Design and experimental validation of a new bandwidth sharing scheme based on dynamic queue assignment

Even if the fair sharing of available resources in the network has been one of the basic principles since the Internet beginnings, it is still today not fully implemented. The fairness among traffic flows is mainly managed by the transport layer and the network does not have an active role but it just provides a Best Effort type of service without quality guarantees. The objective of the work is to present a practical solution to the bandwidth sharing problem in a network node. Therefore, the current approaches were analyzed in order to propose an original and ready for use scheme. The new bandwidth sharing allocation engine (named UGUALE) works by assigning packets to the queues of a Strict Priority scheduler based on the measured rate offered by users. The main idea is to prioritize well-behaving users in order to collaborate with the end-to-end congestion control mechanisms they implement at the transport or application layer. The allocation engine was implemented with the abstractions made available by the OpenFlow switch model and APIs, with the aim of proposing a solution amenable to be deployed in existing Software Defined Networking (SDN) architectures. Moreover, UGUALE is easy to configure since the only requested parameters are the guaranteed rates that users should obtain. To validate our approach, a real testbed composed of five PCs was set up and several automation and monitoring scripts were written. When tested, the proposed allocation engine proved to be very effective in guaranteeing minimum rates and in the fair allocation of the free capacity, even when users have a different number of TCP connections or different Round Trip Times (RTTs). In conclusion, the promising results obtained by UGUALE makes us believe that such an approach is worth of further analysis.

Sebbene l'equa condivisione delle risorse di rete sia stata uno dei principi fondamentali sin dagli inizi di Internet, ad oggi non è ancora stata completamente implementata. La ripartizione della banda tra i flussi di traffico è gestita principalmente dal livello di trasporto, pertanto la rete non ha un ruolo attivo ma fornisce semplicemente un tipo di servizio Best Effort senza garanzie di qualità. L'obiettivo del lavoro è di presentare una soluzione pratica al problema della suddivisione della banda in un nodo della rete. Per questo motivo abbiamo analizzato le soluzioni attuali così da poter proporre uno schema innovativo e di facile adozione. Il nuovo schema di allocazione di banda (chiamato UGUALE) è basato sull'assegnamento dei pacchetti alle code di uno scheduler Strict Priority in base al tasso d'arrivo offerto dagli utenti. L'idea si basa sulla prioritizzazione degli utenti che rispettano i propri limiti così da collaborare con i meccanismi di controllo di congestione implementati al livello di trasporto o applicativo. Lo schema di allocazione è stato implementato con le astrazioni rese disponibili dal modello di switch OpenFlow e dalle sue API, con lo scopo di proporre una soluzione facilmente utilizzabile nelle architetture Software Defined Networking (SDN) già esistenti. UGUALE è facile da configurare siccome l'unico parametro richiesto è la banda da garantire a ciascun utente. Al fine di verificare la bontà della nostra soluzione, abbiamo configurato una rete composta da cinque computer, inoltre abbiamo scritto diversi programmi per automatizzare i test e per controllare in tempo reale la suddivisione della banda. Dai test emerge che UGUALE è efficace nel garantire la banda minima e nell'allocare equamente la banda eccedente, anche quando gli utenti hanno un numero diverso di connessioni TCP o dei Round Trip Time (RTT) differenti. In conclusione, visti i risultati promettenti ottenuti, siamo convinti che il funzionamento dello schema di allocazione proposto meriti ulteriori approfondimenti.