Um escalonador de pacotes para o protocolo MPQUIC apoiado na similaridade dos caminhos

Abstract

Resumo: Os servicos Web evoluiram significativamente desde o seu inicio no final dos anos 80. Ao longo dos anos, estes servicos aumentaram em numero, tamanho e complexidade. Alem disso, novos servicos como aqueles de streaming, os jogos online e a realidade virtual demandam cada vez mais recursos devido as exigencias dos usuarios e a concorrencia entre as plataformas que disponibilizam estes servicos. Em geral, estes servicos sao sensiveis as falhas e a latencia da rede. Garantir a entrega de pacotes de maneira confiavel e uma das principais funcoes da camada de transporte. Contudo, os protocolos de transporte dominantes na Internet, como o protocolo TCP e UDP, possuem limitacoes e sao dificeis de serem atualizados, justamente pela sua alta utilizacao. Em face disso, a empresa Google desenvolveu o protocolo de transporte QUIC (Quick UDP Internet Connection) e um grupo de trabalho do IETF trata da sua padronizacao. O protocolo QUIC e fundamentado no protocolo UDP e sua proposta e substituir o conjunto de protocolos da Web formado pelos protocolos HTTP/TLS/TCP. O protocolo QUIC traz beneficios ao reduzir a latencia da conexao por se abster do processo de estabelecimento de conexao (three-way handshake) na maioria de suas conexoes, alem de aumentar a seguranca durante a comunicacao ao criptografar todos os seus pacotes e parte das informacoes contidas no cabecalho de seus segmentos. Em pesquisas realizadas pela empresa Google, o protocolo QUIC diminui 3% o tempo medio de carregamento na pagina de pesquisa da empresa, quando comparado ao protocolo TCP. Contudo, estes valores tendem a crescer com o uso simultaneo das multiplas interfaces de rede disponiveis nos dispositivos dos usuarios. Visando a este objetivo, outro grupo de trabalho do IETF impulsiona o desenvolvimento do protocolo QUIC sobre multicaminhos. O protocolo QUIC Multicaminhos (MPQUIC) apresenta vantagem no uso das multiplas interfaces de rede disponiveis com o intuito de aumentar o desempenho e a disponibilidade dos servicos. Entretanto, o uso de varios caminhos simultaneamente resulta em desafios relacionados a diversidade e a heterogeneidade da rede. Um desses desafios e a entrega de pacotes fora de ordem (ou o problema de reordenamento), que ocorre devido a estas adversidades. As abordagens na literatura destinadas a mitigacao do problema de reordenamento, direcionam suas propostas ao escalonador de pacotes, que e um dos principais componentes dos protocolos multicaminhos e emprega um importante papel no desempenho da transmissao, pois ele e o responsavel pela selecao e alocacao de dados nos diferentes caminhos disponiveis para a comunicacao entre cliente e servidor. Sendo assim, este trabalho apresenta o escalonador STOUT (do ingles, Similarity againsT packets OUT-of-order) que visa reduzir os efeitos da heterogeneidade dos caminhos ao seleciona-los baseando-se na similaridade de suas caracteristicas. Em testes realizados, o escalonador STOUT demonstrou melhor desempenho quando comparado ao escalonador padrao do protocolo MPQUIC, alem de diminuir o tempo em que os pacotes aguardam para reordenacao. Palavras-chave: Transmissao Multicaminhos, Escalonador, MPQUIC, QUIC, Reordenamento de Pacotes, Desempenho

Abstract: Web services have evolved significantly since their conception in the late 1980s. Over the years, these services have increased in number, size and complexity. In addition, new services, such as streaming services, online games, and virtual reality, are increasingly demanding resources due to user requests and competition among the platforms that provide these services. In general, these services are sensitive to network failures and latency. Ensuring reliable delivery of packages is one of the key functions of the transport layer. However, dominant Internet transport protocols, such as the TCP and UDP protocol, have limitations and are difficult to be updated due to their high utilization. Given these facts, Google has developed Quick UDP Internet Connection (QUIC) transport protocol and an IETF working group addresses its standardization. The QUIC protocol is based on the UDP protocol and its purpose is to replace the web protocol set formed by the HTTP/TLS/TCP protocols. The QUIC protocol has benefits in reducing connection latency by refraining from the three-way-handshake process on most of your connections, as well as increasing security during communication by encrypting all your connections, packets and part of the information contained in the header of their segments. In researches by Google, the QUIC protocol decreases the average load time on the company's search page by 3% compared to the TCP protocol. However, these values tend to grow with the simultaneous use of multiple network interfaces available on user devices. Towards this end, another IETF working group drives the development of the multipath QUIC protocol. The multipath QUIC (MPQUIC) protocol has the advantage of using the multiple network interfaces available to increase performance and service availability. However, using multiple paths simultaneously results in challenges related to network diversity and heterogeneity. One of these challenges is the delivery of out-of-order packages (or the reordering problem), which occurs because of these adversities. Approaches in the literature aimed at mitigating the reordering problem directing their proposals to the packet scheduler, which is a major component of multipath protocols and plays an important role in transmission performance as it is responsible for data selection and allocation through different paths available for client-server communication. Thus, this work presents the scheduler named Similarity againsT packets OUT-of-order (STOUT) which aims to reduce the effects of path heterogeneity by selecting them based on the similarity of their characteristics. In tests performed, the STOUT scheduler has shown better performance compared to the standard MPQUIC protocol scheduler, as well as decreasing the time packets wait for reordering. Keywords: Multipath Transmission, Scheduler, MPQUIC, QUIC, Packet Reordering, Performance