マルチパスTCP

マルチパスTCP（MPTCP ）は、インターネット技術タスクフォース（IETF）のマルチパスTCPワーキンググループによる継続的な取り組みであり、伝送制御プロトコル（TCP）接続が複数のパスを使用してスループットを最大化し、冗長性を高めることを目的としています。^{[ 1 ]}

2013年1月、IETFはRFC 6824においてマルチパス仕様を実験的標準として公開しました。これは2020年3月にRFC 8684のマルチパスTCP v1仕様に置き換えられました。  

マルチパスTCPが提供する冗長性により、リソースの逆多重化が可能になり、標準TCPのように単一のリンクレベルチャネルを使用するのではなく、利用可能なすべてのリンクレベルチャネルの合計までTCPスループットが向上します。マルチパスTCPは標準TCPとの下位互換性があります。

マルチパスTCPは、無線ネットワークのコンテキストで特に有用です。^{[ 2 ]} Wi-Fiとモバイルネットワークの両方を使用することが典型的な使用例です。^{[ 3 ]}逆多重化によるスループットの向上に加えて、エンドツーエンドのTCP接続を中断することなく、ユーザーがカバレッジに出入りする際にリンクを追加または削除できます。^{[ 4 ]}

このように、リンクハンドオーバーの問題は、ネットワーク層やリンク層に特別なメカニズムを設けることなく、トランスポート層での抽象化によって解決されます。これにより、インターネットのエンドツーエンド原則に従い、サブネットワークに特別な機能を必要とせずに、エンドポイントでハンドオーバー機能を実装できます。

マルチパスTCPは、データセンター環境においてもパフォーマンス上の利点をもたらします。 ^{[ 5 ]} 802.3adリンクアグリゲーションを使用したイーサネットチャネルボンディングとは対照的に、マルチパスTCPは単一のTCP接続を複数のインターフェイスに分散させ、非常に高いスループットを実現できます。^{[ 6 ]}

マルチパスTCPは、多くの新たな問題を引き起こします。ネットワークセキュリティの観点から見ると、マルチパスルーティングはクロスパスデータの断片化を引き起こし、ファイアウォールやマルウェアスキャナが1つのパスのトラフィックしか認識できない場合、非効率になります。さらに、エンドツーエンド暗号化プロトコルによってSSL復号化が非効率になります。^{[ 7 ]}

展開を容易にするため、マルチパスTCPはTCPと同じソケットインターフェースを提供します。これは、マルチパスTCP上で任意の標準TCPアプリケーションを使用でき、実際にはデータを複数のサブフローに分散できることを意味します。^{[ 8 ]}

一部のアプリケーションは、基盤となるマルチパスTCPスタックを制御するための拡張APIから恩恵を受ける可能性があります。マルチパスTCPスタックの一部の機能をアプリケーションに公開するために、2つの異なるAPIが提案されています。1つはLinux上のNetlinkを拡張するAPI ^{[ 9 ]}、もう1つは拡張ソケットAPI ^{[ 10 ]です。}

2013 年 7 月、MPTCP ワーキンググループは、^Linuxカーネル内の最初の参照実装 [8] を含む、^{マルチパスTCPの5つの独立した実装を報告しました。 [ 11 ] [12] [ 13 ]}

現在利用可能な実装は以下のとおりです。

• Linuxカーネル（新しいリファレンス実装）はv5.6でメインラインカーネルに導入されました^{[ 14 ]}
• Linux カーネル(初期リファレンス実装)は、ルーヴァン カトリック大学の研究者および他の協力者からフォークされました^{[ 8 ]}
• スウィンバーン工科大学のFreeBSD（IPv4のみ）^{[ 15 ]}とディーキン大学のAI/MLベース^{[ 16 ]}
• F5 Networks BIG-IP LTM ^{[ 17 ]}
• Citrix Netscaler ^{[ 18 ]}
• 2013年9月18日にリリースされたApple iOS 7は、マルチパスTCPの最初の大規模な商用展開です。^{[ 19 ]} iOS 7以降、あらゆるアプリケーションでマルチパスTCPを使用できます。
• Apple Mac OS X 10.10、2014年10月16日リリース^{[ 20 ]}
• Alcatel-Lucentは2012年10月26日にMPTCPプロキシバージョン0.9のソースコードを公開しました^{[ 21 ] [ 22 ]。}

2014年7月、OracleはSolaris上での実装が開発中であると報告した。2015年6月現在、作業は進行中である。^{[ 23 ]}また、Linuxカーネルのメインラインに新しいマルチパスTCP実装を導入する取り組みも継続中である。^{[ 24 ]}

IETF 93 の MPTCP WG 会議で、SungHoon Seo 氏は、KT が 6 月中旬から MPTCP プロキシ サービスを使用してスマートフォン ユーザーが 1 Gbit/s に到達できる商用サービスを展開していることを発表しました。^{[ 25 ]} Wavenet は、Linux カーネル実装 (Tessares によって開発) を使用してハイブリッド アクセス ネットワークを展開しています。

マルチパスTCPは、通常のTCPとの下位互換性を持つように設計されています。そのため、あらゆるアプリケーションをサポートできます。ただし、特定の展開^{[ 26 ]}では、異なるパスを同時に使用する機能を活用しています。

Appleは、 iPhoneのSiriアプリケーションをサポートするためにマルチパスTCPを使用しています。SiriはHTTPSセッションを介して音声サンプルをAppleサーバーに送信します。これらのサーバーは、ユーザーが要求した情報で応答します。Appleのエンジニアによると、このアプリケーションにおけるマルチパスTCPの主な利点^{[ 27 ]}は次のとおりです。

• ユーザーフィードバック（最初の単語までの時間）が95パーセンタイルで20%高速化
• ネットワーク障害を5分の1に削減

他の展開では、マルチパスTCPを使用して異なるネットワークの帯域幅を集約します。たとえば、韓国では、いくつかの種類のスマートフォンがマルチパスTCPを使用してSOCKSプロキシを介してWiFiと4Gを結合しています。^{[ 28 ]}別の例として、xDSLとLTEネットワークを組み合わせようとするネットワーク事業者によって展開されるハイブリッドアクセスネットワークがあります。この展開では、マルチパスTCPを使用してxDSLとLTEネットワーク上のトラフィックを効率的にバランスさせます。^{[ 29 ]}

固定通信ネットワークと移動通信ネットワークの統合標準化において、3GPPとBBFは相互運用を行い、マルチパスセッションをサポートするATSSS（アクセストラフィック選択、スイッチング、分割）機能を提供しています。これは、ユーザー機器（UE）または住宅用ゲートウェイ（RG）とネットワーク側の両方でマルチパスTCPを適用することによって実現されます。^{[ 30 ]}

マルチパスTCPは、 RFC 8684で詳細に説明されているオプションを使用します。すべてのマルチパスTCPオプションは、IANAによって予約されているオプションの種類30を持つTCPオプションとしてエンコードされます。^{[ 31 ]} 

マルチパスTCPオプションは、標準のOption-Kind（この場合は30）とLengthの値に続いて4ビットのサブタイプフィールドで構成されます。IANAは、「 Transmission Control Protocol (TCP) Parameters」レジストリの下に「MPTCP Option Subtypes」というサブレジストリを管理しています。このサブタイプフィールドはMPTCPヘッダータイプを示し、その値は次のように定義されます。

0x9から0xeまでの値は、現在未割り当てです。

マルチパス TCP には、いくつかの輻輳制御メカニズムが定義されています。従来の TCP 輻輳制御方式との主な違いは、異なるパス上の輻輳に対応する必要がある一方で、いずれかのパスで競合する可能性のある単一パス TCP ソースに対して不公平にならないようにする必要がある点です。^{[ 3 ]}現在、Linux カーネルのマルチパス TCP 実装では、4 つのマルチパス TCP 輻輳制御方式がサポートされています。

• RFC 6356で定義されているリンク増加アルゴリズム
• 機会主義的リンク増加アルゴリズム^{[ 34 ]}
• wVegasの遅延ベースの輻輳制御アルゴリズム
• バランスリンク増加アルゴリズム^{[ 35 ]}

• RFC 6181 - マルチパス操作における複数アドレス対応TCP拡張機能の脅威分析 
• RFC 6182 - マルチパスTCP開発のためのアーキテクチャガイドライン 
• RFC 6356 - マルチパス伝送プロトコルにおける結合型輻輳制御 
• RFC 6824 - 複数アドレスによるマルチパス操作のためのTCP拡張機能（v0；RFC 8684に置き換えられました） 
• RFC 6897 - マルチパスTCP（MPTCP）アプリケーションインターフェースに関する考慮事項 
• RFC 7430 - マルチパスTCP（MPTCP）における残存脅威の分析と可能な対策 
• RFC 8041 - マルチパスTCPのユースケースと運用経験 
• RFC 8684 - 複数アドレスによるマルチパス動作のためのTCP拡張機能（v1） 
• RFC 8803 - 0-RTT TCP変換プロトコル 

• 輸送プロトコル比較表

• LinuxカーネルのマルチパスTCPプロジェクト
• LinuxカーネルのマルチパスTCPプロジェクト（旧ウェブサイト）
• Linux MPTCPの実装について分かりやすく解説した記事