Сокращение задержек в беспроводных сетях

Исследователи MIT разработали схему контроля перегрузки для беспроводных сетей, которая может помочь сократить время задержки и повысить качество потокового видео, видеочата, мобильных игр и других веб-сервисов.

Для обеспечения бесперебойной работы веб-служб схемы управления перегрузками выводят информацию о пропускной способности сети и перегрузках на основе обратной связи от сетевых маршрутизаторов, которая кодируется в пакетах данных. Эта информация определяет, как быстро пакеты данных отправляются через сеть.

Беспроводные сети станут быстрее

• Достижение явного контроля

• Оставаться на шаг впереди

Определение хорошей скорости отправки может быть сложным балансировочным актом. Отправители не хотят быть слишком консервативными: Если пропускная способность сети постоянно варьируется от, скажем, двух мегабайт в секунду до 500 килобайт в секунду, отправитель всегда может отправить трафик с наименьшей скоростью. Но тогда, например, видео Netflix будет неоправданно низкокачественным. С другой стороны, если отправитель постоянно поддерживает высокую скорость, даже при падении пропускной способности сети, он может перегрузить сеть, создав массивную очередь пакетов данных, ожидающих доставки. Очереди пакетов могут увеличить задержку сети, вызывая, скажем, зависание звонка Skype.

Подписывайтесь на наш youtube канал!

Все становится еще сложнее в беспроводных сетях, которые имеют «изменяющиеся во времени каналы связи» с быстрыми, непредсказуемыми изменениями пропускной способности. В зависимости от различных факторов, таких как количество пользователей сети, расположение вышек сотовой связи и даже окружающие здания, пропускная способность может удвоиться или упасть до нуля за доли секунды. В документе на симпозиуме USENIX по проектированию и внедрению сетевых систем исследователи представили «Accel-Brake Control» (ABC), простую схему, которая позволяет увеличить пропускную способность примерно на 50 %, а сетевые задержки уменьшить примерно в половину при нестационарных каналах связи.

Схема основана на новом алгоритме, который позволяет маршрутизаторам явно сообщать, сколько пакетов данных должно пройти через сеть, чтобы избежать перегрузки, но полностью использовать сеть. Он предоставляет эту подробную информацию от узких мест, таких как пакеты, поставленные в очередь между вышками сотовой связи и отправителями, путем перепрофилирования одного бита, уже доступного в интернет-пакетах. Исследователи уже ведут переговоры с операторами мобильных сетей для проверки схемы.

«В сотовых сетях ваша доля емкости данных быстро меняется, что приводит к задержкам в обслуживании. Традиционные схемы слишком медленны, чтобы адаптироваться к этим изменениям», - говорит первый автор Пратиш Гоял, аспирант в Лаборатории искусственного интеллекта MIT (CSAIL). «ABC предоставляет подробные отзывы об этих сдвигах, независимо от того, идет ли он вверх или вниз, используя один бит данных».

Вместе с Гоялом работают Ануп Агарвал, ныне аспирант Университета Карнеги-Мелон; Рави Нетравали, ныне доцент кафедры компьютерных наук в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе; Мохаммад Ализаде, доцент кафедры электротехники Массачусетского технологического института (EECS) и CSAIL; и Хари Балакришнан, профессор Fujitsu в EECS. Все авторы были членами группы «Сети и мобильные системы» в CSAIL.

Достижение явного контроля

Традиционные схемы контроля перегруженности полагаются либо на потери пакетов, либо на информацию от одного "бита перегрузки" в интернет-пакетах, чтобы сделать вывод о перегрузке и замедлить ее. Маршрутизатор, например, базовая станция, помечает бит, предупреждающий отправителя - скажем, видеосервер - о том, что отправленные им пакеты данных находятся в длинной очереди, сигнализируя о перегрузке. В ответ отправитель снизит свою скорость, посылая меньше пакетов. Отправитель также снижает свою скорость, если он обнаруживает закономерность падения пакетов до того, как они достигнут получателя.

В попытках предоставить больше информации о узких местах на сетевом пути, исследователи предложили "явные" схемы, которые включают несколько битов в пакетах, которые определяют текущую скорость. Но такой подход означал бы полное изменение способа передачи данных через Интернет, который оказался невозможным для развертывания.

"Это сложная задача", - говорит Ализаде. "Вам пришлось бы внести инвазивные изменения в стандартный интернет-протокол (IP) для отправки пакетов данных". Вы должны будете убедить все интернет-компании, операторов мобильной связи, интернет-провайдеров и вышек сотовой связи изменить способ отправки и получения пакетов данных. Этого не произойдет".

С помощью ABC исследователи все еще используют один бит в каждом пакете данных, но делают это таким образом, что биты, агрегированные по нескольким пакетам данных, могут предоставлять отправителям необходимую информацию о скорости в режиме реального времени. Схема отслеживает каждый пакет данных по кругу от отправителя до базовой станции и приемника. Базовая станция отмечает бит в каждом пакете с помощью "ускорения" или "торможения" в зависимости от текущей пропускной способности сети. При приеме пакета отмеченный бит сообщает отправителю об увеличении или уменьшении "бортовых" пакетов - пакетов, отправленных, но не принятых, которые могут находиться в сети.

Если он получает команду на ускорение, это означает, что пакет хорошо успевает и у сети есть свободная пропускная способность. Затем отправитель посылает два пакета: один для замены полученного пакета, а другой для использования резервной емкости. Когда отправителю приказано остановиться, он уменьшает свои бортовые пакеты на одно значение, что не заменяет полученный пакет.

Используемый во всех пакетах в сети, этот бит информации становится мощным инструментом обратной связи, который сообщает отправителям их скорость отправки с высокой точностью. В течение пары сотен миллисекунд она может варьировать скорость отправителя от нуля до удвоения. "Можно подумать, что один бит не несет в себе достаточно информации, - говорит Ализаде. "Но, агрегатируя однобитную обратную связь по потоку пакетов, мы можем получить тот же эффект, что и мультибитный сигнал".

Оставаться на шаг впереди

В основе ABC лежит алгоритм, который прогнозирует совокупную скорость отправителей на один круг вперед, чтобы лучше вычислить обратную связь ускорения / торможения.

Идея состоит в том, что базовая станция, оборудованная ABC, знает, как отправители будут вести себя - поддерживая, увеличивая или уменьшая свои пакеты, - основываясь на том, как она пометила пакет, отправленный получателю. В тот момент, когда базовая станция отправляет пакет, она знает, сколько пакетов она получит от отправителя ровно за один раз в оба конца в будущем. Он использует эту информацию для маркировки пакетов для более точного соответствия скорости отправителя с текущей пропускной способностью сети.

При моделировании сетей сотовой связи по сравнению с традиционными схемами управления перегрузкой ABC достигает примерно на 30-40 % большей пропускной способности при примерно тех же задержках. Кроме того, он может уменьшить задержки примерно на 200–400 %, поддерживая ту же пропускную способность, что и традиционные схемы. По сравнению с существующими явными схемами, которые не были предназначены для каналов, изменяющихся во времени, ABC сокращает задержки вдвое при той же пропускной способности. «По сути, существующие схемы имеют низкую пропускную способность и низкие задержки, или высокую пропускную способность и высокие задержки, тогда как ABC достигает высокой пропускной способности с низкими задержками», - говорит Гойал.

Затем исследователи пытаются выяснить, могут ли приложения и веб-службы использовать ABC для лучшего контроля качества контента. Например, «поставщик видеоконтента может использовать информацию ABC о заторах и скоростях передачи данных, чтобы более разумно выбирать разрешение потоковой передачи видео», - говорит Ализаде. «Если ему не хватает емкости, видеосервер может временно снизить разрешение, поэтому видео будет продолжать воспроизводиться с максимально возможным качеством без зависания». опубликовано econet.ru по материалам sciencenews.org

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet