Evaluation and Optimisation of Multi-Path Transport using the Stream Control Transmission Protocol

Dreibholz, Thomas LSF

The Stream Control Transmission Protocol (SCTP) as defined in RFC 4960 is an advanced Transport Layer protocol that provides support for multi-homing. That is, SCTP endpoints may simultaneously use multiple Network Layer addresses, which allows to connect the endpoints to multiple networks for redundancy purposes. However, for the transfer of user data, only one of the possible paths is currently used at a time. All other paths remain as backup and are only used for retransmissions. Clearly, the existence of multiple paths has led to the idea of applying load sharing among the paths. An extension to SCTP -- denoted as Concurrent Multipath Transfer (CMT) -- realises this load sharing functionality. While this approach works well for similar paths, i.e. paths having similar characteristics regarding bandwidths, bit error rates and delays, the use of dissimilar paths does not work that neatly. In this thesis, the issues of dissimilar paths for CMT-based load sharing will be demonstrated first. The reasons for these issues will be identified and solutions proposed. These solutions will be evaluated in simulations, as well as partially also in a real-world Internet testbed setup, in order to show their effectiveness. In particular, it will be shown that a combination of multiple mechanisms is necessary to make CMT work as expected under a wide range of network and system parameters. Furthermore, the fairness of CMT-based transport -- in concurrency to classic non-CMT flows -- will be analysed. The usage of plain CMT leads to an overly aggressive bandwidth occupation on so-called shared bottlenecks. As a countermeasure, the idea of Resource Pooling will be utilised. For this purpose, two new and one adapted congestion control approach -- all based on the Resource Pooling principle -- will be introduced and examined in similar as well as dissimilar path setups, in order to show how to fairly deploy CMT transport in the Internet. The results of this work have also been contributed to the ongoing IETF standardisation process of SCTP and its extensions.

Das Stream Control Transmission Protocol (SCTP), welches im RFC 4960 spezifiziert wurde, ist ein fortgeschrittenes Transport-Layer-Protokoll mit Unterstützung für Multi-Homing. Dies bedeutet, dass aus Redundanzgründen SCTP-Endpunkte an mehrere Netzwerke gleichzeitig angeschlossen sein können. Allerdings wird für die Übertragung von Benutzerdaten immer nur ein einziger der möglichen Pfade verwendet. Alle anderen Pfade verbleiben als Ersatz und werden nur für Wiederholungen (engl. retransmissions) verwendet. Das Vorhandensein von mehreren Pfaden legt natürlich nahe, Lastverteilung (engl. load sharing) auf den Pfaden einzusetzen. Eine Erweiterung von SCTP -- welche als Concurrent Multipath Transfer (CMT) bezeichnet wird -- realisiert eben diese Funktionalität. Dieser Ansatz funktioniert gut für gleichartige (engl. similar) Pfade, das heißt Pfade mit ähnlichen Charakteristika wie Bandbreiten, Verzögerungen und Bitfehlerraten. Auf ungleichartigen (engl. dissimilar) Pfaden jedoch zeigen sich erhebliche Performanzprobleme. In dieser Habilitationsschrift werden zunächst die Schwierigkeiten von CMT-basierter Lastverteilung auf ungleichartigen Pfaden gezeigt. Dabei werden die Ursachen der Probleme aufgezeigt sowie Lösungen vorgeschlagen. Diese Lösungen werden sowohl durch Simulationen als teilweise auch in einem realistischen Internet-Testbettaufbau bewertet, um ihre Leistungsfähigkeit zu verdeutlichen. Im Besonderen wird dabei gezeigt, dass eine Kombination von mehreren Mechanismen notwendig ist, um CMT mit der erwarteten Leistung innerhalb eines großen Bereiches von Netzwerk- und Systemparametern zu betreiben. Des Weiteren wird die Fairness von CMT-basiertem Transport -- im Wettbewerb mit klassischen, Nicht-CMT-Datenströmen, analysiert. Die Verwendung von reinem CMT führt zu einer übermäßig aggressiven Bandbreitenbelegung auf sogenannten gemeinsamen Engpässen (engl. shared bottlenecks). Als Gegenmaßnahme wird die Idee des Resource Poolings aufgegriffen. Zu diesem Zweck werden zwei neue sowie ein angepasster Ansatz zur Überlastkontrolle -- alle basierend auf dem Resource-Pooling-Prinzip -- eingeführt und sowohl in Szenarien mit gleichartigen als auch ungleichartigen Pfaden untersucht, um zu zeigen wie CMT fair im Internet eingesetzt werden kann. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind zudem in den laufenden IETF-Standardisierungsprozess von SCTP und seinen Erweiterungen eingeflossen.

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Dreibholz, Thomas: Evaluation and Optimisation of Multi-Path Transport using the Stream Control Transmission Protocol. 2012.

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