As many-to-one traffic patterns prevail in data center networks, TCP flows often suffer from severe unfairness in sharing bottleneck bandwidth, which is known as the TCP outcast problem. The cause of the TCP outcast problem is the bursty packet losses by a drop-tail queue that triggers TCP timeouts and leads to decreasing the congestion window. This paper proposes TCPRand, a transport layer solution to TCP outcast. The main idea of TCPRand is the randomization of TCP payload size, which breaks synchronized packet arrivals between flows from different input ports. Based on the current congestion window size and the CUBIC’s congestion window growth function, TCPRand adaptively determines the proper level of randomness. With ns-3 simulation and extensive experiments, we show that TCPRand guarantees the superior enhancement of TCP fairness by reducing the TCP timeout period noticeably even in an environment where serious TCP outcast happens. TCPRand also minimizes the total goodput loss since its adaptive mechanism avoids unnecessary payload size randomization.
데이터센터 네트워크에서 다대일 트래픽 패턴의 비중이 증가함에 따라, 각 TCP 플로우는 밴드위스를 공유함에 있어서 심각한 불공정성을 겪게 되는데 이를 TCP 아웃캐스트라 한다. TCP 아웃캐스트의 원인은 드롭테일 큐에서 발생하는 특정 플로우의 연속적인 패킷 손실이다. 이 때문에 해당 플로우는 TCP 타임아 웃을 겪게 되며 이는 결국 송신단말 혼잡윈도우의 커다란 감소를 야기한다. TCP 아웃캐스트를 해결하기 위하여 본 논문에서는 TCPRand라 불리는 전송계층 솔루션을 제안한다. TCPRand의 핵심 원리는 TCP 페이로드 크기를 난수화하는 것이다. 이를 통하여 서로 다른 입력 포트에서 들어오는 패킷들의 도착시간이 동기화되는 것을 막을 수 있게 된다. TCPRand는 적절한 난수화 정도를 적응적으로 계산하기 위하여 현재 혼잡윈도우의 크기 및 CUBIC의 윈도우 증가 함수를 활용한다. NS-3 시뮬레이션 및 다양한 테스트 베드 실험을 통하여 본 논문은 TCPRand가 TCP 대비 우수한 TCP 공정성을 보장함을 보인다. TCP 공정성이 향상되는 주 원인은 TCP 아웃캐스트가 심하게 발생하는 환경에서 조차도 TCP 타임아웃 기간을 획기적 으로 줄이기 때문이다. 또한 TCPRand는 적응형 알고리즘을 통하여 불필요한 페이로드 크기 난수화를 방지함으로써 굿풋 손실을 최소화한다.
