研究の背景
無線 LAN 環境における複合型輻輳制御方式の性能評価とその改善手法

 無線 LAN 環境の高速化
 高速・高遅延ネットワーク向けの TCP が数多く提案– ネットワークの輻輳の指標により分類
 パケット廃棄の発生: loss-based 手法
 遅延の変化: delay-based 手法
 両方の組み合わせ: hybrid 手法

大阪大学 大学院情報科学研究科○ 橋本 匡史
長谷川 剛
村田 正幸

– 主に，有線ネットワークにおいて評価
 無線 LAN 環境– CSMA/CA による伝搬遅延の変化
 Delay-based 手法に対して悪影響が現れる可能性– 上りと下りでネットワーク帯域を共有 アクセスポイントの輻輳によるTCP 性能への影響
2

研究の目的

シミュレーション環境
 無線 LAN 環境におけるTCP 改良手法のシミュ



レーション評価– 遅延の変化に基づく TCP 改良手法を対象に評価– アクセスポイントの輻輳による TCP 性能への影響を評価

100 Mbps

IEEE802.11a
Access Point

100 ms
Wired Node 無線 LAN 環境における TCP 公平性の改善– TCP レベルの改善手法の提案

Wireless Nodes

無線 LAN: IEEE 802.11a
有線リンク
 リンク帯域: 100 Mbps
 伝搬遅延: 100 ms
アクセスポイントのバッファ
サイズ: 100 pkts

無線端末の送信バッファサ
イズや広告ウィンドウサイズ
は十分大きい シミュレーション時間: 200 s ns-2 を用いたシミュレーション– 無線端末 1 台につき 1 本の TCP コネクション

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シミュレーション結果- 無線区間の遅延変動による影響 -本研究に用いた TCP 改良手法

FAST TCP, 上りフロー数: 2

 遅延の増減に基づいた TCP (delay-based 手法)

 無線区間の伝搬遅延の幅– TCP Vegas– FAST TCP– 大きくても 約 25 ms

 スループットの変動は約 1 Mbps

 パケット廃棄の発生と遅延の増減に基づいたTCP (hybrid 手法)

無線区間における伝播遅延– TCP-Adaptive Reno (AReno)– Compound TCP (CTCP)– Delay-based 手法でなくても同程度の変動が発生– 遅延の変動に無関係な変化

 スループットに対する伝搬遅延の変動の影響がほとんどない– 無線端末におけるデータパケットのバッファリングにより抑えられる 他の delay-based 手法や hybrid

手法においても同様な結果

5

スループット6

シミュレーション結果- 上りフロー間の公平性 通信できている
フロー

シミュレーション結果- 上下フロー間の公平性 -CTCP, 上りフロー数: 16

上りフロー数: 8, 下りフロー数: 8

 アクセスポイントのバッファが輻輳ウィンドウサイズ

通信できないフロー

不公平発生

溢れ，ACK パケットが廃棄
 TCP は ACK パケットの損失に対して輻輳制御を行わない

下りフロー
公平

– タイムアウトの発生により輻輳制御を行う⇒ 輻輳ウィンドウサイズが 1 に設定される


Loss-based 手法と hybrid 手法では上下フロー間で不公平が発生

Delay-based 手法では公平– データパケット (下りフロー) とACK パケット(上りフロー) がともにアクセスポイントで廃棄– 上りフローは輻輳制御を行わないが，下りフローでは輻輳制御を行う– アクセスポイントのバッファが一杯 輻輳ウィンドウサイズの回復がAP における ACK パケット廃棄数

ほとんどできない

Delay-based 手法

Loss-based 手法と hybrid 手法

 ACK パケットがほとんど無線端末に到達しない

上りフロー– アクセスポイントに蓄積されるパケット数が結果的に一定に保たれ，パケットが廃棄されない7

公平性についてのまとめ

8

既存の改善手法

 アクセスポイントの輻輳が原因

 MAC プロトコルのパラメータを変更する手法[1]– アクセスポイントの送信を優先– アクセスポイントと無線端末の送信機会が等しいため

 キャリアセンス間隔を他の無線端末より短くする 上りフロー間の不公平– 通常 ハードウェアによって実装されているため，変更コストが大きい アクセスポイントのキュー管理機構を変更する手法[2]– ACK パケットが大量に廃棄されているにもかかわらず，輻輳制御を行わないことに起因– アクセスポイントのバッファを ACK パケット用とデータパケット用に分割– 上りフロー間の公平性に対して考慮していない– パラメータの設定が難しい

 上下フロー間の不公平

 IEEE 802.11e– フローの優先度に応じてクラスを分類することにより QoS を実現– 無線端末間の公平性の改善につながらない– データパケットの損失に対しては輻輳制御を行うが，ACK パケットの損失に対しては輻輳制御を行わない
ことに起因

9

[1] Y. Fukuda and Y. Oie, “Unfair and inefficient share of wireless LAN resource among uplink anddownlink data traffic and its solution,” IEICE Transactions on Communications, vol. E88-B, pp.
1577–1585, Apr. 2005.
[2] J. Ha and C.-H. Choi, “TCP fairness for uplink and downlink flows in WLANs,” in Proceedingsof IEEE Global Telecommunications Conference 2006, pp. 1–5, Nov. 2006.

10シミュレーション評価 - 上りフロー間 -提案手法

上りフロー数: 16

 ACK パケットが大量に廃棄されることに着目
不公平 ACK パケットの損失に対して輻輳制御

 シミュレーション環境– アクセスポイントからの距離
 U1 から U8: 1 m
 U9 から U16: 10 m

– ACK パケットのシーケンス番号を監視– TCP Reno を利用

 増加幅が 2 パケット分以上である場合はACK パケットが損失したと検出

 [1] の手法では無線端末の配置[1] の手法– 1 RTT 中に検出された ACK パケットの損失数が閾値
threth_ack_losses 以上である場合に輻輳制御を行う

位置によって不公平が発生

公平

 1 RTT 待機したのち，誤検出でなければ輻輳が発生したと判断– WLAN の輻輳は緩和されていない– アクセスポイントより遠い端末は不利となる
 提案手法は無線端末の配置位置– 例えば，パケット順序の入れ替えに依存せずに公平性を改善– 輻輳ウィンドウサイズを半減– WLAN の輻輳を軽減
11提案手法12

シミュレーション評価 - 上下フロー間 -まとめと今後の課題

上りフロー数: 8, 下りフロー数: 8上りフロー

 まとめ

下りフロー

– 無線 LAN 環境における TCP 改良手法の性能評価
 Delay-based 手法と hybrid 手法に対して，無線区間の伝搬遅延の変動による影響はほとんどない TCP フロー間の公平性[1] の手法[2]の手法– アクセスポイントの輻輳が深刻な不公平を起こす– Loss-based 手法や hybrid 手法では不公平が発生– Delay-based 手法は公平性を実現可能

提案手法– TCP フロー間の公平性の改善する手法の提案

 シミュレーション環境– 全無線端末はアクセスポイントから 4 m に配置

 ACK パケットの損失に対して輻輳制御を行う
 提案手法によりTCP フロー間の公平性の改善が可能

 今後の課題

 提案手法と [1] の手法は上下フロー間の公平性を改善– 無線リンクエラーを考慮したシミュレーション評価– さらなる公平性の改善

 [2] の手法は下りフロー間の公平性は改善しているものの，上りフロー間では不公平が発生– 大量に ACK パケットが廃棄される状況が改善されていないため
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