行うン(例え FTP) ，TCP 利用

能帯域゙輻輳ン広十量送信，_TCP

送信速速い速゙ン _{TCP 間}

連的書込．送信側 _{TCP ，ACK} 信゙，輻輳

ン輻輳制御設計最大速゙広．_TCP ，

一般送信対 _ACK 信毎輻輳制御

基，輻輳ン大．，_RTT

大い輻輳ン広緩や．さ，_TCP 廃

棄生輻輳ン一縮再広動作行う．

1-7 示 ^う ^，RTT ^さい場合 ^，廃棄 ^あ ^ワ

ン速゙輻輳ン広゙，

(38)

RTT ^大 ^い場合 ^，輻輳 ^ン ^帯域 ^対 ^十 ^広 ^前 ^輻

輳生，結果，ワ帯域あわ

い状態生．

1-7 RTT 大い ^ワ ^゙ ^輻輳 ^ン ^広

1.4.2.2 ネッワ ^{帯域狭さよ性能} ネッ

無線網使わ LTE や WiMAX い ^{無線通信技術゙} ^，

適応変調呼技術，電波強さ応，帯域広さ動的変え

．送信側_{TCP ，} ン速輻輳ン

合わ．，うン通信含以

あい．

1.4.2.3 ン少さよ性能 _下

通信ン， _1-3 示うソ

TCP ^渡 ^， ^ン ^ソ ^書

込速 _TCP ソ出ワ

送信速一致い．ン通信行う

ン，比較的容量断的送信ン時間重視

ン゙あ，特応答待送

ンン場合，送信速，_TCP

送信速回．

時間

輻輳ン

ネッン速度

RTT 大い場合 RTT 小さい場合

(39)

ン， _1-8 示う，輻輳ン広

ン送信速支配さ緩や．中，送信

十あ場合 _{TCP 輻輳} ン広設計広方示

い．，ン通信゙，実，ン

相手応答待間的送信い，示う

輻輳ン広．結果，ン通信時輻輳

ン成長速示う．

特仮想う端操作対応答送信

ンン，送信量少い _TCP

輻輳ン広時間，さい輻輳ン

゙送信 _{ACK 待} 更送繰返，応答性能

いう問あ．

1-8 非連 ^転送 ^利用時 ^輻輳 ^ン ^変化

う原理端間゙_{TCP 用い} ン

通信行う場合，応答時間長やいいう問あ．

時間

ン一時送信

量( )

ネッン帯域

輻輳ン

ン廃棄

送信毎輻輳

ン成長

TCP 設計速度

ン通信時

輻輳ン

(40)

1.4.3 理想的輻輳制御

ン通信ン改善，理想的 _1-9 示

う輻輳制御良い．わ，輻輳ン広，

ワ内通信速相当，又

ン一時連送信 ₍ _{) 相当}

うさい゙速広，輻輳生，輻輳ン

あいう，ン

短良い．

1-9 理想的輻輳制御

1.5 ^研究組課題目的

研究゙，前節゙あン通信 _{TCP 応答時間劣}

化課組共，毎異多様通信環境対，

意識応答時間改善解決策適用゙実現目

的．

(41)

1.5.1 ^ン ^通信時 _TCP ^ン改善

仮想実現 RDP (Remote Desktop Protocol)[4]や RFB (Remote Frame Buffer) Protocol[5] ^ン

用い．ン _TCP

用い通信い場合゙あ． _TCP ，

1.4.2.1 節 ^う ^遅延 ^大 ^い ^ワ ^゙ ^廃棄 ^生 ^，通

信性能やいいう特性持い．特人間遠隔 _{PC 操作}

仮想うンン，時

間転送量多い，性能要求

い，高い応答性能必要．

仮想ンン _TCP

゙ _1-10 う．ン送 _RDP

操作や入力ン含一般的

さい゙，数個 _TCP ン

転送さ．送信要時間送

信レテンシ定義．数個 _TCP 転送，均的送信

ンワ遅延時間程゙あ．

一方， _RDP 送信画面更新，最大

64Kbytes ^持 ^， ^ワ MTU(Maximum Transfer

Unit)長 ^，多 ^場合複数 TCP ^割さ ^送信さ ^．

画面更新転送要時間受信レテンシ呼

．信ン TCP 輻輳制御影響大 ^，

ワ遅延時間何倍能性あ．

(42)

1-10 DaaS TCP 性能改善

仮想ン，操作，さ

ン画面更新ざ時間応答時間，応答時間

，送信ン，更新画面計算画面更新

送信要時間゙あ応答時間，信ン足

時間．応答時間一般的，ワ遅延時間比

十さい考え，応答時間支配信ン改

善゙応答時間改善゙．，研究゙，_TCP 性能改善

，信ン改善目的．以降゙信ン

レテンシ呼．

1.6 課題解決向けた要件

1.6.1 ^{ネッワ} ^{を意識させいン} ^通

信性能 _改善

端や，様々置あ通信相手，遅延時間や廃棄率い

特性異ワ経通信行う．

ン端， _1-11 示う一点内あ社内や，

ン海外あ時通信考

え．例え，海外あン像表

示，社内，ン参照場面考え

受信レイテンシ (レイテンシ)

仮想デスクトップクライアント

仮想デスクトップネットワヸクサヸバ

マウス操作ヷキヸボヸド入力デヸタ

応答デヸタㄥデスクトップ

画面更新デヸタㄦ

アプリ TCP TCP アプリ

応答時間 RDP

サヸバ

RDP 応答時間

TCP Data

送信レイテンシ

(43)

1-11 ^ン ^端 ^通信先

一方， _1-12 示う，，様々接時

付，送信．通信千差万゙，

通信路特性異．ン海外点端

送場合，比較的遅延大帯域広いLong Fat Network(LFN) 経 ^通

信行わあ．さ，航空機ン，

人衛地通信，通信行う．う回線，極端

大遅延持，廃棄率大い．，高速移動車両対

無線網通信行わ．場合，移動伴う電波強変化や，

無線基地局替えン生，遅延や廃棄率大変化

．移動比較的緩や゙，使用環境

ン影響や，遅延や廃

棄率大変化．，電波状況応変調方式やン

動的替え無線信号復号化率改善適応変調呼技術

用い，帯域動的変動．

1-12 ^装置 ^通信先

ンネッ

社内 ₍ _{ン )}

ン端

ンネッ

(44)

う，端様々特性持ワ先い通信

相手時通信行う求い．，特性時間

共変わ得．

TCP ^用い ^通信 ^い ^，最適 ^通信環境 ^得 ^，

ワ特性調，最適ン方法調，_{OS 設定変更}

必要あ．，ワ特性調，ワ

専門的知識必要゙あ．，特性合わ _TCP ン行う

TCP 関 ^深い知識 ^必要゙あ ^．さ OS 毎 TCP

ン異 _{OS 関} 専門的知識必要．ワ専門家゙あ

，利用場面毎通信性能測定適対処非常手間

，一般非現実的゙あ．

仮 _TCP ンさ， _OS ，

OS 全体゙一輻輳制御 ^遥 ^゙ ^い． 1-13 ^示

う，端や _OS ゙，複数通信ン動作，

通信ン毎ソ呼ン _{(API) 用意さ}

．_OS ，一指定輻輳制御含 _TCP

処理部あ，ソ毎 _{TCP 処理} ンン構成．

，全ンン，輻輳制御従う．特，，

一 _{OS ゙複数} ン動，複数通信相手時

通信行う一般的い，各ン経通信

遅延や廃棄率応，異輻輳制御用い方良い

場合考え，実全ソ，_OS 設

定さ輻輳制御固定さう．，各通信相手，

全特性異ワ経場合，全通信相手対時

最適う輻輳制御遥困゙あ．

(45)

1-13 OS TCP 構造

1.6.2 ネッワ ^特性変化適応た通信性能 _改善

ワ特性，時々刻々変化い．特無線網，移動

基地局距や，害物，移動速や電波

様々影響．，特性変化 _TCP 廃棄や_RTT

変化いう形゙現，_{TCP 性能影響} え．

，線ヷあ昼夜゙ワ利用状況

異，ワ，ワ混雑

い場合，通信ン毎帯域制約えあ．

゙，うワ特性変化適応，通信性能改

善必要あ．

通信

ン

#1

ソッ

#1

ソッ

#2

ソッ

#3

通信

ン

#2

通信

ン

#3

OS ネ

輻輳制御

#1

輻輳制御

#1

輻輳制御

#1

TCP

(共通処理)

TCP

(共通処理)

TCP

(共通処理)

(46)

1.7 ^論文構成

以降章，示内容い．

第 2 章゙，関連研究動向い明．従来検討さ _TCP

性能改善様々技術い明．特標準_{TCP さ}

TCP Reno 改良 ^{改良型輻輳制御} ^，無線 ^廃棄

ワ輻輳区゙用意ン縮回

避 Loss Differentiation Algorithms (LDA)技術，無線網 ^廃棄

効果的再送 Snoop TCP 技術，ン ^通信 ^高速化

TCP ^ン設定 ^，無線 ^訂正技術

明．さ最適輻輳制御ン゙設計技術や，

通信中輻輳制御動的替え技術い明．

，技術，特定環境，特定用途向対処゙あ，環境変

化環境，環境適合い示．

う課対，通信環境変化応動的輻輳制御

替え手法効考え，第 3 章゙，各輻輳制御 ^廃棄

や遅延対各輻輳制御優適用領域明．

第_{4 章゙，輻輳制御} 動的替え手法い明．様々

遅延時間，廃棄ン混ワいン

改善制御方法提案，実装い明．，提案方式

公性い検討行う．

第 5 章゙，ン性能評価い明．章゙，

ン通信行うン想定，提案方式，_GE

WiMAX 用い ^ン ^゙評価 ^．

第 6 章゙，LTE 網実機評価い明．提案方式 _Linux

実装，実 LTE 網用い提案方式性能評価行う．更，提案方式

ン通信応答性能改善，程主観評価改善

考察．

最，第 7 章゙，論文゙明 ^{，提案方式}

(47)

1.8 ^章

研究背，_PC 紛失や盗情報漏洩大問

仮想期待さい，技術的問

いい示．

，論文提案必要知識 _{TCP 構造的} 組示共，

TCP ^様々 ^通信特性 ^持 ^ワ ^{゙性能劣化} ^示 ^．

従来 _{LFN や無線} ワいワ特性毎通信性能改

善様々輻輳制御提案さ，ワ

特性調最適輻輳制御遥択替え困゙

あ，， _{OS ゙ OS 全体} 一輻輳制御指定

゙い，通信相手異，通信ン

種類異時通信最適輻輳制御゙通信゙

い示．う課鑑，論文゙，う

環境い，う接先通信行い，意識さ

，ン改善目的示．

(48)

第2章関連研究

研究目的゙あ，ワ様々通信特性応 _{TCP 通信}

ン改善関技術，章゙，様々通信環境向 _TCP

通信性能改善技術や，_TCP 性能改善う通信環境動的対応

技術い明．

2.1 TCP ^輻輳制御 ^を改善

無線網や，_LFN い様々通信環境合わ通信性能出や

う最適設計さ輻輳制御各種提案さい．

節゙，輻輳制御い述．

2.1.1 Highspeed TCP

Highspeed TCP[58] ，LFN 向 ^開 ^さ ^輻輳制御 ^゙あ ^．

標準的輻輳制御゙あ _Reno ，帯域広い _{LFN ゙輻輳}

ン広非常時間鑑，帯域幅応，増

率，減少率変化さ．_ACK 信毎式_{(2-1) 基} 輻輳ン

大．，廃棄検出式_{(2-2) 基} 輻輳

ン ₍ _{) 縮} ．式中 _{⟻記号，代入意味} ．゙，表_2-1

，ワ帯域対増率，減少率示，式_(2-1)，

式_{(2-2) ，} ワ帯域挙動変化．

⟻ + ^(2-1)

⟻ − × ^(2-2)

式_(2-1) ，輻輳ン，_ACK 信数応広

わ．

(49)

表 2-1 Highspeed TCP 増率 ^減少率

ワ帯域

38 1 0.50

118 2 0.44

221 3 0.41

347 4 0.38

495 5 0.37

663 6 0.35

851 7 0.34

1058 8 0.33

1284 9 0.32

1529 10 0.31

1793 11 0.30

2076 12 0.29

2378 13 0.28

2.1.2 Scalable TCP

Scalable TCP[61] ，LFN 向 ^開 ^さ ^輻輳制御 ^゙あ ^．輻

輳ン ₍ ) ，式(2-3) 示 ^う ^， ^値 ACK

1 ^信 ^毎 0.01 増 (増率 = . )． ^， ^大

RTT 内゙送信 ^数 ^多 ^， ^対 ACK ^数

多，成長速大．輻輳検出，式_(2-4)

示う，減少率β=0.125 ゙減少 ^．

Scalable TCP ， 2-1 示 ^う ^，現 ^輻輳 ^ン ^応 ^，

時間あ増率大，Highspeed TCP ^う ^表 ^使

わ様効果得．中，ワ

帯域相当値゙あ _< ．，う _{RTT ゙あ}

，廃棄検出時間_{(− log −} _⁄_{log +} _{)゙元輻輳} ン

゙回復う設計さい．

⟻ + . ^(2-3)

⟻ − . × ^(2-4)

(50)

2-1 Scalable TCP 輻輳 ^ン ^制御

2.1.3 _{CUBIC TCP}

CUBIC TCP[27] ，LFN 向 ^開 ^さ ^輻輳制御 ^゙あ ^，

Linux2.6 以降，標準輻輳制御 ^使わ ^い ^．輻輳 ^検出

直前輻輳ン _� ，輻輳回避輻輳

ン式(2-5) 従い計算さ ^．Linux OS ^い ^， = . , =

. ^用 ^い ^．式(2-5) ^わ ^う ^，輻輳 ^ン ^輻輳検

出経過時間関数い点特徴゙あ．輻輳検出，式

(2-6) 従い輻輳 ^ン ^縮 ^． ^゙用い ^式(2-5) ^値

゙ = . ゙あ． 2-2 示 ^う ^{輻輳検出時刻} = ^， ^，輻

輳検出い限，輻輳ン _� ゙式_{(2-5) 従い輻}

輳ン広い _{( 動作} い状態 Steady State Behavior

いう_)．，輻輳ン _� 到遉，輻輳検出

経過時間

輻輳ン (cwnd)

− log − log +

−

経過時間

輻輳ン (cwnd)

− log − log +

−

(51)

い状態 Max Probing いう)．

⟻ − +

= √³ ⁄ ^}

(2-5)

⟻ ^(2-6)

2-2 CUBIC TCP 輻輳 ^ン ^変化

2.1.4 _{BIC TCP}

BIC TCP[28] ，LFN 向 ^開 ^さ ^輻輳制御 ^゙あ ^．輻輳

ン，最廃棄検出輻輳ン

(� ) ^さい場合 ^，式(2-7) 示 ^基 ^ン

広．輻輳ン _� 大い場合式_{(2-8) 従い}

輻輳ン広．，廃棄検出，式_(2-9)

従い輻輳ン縮． _2-3 用い式示

動作明．以゙， _� 現輻輳ン， _�+ _{RTT 経}

過輻輳ン．輻輳ン _�

゙広輻輳検出，式_{(2-9) 従い輻輳} ン縮．

� � ^{場合，輻輳} ^ン ^縮 ^直 � − � / >

い場合，_{RTT 毎} 増さい．輻輳ン

経過時間

輻輳ン (cwnd)

�

Steady State Behavior

Max Probing _�

=

(52)

増， _{> �} ₋ _� _{/ >} _� い区間゙，

� − �� ^⁄ ^増 ^さ � ^近 ^い ^． � > � − � /

場合，_{RTT 毎} _� 増さい．

， _� _{> �} 場合，新い_� ，_� ₊ _� ，_� ₊

� ^，^� ⁺ � ^… ^いう具合 ^{RTT 毎} � ^倍増さ ^い ^． ^，

� � ^遉 ^以降 ^{RTT 毎} ^増 ^さ ^い ^．

� ^� ^場合

�+ ⁼ �+ ∆ for each RTT

∆= {

� − _�

, ( >^� ⁻ ^� > � ) , (^� ⁻ ^� > )

� , (^� ⁻ ^� < � ) _}

(2-7)

� > � ^場合

�+ ^{= �} ⁺ ^� � ^, ⁽ ^� � ^< ⁾

�+ ⁼ �⁺ ^, ⁽ ^� � ⁾

} ^(2-8)

⟻ × −

= . ^}

(2-9)

本文 Thesis 総合研究大学院大学学術情報リポジトリ A1832本文

TCP 輻輳制御 動的 替え

ン 通信 性能改善 関 研究

口 直樹

博士 (情報学)

総合研究大学院大学

複合 学研究 情報学専攻

成 27

(2015)

2016 3

論文 総合研究大学院大学複合 学研究 情報学専攻

博士 (情報学) 授 要件 提出 博士論文゙あ ．

審査委員 :

阿部 俊 (主査) 国立情報学研究所 / 総合研究大学院大学

漆谷 重雄 国立情報学研究所 / 総合研究大学院大学

計 宇生 国立情報学研究所 / 総合研究大学院大学

戸出 英樹 大阪府立大学

福 健 国立情報学研究所 / 総合研究大学院大学

山 茂樹 国立情報学研究所 / 総合研究大学院大学

(主査以外 あいうえ )

A S TUDY OF P ERFORMANCE I MPROVEMENT IN

I NTERACTIVE C OMMUNICATION BY D YNAMIC C HANGING

OF TCP C ONGESTION C ONTROL A LGORITHMS

Naoki Oguchi

DOCTOR OF

PHILOSOPHY

Department of Informatics,

School of Multidisciplinary Sciences,

The Graduate University for Advanced Studies (SOKENDAI)

March, 2016

A dissertation submitted to the Department of Informatics, School of

Multidisciplinary Sciences,

The Graduate University for Advanced Studies (SOKENDAI) in partial

fullfillment of the requirements for

the degree of Doctor of Philosophy

Advisory Committee:

Shunji Abe(Chair)

KensukeFukuda

Yusheng Ji

Hideki Tode Osaka Prefecture University

Shigeo Urushidani

Shigeki Yamada

(Alphabet order of last name except chair)

目次

図目次

表目次

論文要旨

Abstract

第1章 序論

1.1

1.2 ビ

1.2.1 ビ

1.2.1.1 SaaS

1.2.1.2 PaaS

1.2.1.3 IaaS

1.2.1.4 DaaS

1.2.1.5 GaaS

1.2.2 DaaS 仕組

1.3 ン 求 通信性能

1.3.1 高い平均 ッ 確実 転送を求

ン

1.3.2 確実 つ 転送を求

ン

1.3.3 転送を求 ン

1.4 DaaS 応答性能劣化 通信 よ 要因

1.4.1 TCP を用いた通信 仕組

1.4.1.1 ソ ッ ン 役割

TCP 信部

送信

ソ ッ

ッ

TCP送信部

信

ソ ッ

ッ

通信 ン

ソ ッ

1.4.1.2 ネ ン管理

1.4.1.3 TCP輻輳制御

1.4.1.4 再送制御

TCP 輻輳制御 ^動的 ^替え

ン通信性能改善関 _研究

口 _直樹

博士 _(情報学)

複合学研究情報学専攻

成 ₂₇

論文総合研究大学院大学複合学研究情報学専攻

博士 (情報学) 授 ^要件 ^提出 ^{博士論文゙あ} ^．

審査委員 _:

阿部俊 (主査) ^{国立情報学研究所} / 総合研究大学院大学

漆谷 _重雄国立情報学研究所 / 総合研究大学院大学

計 _宇生国立情報学研究所 / 総合研究大学院大学

戸出 _英樹 _{大阪府立大学}

福 _健国立情報学研究所 / 総合研究大学院大学

山 _茂樹国立情報学研究所 / 総合研究大学院大学

(主査以外あいうえ )

第1章序論

1.2.1.1 _SaaS

1.2.1.2 _PaaS

1.2.1.3 _IaaS

1.2.1.4 _DaaS

1.2.1.5 _GaaS

1.2.2 _{DaaS 仕組}

1.3 ^ン ^求通信性能

1.3.1 高い平均 ^ッ ^確実 ^転送を求

1.3.2 確実 ^つ ^転送を求

1.3.3 ^転送を求ン

1.4 DaaS 応答性能劣化通信よ要因

1.4.1 _TCP ^{を用いた通信} ^仕組

1.4.1.1 ソッ ^ン役割

TCP ^信部

ソッ

ソッ

通信ン

ソッ

1.4.1.2 ^ネン管理

1.4.1.3 _{TCP輻輳制御}

1.4.2 DaaS 応答性能劣化通信起因 ^要因

1.4.2.1 遅延や廃棄対 TCP輻輳制御影響

1.4.2.2 ネッワ ^{帯域狭さよ性能} ネッ

1.4.2.3 ン少さよ性能 _下

1.4.3 理想的輻輳制御

1.5 ^研究組課題目的

1.5.1 ^ン ^通信時 _TCP ^ン改善

1.6 課題解決向けた要件

1.6.1 ^{ネッワ} ^{を意識させいン} ^通

信性能 _改善

1.6.2 ネッワ ^特性変化適応た通信性能 _改善

ソッ

ソッ

ソッ

1.7 ^論文構成

1.8 ^章

第2章関連研究

2.1 TCP ^輻輳制御 ^を改善

2.1.3 _{CUBIC TCP}

2.1.4 _{BIC TCP}