修 士 論 文 概 要 書
Summary of Master’s Thesis
Date of submission: 1_/_31_/2012_ (MM/DD/YYYY) 専攻名（専門分野）
Department 情報理工学専攻 氏 名
Name 根本 洋平
指 導 教 員 Advisor
甲藤 二郎 印 研究指導名 Seal
Research guidance 画像情報研究
学籍番号 Student ID
number
CD
5110B102 -3 研究題目
Title ACK到着間隔計測に基づくネットワーク状況推定を利用したTCP輻輳制御
1．はじめに
TCPの輻輳制御において，ネットワーク状況をより 詳細に把握することができれば，その情報を基に競合 するコネクションに応じた制御を行うことができ公平 性を高めることができると考えられる．ネットワーク 状況の推定をするための情報は大きく分けて，端末が 直接取得可能な情報とネットワークの中継ノードが計 測可能な情報になる．
しかし，現在のネットワークにおいて中継ノードか ら情報を得る機構は一般的に整備されておらず，情報 をフィードバックするためのパケットや専用の装置が 必要となる．そのため本研究では，端末上のTCPが直 接取得可能な情報であるACKの到着間隔を利用して，
競合しているコネクションの状態を推定することによ り RTT 公平な制御を行うことや競合している輻輳制 御方式に対応した制御を行うことを提案する．
2 ．従来研究 2.1 TCP-Reno[1]
輻輳回避フェーズにおいてACKが戻るたびにCwnd を 1MSS(Maximum Segment Size)/Cwndだけ増加 させ，パケットロス時に Cwnd を 1/2 に減少させる Loss-based手法である．
2.2 Compound TCP (CTCP) [2]
パケットロスとRTT(Round Trip Time)の変化の両 方を輻輳の指標として用いるHybrid手法の輻輳制御方 式である．Delay-based手法はRTTの計測によりボトル ネックルーターにおけるキューの大きさを推定して，
一定の閾値を超えると輻輳と判断する．Loss-based手 法との競合時には，TCP Renoに近い挙動となる．
2.3 CUBIC TCP[3]
TCP Renoと同じLoss-based手法でありCwndをロ ス時からの経過時間の3 次関数により決定する．RTT 公平性が高い手法であるが，Cwnd の増加がアグレッ シブであり従来の手法と競合すると公平性が低くなる．
2.4 Hybrid RTT-Fair TCP (HRF TCP) [4]
HRF-TCPは，RTT公平性を実現するために以下のよ うな制御を導入している．TCP-Renoとの公平性を得るた めにはRTT０に競合するコネクションの推定RTTを用いるこ とが必要である．
*RTT2
k
cwnd+= ：there is residual capacity RTT
k
cwnd += ′* ：there is no residual capacity
）
：競合フローの （
1 RTT０ RTT 1
0 2
0 k RTT
k=RTT ′=
3．提案手法
3.1 ACKの到着間隔を利用した競合コネクションの送
信パケット数計測
ネットワークが輻輳状態にあるとき，ボトルネック となるルーターのバッファにパケットが一時的に格納 され，図 1 のように出力先のネットワークの容量にあ わせてパケットが一定の速度で出力される．
ボトルネックの帯域幅を100Mbps，パケットサイズ を1500byteとすると，ルーターのバッファから出力さ れるパケットの時間間隔は 0.12ms となる．よって ACKの到着間隔の最小値(Interval_min)を観測すると 0.12ms になると考えられる．ここで観測される ACK の到着間隔を到着間隔の最小値で割ると，そのACKの 間隔にルーターのバッファから出力された総パケット 数が推定できる．
3.2競合コネクションのRTT推定を用いたRTT公平な 輻輳制御方式
TCP RenoなどのAIMD型のプロトコルの送信レー トは，RTTと反比例の関係になる．これより競合コネ クションの送信パケット数を計測し，HRF TCP との送信パケット数を比較することで競合コネクショ ンのRTTを推定することができる．
競合するコネクションの推定 RTT は，一定時間に計 測されたHRF TCPの送信パケット数（The Number of Sending Packets），3.1 項の手法を用いて計測した競 合するコネクションの送信パケット数（The Number of Competing Packets）と，HRF TCPの観測された
最小 RTT（RTTmin）を用いて以下のように推定でき
る．
packets Competing
of Number The
Packets Sending
of Number RTT The
RTTestimate
_ _
_ _
_ _
_ _
min×
=
この競合するコネクションの推定RTTをHRF TCP の輻輳制御方式のパラメータに反映させる．
3.3 CUBIC TCPに親和性のある輻輳制御方式
TCP における輻輳ウィンドウサイズとは送信端末が ACKを待たずにネットワークに送信できるパケットの 個数であり，1RTTに送信するパケット数と見なすこと ができる．3.1項の手法を用いると競合コネクションが 送信しているパケット数を計測することができ，一定 時間間隔で区切って計測することで，競合するコネク ションの輻輳ウィンドウの挙動を推定することができ る．
得られた輻輳ウィンドウの値から最小二乗法を用いて 傾きを計測する．TCP Reno，CTCP が導入している
0 100 200 300 400 500 600
0 20 40 60 80 100
-20 0 20 40 60 80 100
Cwnd[pkts] SLOPE
Time[s]
Actual-Cwnd Estimated-Cwnd SLOPE
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0 20 40 60 80 100
-20 0 20 40 60 80 100
Cwnd[pkts] SLOPE
Time[s]
Actual-Cwnd Estimated-Cwnd SLOPE
AIMD 型の制御方式は傾きが一定で輻輳ウィンドウを 増加させるため傾きが一定となる．一方でCUBICは増 加現象を不規則に繰り返すために，傾きが激しく変化 する．そのため，傾きが閾値（Slope thresh）を上回った 際にCUBICと判定する．
この手法を用いて競合するコネクションの輻輳制御 方式を識別し，CUBICと識別した場合に，CUBICの 挙動をエミュレートする TCP Reno を拡張した方式
（改良型TCP）を提案する．
4．実験結果
4.1 競合コネクションの RTT 推定を用いた RTT 公平な輻 輳制御方式
ns-2[5]を用いて評価を行った．送受信ノード2セット，中 継ルーター2個のダンベル型のトポロジのもと2フローを競 合させる．HRF-TCP のフローの遅延を 40ms に固定し，
競合するフロー（TCP-Reno, CTCP, CUBIC）の遅延を 10ms刻みで変化させ 300s競合したときのスループットを 計測した．アクセスリンクは 1Gbps，ルーター間のリンクは 100Mbps，バッファサイズは100pktsに設定した．
TCP-Renoと競合した場合に得られたスループットを図2 に示す．提案手法を導入していない場合，競合相手である TCP-Renoの伝送遅延が大きくなるにつれTCP-Renoの 占めるスループットの割合が小さくなりRTT不公平であると 言える．一方，提案手法を導入した場合は TCP-Reno の 伝送遅延が変化しても比較的スループットは公平に保たれ ている．同様にCTCP, CUBICのフローが競合する場合も 提案手法を導入することでスループットが公平に保たれる ことを確認した．
4.2 CUBIC TCPに親和性のある輻輳制御方式
ns-2[5]を用いて評価を行った．送受信ノード 2 セット，
中継ルーター2 個のダンベル型のトポロジのもと，TCP Reno をベースとする判別を行う提案方式と TCP Reno, CUBIC をそれぞれ競合させる．アクセスリンクは 1Gbps，
ル ー タ ー 間 の リ ン ク は 100Mbps， バ ッ フ ァ サ イ ズ は 100pktsに設定した．
図3がCwndを推定し，傾きを求めたものである．競合 フローが TCP Reno, CUBIC のいずれの場合も実際の Cwndの変化を推定してトレースすることができている．
また実際にSlope threshを20に設定し，CUBICに親 和性を持つ改良型 TCP と CUBIC を競合させると，図 4.(右)のように CUBIC の Cwnd の挙動を検出して，20s 付近からCUBIC をエミュレートしたモードとなり輻輳ウィン ドウは収束する．図4.(左)のTCP RenoとCUBICの競合 と比較すると公平性が高くなっているといえる．
5．まとめ
本研究では，推定した競合するコネクションの RTTをHRF TCPの輻輳制御方式のパラメータに反 映させることで，提案手法を用いない場合に比べ RTT公平性が高い制御が行われることが確認できた．
また競合するコネクションの輻輳制御方式がAIMD 型であるかCUBICの方式であるか判別し，CUBIC の方式であれば対応した制御を行う輻輳制御方式を 提案し，実際に公平性が高められることを確認した．
今後の展開として，複数のコネクションが増加し
た場合や複雑なトポロジの場合に推定手法を応用し ていくことや，推定した競合コネクションの輻輳ウ ィンドウの挙動を更に解析することで，AIMD 型，
CUBIC の方式以外の制御方式の識別を行うことが 課題となる．
0.24ms 0.36ms
pkt 2 12 1 . 0 36 . _ack 0 cumulative in
Interval_m
Interval − = − =
図1. ボトルネック部分のルーターから出力されるパケット
0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
D el a y of Competi ng f l ow [ms ]
Throughput[Mbps]
TCP-Reno
HRF-TCP(Without Proposal)
図2 (a). 提案手法を導入していない場合のスループット
0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Del a y of Com peti ng f l ow [m s ]
Throughput[Mbps]
TCP-Reno
HRF-TCP（With Proposal）
図2 (b). 提案手法を導入した場合のスループット
図3. 競合するフローの実際のCwnd変化, 推定したCwnd, およ び推定したCwndの傾き
図4. TCP Reno(左)，改良型TCP(右)とCUBICが競合した場合 の輻輳ウィンドウ変化
参考文献
[1] W. R. Stevens: "TCP Slow Start, Congestion Avoidance, Fast Retransmit, and Fast Recovery Algorithms," IETF RFC 2581, 1997.
[2] K. Tan et al : “Compound TCP: A scalable and TCP-friendly congestion control for high-speed networks”, PFLDnet, Feb. 2006.
[3] I. Rhee and L. Xu, “CUBIC: A New TCP-Friendly High-speed TCP Variant”, PFLDnet, Feb. 2005．
[4] K.Ogura et al: "Congestion Control with Two Fair Allocation Modes to Achieve RTT-Fairness", ICMU 2010, Apr. 2010.
[5]ns-2 network simulator(ver.2), http://www.isi.edu/nsnam/ns/.
0 100 200 300 400 500 600
0 50 100 150 200
Cwnd[pkts]
Time[s]
Reno-Cwnd CUBIC-Cwnd
0 100 200 300 400 500 600
0 50 100 150 200
Cwnd[pkts]
Time[s]
Reno-Cwnd CUBIC-Cwnd
