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mininetでMPTCPを動かしてみる

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mininetを使ったMPTCPによるスループット改善

mininetは、仮想ネットワークを構築してシミュレーションを行うためのツールで、実際のネットワーク環境を模倣することができます。この記事では、Mininetを使用してMPTCP（Multipath TCP）を有効にしたネットワークを構築し、従来のTCP（単一パス接続）とMPTCP（複数パス接続）でのスループットを比較します。

MPTCPとは？

MPTCP（Multipath TCP）は、複数のネットワークパスを利用することで、TCP接続の帯域幅を拡張し、スループット向上やネットワークの冗長性を向上させるプロトコルです。

MPTCPは、特にモバイルネットワークや複数のネットワークインターフェースを持つホストで効果的です。この記事では、mininetでMPTCPを動かし、複数の経路を使用してスループットがどの程度向上するかを紹介します。

実験

実験環境

まず、自分の実験で使用した環境について説明します。

1. ホストマシン

  • OS：macOS
  • 仮想化プラットフォーム：VirtualBox

2. ゲストVM

  • OS：Ubuntu20.04 LTS

3. ソフトウェアのバージョン

  • Python：3.12.3
  • Mininet：2.3.0

トポロジ

この実験では、Mininetで以下のような簡単なネットワークトポロジを構築します：

  • ホスト：h1, h2
  • スイッチ：s1, s2
  • リンク：各ホストは2つのスイッチ(s1, s2)に接続され、それぞれ5Mbpsの帯域幅を持つリンクを使います
h1 ---- s1 ---- s2 ---- h2

実験内容

以下のスクリプトは、Mininet上でMPTCPを有効にし、単一パス接続と複数パス接続のスループットを比較するためのものです。

  1. 単一パス(TCP)テスト
    h1とh2の間で通常のTCP接続を使用してスループットを計測

  2. 複数パス(MPTCP)テスト
    MPTCPを利用してh1, h2間に2つのコネクションを張り、同時に使用してスループットを計測

  3. スループットの比較
    1と2で取得したスループットを比較してMPTCPの有効性を評価

スクリプト

#!/usr/bin/python

from mininet.topo import Topo
from mininet.net import Mininet
from mininet.node import Node, Controller
from mininet.log import setLogLevel, info
from mininet.cli import CLI
from mininet.link import TCLink
import time
import re
import os
import sys

# ネットワークのトポロジーを定義
class MPTCPTopo(Topo):
    def build(self):
        h1 = self.addHost('h1')
        h2 = self.addHost('h2')

        s1 = self.addSwitch('s1')
        s2 = self.addSwitch('s2')

        self.addLink(h1, s1, cls=TCLink, bw=5)
        self.addLink(s1, h2, cls=TCLink, bw=5)

        self.addLink(h1, s2, cls=TCLink, bw=5)
        self.addLink(s2, h2, cls=TCLink, bw=5)

# MPTCPを設定する関数
def setupMPTCP(net):
    h1, h2 = net.get('h1', 'h2')

    info('*** MPTCP activate\n')
    for host in [h1, h2]:
        host.cmd('sysctl -w net.mptcp.enabled=1')

    info('*** set IP address\n')
    h1.cmd('ip addr add 10.0.1.1/24 dev h1-eth1')
    h2.cmd('ip addr add 10.0.1.2/24 dev h2-eth1')

    h1.cmd('ip link set h1-eth1 up')
    h2.cmd('ip link set h2-eth1 up')

    info('*** h1 interface:\n')
    info(h1.cmd('ifconfig'))
    info('*** h2 interface:\n')
    info(h2.cmd('ifconfig'))

    info('*** MPTCP endpoint\n')
    h1.cmd('ip mptcp endpoint flush')
    h2.cmd('ip mptcp endpoint flush')

    h1.cmd('ip mptcp endpoint add 10.0.0.1 dev h1-eth0 subflow')
    h1.cmd('ip mptcp endpoint add 10.0.1.1 dev h1-eth1 subflow')

    h2.cmd('ip mptcp endpoint add 10.0.0.2 dev h2-eth0 signal')
    h2.cmd('ip mptcp endpoint add 10.0.1.2 dev h2-eth1 signal')

    info('*** h1 mptcp:\n')
    info(h1.cmd('ip mptcp endpoint show'))
    info('*** h2 mptcp:\n')
    info(h2.cmd('ip mptcp endpoint show'))

    info('*** connection test\n')
    info(h1.cmd('ping -c 2 10.0.0.2'))
    info(h1.cmd('ping -c 2 10.0.1.2'))

# 単一パスでのスループットテスト
def testSinglePath(net):
    h1, h2 = net.get('h1', 'h2')

    info('*** Test: SinglePath（5Mbps）\n')

    h1.cmd('ip mptcp endpoint flush')
    h1.cmd('ip mptcp endpoint add 10.0.0.1 dev h1-eth0 subflow')
    h1.cmd('ip mptcp endpoint add 10.0.1.1 dev h1-eth1 subflow backup')

    h2.cmd('iperf -s -p 5001 > /dev/null &')
    time.sleep(1)

    result = h1.cmd('iperf -c 10.0.0.2 -p 5001 -t 10')
    info('*** Result: SinglePath:\n')
    info(result)

    bw_match = re.search(r'(\d+\.\d+) Mbits/sec', result)
    if bw_match:
        single_bw = float(bw_match.group(1))
    else:
        single_bw = 0
        info('*** Failed\n')

    h2.cmd('pkill -9 iperf')
    time.sleep(1)

    return single_bw

# 複数パス（MPTCP）でのスループットテスト
def testMultiPath(net):
    h1, h2 = net.get('h1', 'h2')

    info('*** Test: Multipath（MPTCP、2 x 5Mbps）\n')

    # Multipath activation
    h1.cmd('ip mptcp endpoint flush')
    h1.cmd('ip mptcp endpoint add 10.0.0.1 dev h1-eth0 subflow')
    h1.cmd('ip mptcp endpoint add 10.0.1.1 dev h1-eth1 subflow')

    h2.cmd('mptcpize run iperf -s -p 5002 > /dev/null &')
    time.sleep(1)

    result = h1.cmd('mptcpize run iperf -c 10.0.0.2 -p 5002 -t 10')
    info('*** Result: Multipath:\n')
    info(result)

    bw_match = re.search(r'(\d+\.\d+) Mbits/sec', result)
    if bw_match:
        multi_bw = float(bw_match.group(1))
    else:
        multi_bw = 0
        info('*** Failed\n')

    info('*** MPTCP subflow status::\n')
    info(h1.cmd('ss -iaM'))

    h2.cmd('pkill -9 iperf')

    return multi_bw

# 実行関数
def run():
    topo = MPTCPTopo()
    net = Mininet(topo=topo, link=TCLink)

    net.start()

    try:
        setupMPTCP(net)

        single_bw = testSinglePath(net)
        time.sleep(2)
        multi_bw = testMultiPath(net)

        info('\n*** Test Results Summary:\n')
        info('   Single Path (5Mbps): %.2f Mbits/sec\n' % single_bw)
        info('   MPTCP (2 x 5Mbps): %.2f Mbits/sec\n' % multi_bw)
        info('   Throughput Improvement: %.2f%%\n' % (((multi_bw/single_bw)-1)*100 if single_bw > 0 else 0))

        info('\n*** Starting CLI for additional testing\n')
        info('   Check subflows: h1 ss -iaM\n')
        info('   Check endpoints: h1 ip mptcp endpoint show\n')
        CLI(net)
    finally:
        net.stop()

if __name__ == '__main__':
    if os.geteuid() != 0:
        print("This script must be run as root.")
        print("Please run with: sudo python %s" % sys.argv[0])
        sys.exit(1)

    setLogLevel('info')

    # Run
    run()

スループット改善の結果

上記のスクリプトを実行した後、次の結果が得られます：

*** Test Results Summary:
   Single Path (5Mbps): 4.79 Mbits/sec
   MPTCP (2 x 5Mbps): 9.15 Mbits/sec
   Throughput Improvement: 91.02%

この結果から、MPTCPを有効にすることでスループットが改善されることが確認できます。

コード

まとめ

Mininetを使って、MPTCPによるネットワークスループットの改善を実演してみました。MPTCPを使うことで、複数のネットワークパスを同時に活用し、帯域幅を効率的に増やすことができます。これにより、ネットワークの安定性が向上し、スループットもアップすることが実証されました。

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