Bewertung der TCP-Leistung für niederpriorisierte Flows in Cloud-Netzwerken

In vielen Cloud-Netzwerken sind Datenströme mit niedriger Priorität wichtig, um Ziele wie reduzierte Verzögerungen und eine bessere Nutzung von Ressourcen zu erreichen. Diese Datenströme mit niedriger Priorität verwenden normalerweise ein Protokoll namens TCP, um Daten zu senden und zu empfangen. Wie gut TCP für diese Niedrig-Prioritäts-Ströme funktioniert, ist jedoch nicht gut verstanden. Insbesondere wollen wir sehen, wie Verzögerungen, die durch die Priorisierung anderer Datenströme verursacht werden, zu Problemen wie unnötigen Zeitüberschreitungen und niedriger Ressourcenausnutzung führen können. Dieser Artikel präsentiert Ergebnisse aus einer Studie, die sich mit der Leistung von TCP beim Umgang mit Niedrig-Prioritäts-Strömen in Cloud-Umgebungen unter verschiedenen Bedingungen beschäftigt.

#Die Bedeutung von Niedrig-Prioritäts-Strömen

Cloud-Systeme führen viele Anwendungen aus, die unterschiedliche Service-Level benötigen, und Niedrig-Prioritäts-Ströme helfen, diese Bedürfnisse zu verwalten. Diese Ströme sind normalerweise weniger kritisch als Hoch-Prioritäts-Ströme, spielen aber dennoch eine wichtige Rolle für die Gesamtleistung von Anwendungen. Zum Beispiel können in Systemen, die versuchen, Verzögerungen durch die Duplizierung von Anfragen zu verwalten, Niedrig-Prioritäts-Ströme die Leistung des gesamten Systems bestimmen, besonders wenn eine Hoch-Prioritäts-Anfrage Verzögerungen hat.

TCP ist ein weit verbreitetes Transportprotokoll in Cloud-Systemen, hauptsächlich wegen seiner Zuverlässigkeit und der Rückwärtskompatibilität zu früheren Systemen. Obwohl es viele Forschungen gibt, wie TCP in zeitkritischen Anwendungen abschneidet, wird es immer noch häufig für Niedrig-Prioritäts-Ströme verwendet. Das wirft Fragen auf, wie gut TCP diese weniger kritischen Aufgaben bewältigen kann, besonders wenn andere Hoch-Prioritäts-Datenströme um Ressourcen konkurrieren.

#Die Rolle der Netzwerkpriorisierung

Um die Leistung zu verbessern, nutzen viele Cloud-Systeme Netzwerkpriorisierung. Das bedeutet, dass Datenpakete in verschiedene Kategorien organisiert werden, wobei wichtigere Pakete zuerst verarbeitet werden. Diese Methode bietet eine Möglichkeit, verschiedene Anwendungsarten zu isolieren und sicherzustellen, dass Hoch-Prioritäts-Anwendungen nicht durch Niedrig-Prioritäts-Anwendungen verzögert werden. Wenn Niedrig-Prioritäts-Ströme jedoch aufgrund dieser Priorisierung Verzögerungen erfahren, kann das zu längeren Wartezeiten in Warteschlangen führen. Im schlimmsten Fall können diese Verzögerungen unendlich werden. Solche Probleme können dazu führen, dass TCP Schwierigkeiten hat, die Netzwerksituation zu analysieren, was zu unnötigen Zurücksetzungen und Neuübertragungen führen kann, wenn Pakete fälschlicherweise als verloren betrachtet werden.

Diese Studie hatte zum Ziel, die Leistung von TCP für Niedrig-Prioritäts-Ströme in einer Reihe von praktischen Situationen zu untersuchen, mit Fokus darauf, wie gut es bei verschiedenen Netzwerkbedingungen und Arbeitslasten abschneidet.

#Wichtige Erkenntnisse zur TCP-Leistung

Die Untersuchung brachte zwei bedeutende Erkenntnisse über die Leistung von TCP mit Niedrig-Prioritäts-Strömen zutage. Erstens, in mehreren gängigen Anwendungen, wie Netzwerkplanung, schneidet TCP für Niedrig-Prioritäts-Ströme ziemlich gut ab. Es bleibt nahe an der Leistung besser optimierter Systeme. Zweitens, in neueren Arbeitslasten, die Muster mit hoher und niedriger Aktivität zeigen – wie verteilte maschinelle Lernaufgaben – hat TCP Probleme mit Niedrig-Prioritäts-Strömen, was zu schlechter Leistung führt.

Die Forschung zielte darauf ab, besser zu verstehen, wann TCP für Niedrig-Prioritäts-Ströme geeignet ist und etwaige Mängel oder Herausforderungen zu identifizieren, mit denen es konfrontiert ist. Um dies zu erreichen, nutzte die Studie eine Mischung aus realen Experimenten und Simulationen, um verschiedene Szenarien zu erkunden. Die Ergebnisse wurden mit einem nahezu optimalen Transportprotokoll als Benchmark verglichen, das Echtzeitdaten über Netzwerkbedingungen verwendet, um die Leistung zu verbessern.

#Bewertung der Netzwerkplanungsleistung

Die Studie betrachtete zunächst gängige Szenarien, in denen Netzwerkpriorisierung angewendet wird, wie z.B. die Netzwerkplanung. Netzwerkplanung bezieht sich darauf, wie verschiedene Datenströme organisiert und über das Netzwerk übertragen werden.

Ein Ansatz, der als Duplicate Aware Scheduling (DAS) bezeichnet wird, erstellt Duplikate eingehender Anfragen, um potenzielle Verzögerungen zu bewältigen. Diese Methode zielt darauf ab, die Zeit, die für die Erfüllung von Anfragen benötigt wird, zu reduzieren, insbesondere in Anwendungen mit kritischen Leistungsanforderungen. Die Forschung stellte fest, dass die Leistung von TCP unter dieser Methode relativ nah am Optimalen für Niedrig-Prioritäts-Ströme lag, selbst bei unterschiedlichen Anfragegrössen.

Andererseits schnitten Niedrig-Prioritäts-Ströme in einer anderen Planungsmethode, die als Shortest Job First (SJF) bekannt ist, weniger gut ab. TCP erlebte signifikante Leistungseinbussen, wenn Hoch-Prioritäts-Verkehr häufig Niedrig-Prioritäts-Aufgaben unterbrach, insbesondere wenn die Hoch-Prioritäts-Aufgaben gross und bursty waren.

#Erkundung der Arbeitslast-Ko-Lokation

Ein weiterer wichtiger Bereich der Studie war die Ko-Lokation von Arbeitslasten, bei der mehrere Anwendungen gleichzeitig auf denselben Cloud-Ressourcen arbeiten. Zum Beispiel könnte eine Cloud-Umgebung sowohl Speicheraufgaben als auch Arbeitslasten für maschinelles Lernen abwickeln. In diesem Fall stellte die Studie fest, dass die Leistung von TCP für Niedrig-Prioritäts-Ströme im Allgemeinen akzeptabel war, wenn der Hoch-Prioritäts-Verkehr weniger variabel war. Umgekehrt, wenn der Hoch-Prioritäts-Verkehr bursty wurde, beeinträchtigte das massiv den Niedrig-Prioritäts-Verkehr.

Insbesondere als die Hoch-Prioritäts-Maschinenlern-Arbeitslasten Aktualisierungs-Peaks erzeugten, hatte die Niedrig-Prioritäts-Speicherarbeitslast erheblich zu kämpfen. Der Feedback-Kreis für TCP wurde negativ beeinflusst, was zu Rückgängen im Durchsatz und verlängerten Wartezeiten führte.

#Leistung mit hybriden Diensten

Die Studie untersuchte auch hybride Dienste, bei denen verschiedene Transportprotokolle koexistieren. In solchen Szenarien wurden ältere Protokolle wie TCP für Niedrig-Prioritäts-Aufgaben verwendet, während fortschrittlichere Protokolle den Hoch-Prioritäts-Verkehr abwickelten. Die Ergebnisse zeigten, dass die leistungsstarken Transportprotokolle das Netzwerk sättigen konnten, was zu Verzögerungen bei der Verarbeitung von Niedrig-Prioritäts-Strömen führte. Folglich führte diese Konfiguration dazu, dass der Feedback-Kreis von TCP für Niedrig-Prioritäts-Aufgaben häufig ins Stocken geriet, was zu schlechter Leistung führte.

#Die Auswirkungen von Pufferspeichergrössen und Zeitüberschreitungen

Die Forschung untersuchte, wie die Grösse der Buffer – Speicherbereiche in Netzwerkgeräten – die Leistung von TCP für Niedrig-Prioritäts-Ströme beeinflusst. Kleinere Pufferspeichergrössen führten normalerweise zu schlechteren Ergebnissen für TCP, da der begrenzte Platz bedeutete, dass Niedrig-Prioritäts-Verkehr mit längeren Wartezeiten umgehen musste.

Ähnlich spielte die Retransmission Timeout (RTO), die angibt, wie lange TCP wartet, bevor es ein Paket als verloren erklärt, eine entscheidende Rolle bei der Leistung. Wenn die RTO zu niedrig eingestellt wurde, hatte TCP häufig mit fehlerhaften Zeitüberschreitungen zu kämpfen, während eine höhere RTO Verzögerungen bei der Wiederherstellung von tatsächlichen Paketverlusten verursachte. Den richtigen RTO-Wert zu finden, ist entscheidend für eine gute Leistung, besonders unter Bedingungen der Netzwerkpriorisierung.

#Verbesserung der TCP-Leistung

Basierend auf den Ergebnissen bewertete die Studie potenzielle Strategien zur Verbesserung der Leistung von TCP für Niedrig-Prioritäts-Ströme. Ein Vorschlag war, strenge Prioritätswarteschlangen durch gewichtete faire Warteschlangen (WFQ) zu ersetzen. Diese Methode ermöglicht es Niedrig-Prioritäts-Strömen, einen garantierten Anteil an Bandbreite zu erhalten, wodurch die Wahrscheinlichkeit, dass sie hinter Hoch-Prioritäts-Verkehr stecken bleiben, minimiert wird.

Ein weiterer getesteter Ansatz war die Cross-Queue Congestion Notification (CQCN). Diese Technik ermöglicht es TCP, Staus zu identifizieren, die durch Hoch-Prioritäts-Ströme verursacht werden, sodass es sein Verhalten entsprechend anpassen und unnötigen Verkehr reduzieren kann.

#Fazit

Abschliessend hebt diese Studie die wichtige, aber oft übersehene Rolle von Niedrig-Prioritäts-Strömen in Cloud-Systemen hervor. Während TCP in vielen Situationen angemessen funktioniert, steht es unter bestimmten Arbeitslasten, insbesondere wenn Hoch-Prioritäts-Verkehr bursty ist oder wenn die Pufferspeichergrössen begrenzt sind, vor erheblichen Herausforderungen. Die gewonnenen Erkenntnisse können helfen, das Design von Transportprotokollen und Netzwerksystemen zu verbessern, um in Zukunft besser auf Niedrig-Prioritäts-Ströme einzugehen. Forscher und Ingenieure können diese Ergebnisse nutzen, um die Netzwerkleistung zu verbessern und sicherzustellen, dass alle Verkehrstypen effektiv in Cloud-Umgebungen koexistieren können.