Reducere forsinkelser i trådløse netværk

MIT-forskere har designet en overbelastningskontrolordning til trådløse netværk, der kan hjælpe med at reducere forsinkelsestider og øge kvaliteten i videostreaming, videochat, mobilspil, og andre webtjenester.

For at holde webtjenester kørende, congestion-control-ordninger udleder oplysninger om et netværks båndbreddekapacitet og overbelastning baseret på feedback fra netværksrouterne, som er kodet i datapakker. Disse oplysninger bestemmer, hvor hurtigt datapakker sendes gennem netværket.

Beslutning om en god afsendelsesrate kan være en hård balancegang. Afsendere ønsker ikke at være alt for konservative:Hvis et netværks kapacitet konstant varierer fra, sige, to megabyte i sekundet til 500 kilobyte i sekundet, afsenderen kunne altid sende trafik til den laveste hastighed. Men så din Netflix -video, for eksempel, vil være unødigt lav kvalitet. På den anden side, hvis afsenderen konstant opretholder en høj sats, selv når netværkskapaciteten falder, det kan overvælde netværket, skaber en massiv kø af datapakker, der venter på at blive leveret. Pakker i kø kan øge netværksforsinkelsen, forårsager, sige, dit Skype -opkald for at fryse.

Tingene bliver endnu mere komplicerede i trådløse netværk, som har "tidsvarierende links, "med hurtig, uforudsigelige kapacitetsskift. Afhængig af forskellige faktorer, f.eks. antallet af netværksbrugere, celletårns placeringer, og endda omkringliggende bygninger, kapaciteter kan fordobles eller falde til nul inden for brøkdele af et sekund. I et oplæg på USENIX Symposium on Networked Systems Design and Implementation, forskerne præsenterede "Accel-Brake Control" (ABC), en simpel ordning, der opnår omkring 50 procent højere gennemstrømning, og omkring halvdelen af ​​netværksforsinkelserne, på tidsvarierende links.

Ordningen er baseret på en ny algoritme, der gør det muligt for routerne eksplicit at kommunikere, hvor mange datapakker der skal strømme gennem et netværk for at undgå overbelastning, men fuldt ud at udnytte netværket. Det giver detaljerede oplysninger fra flaskehalse - f.eks. Pakker i kø mellem celletårne ​​og afsendere - ved at genbruge en enkelt bit, der allerede er tilgængelig i internetpakker. Forskerne er allerede i forhandlinger med mobilnetværksoperatører om at teste ordningen.

"I mobilnetværk, din brøkdel af datakapacitet ændrer sig hurtigt, forårsager forsinkelser i din service. Traditionelle ordninger er for langsomme til at tilpasse sig disse skift, "siger første forfatter Prateesh Goyal, en kandidatstuderende i CSAIL. "ABC giver detaljeret feedback om disse skift, om det er gået op eller ned, ved hjælp af en enkelt databit. "

Tilsluttede sig Goyal på papiret er Anup Agarwal, nu kandidatstuderende ved Carnegie Melon University; Ravi Netravali, nu adjunkt i datalogi ved University of California i Los Angeles; Mohammad Alizadeh, en lektor i MIT's Institut for Elektroteknik (EECS) og CSAIL; og Hari Balakrishnan, Fujitsu -professoren i EECS. Forfatterne har alle været medlemmer af gruppen Netværk og mobile systemer på CSAIL.

Opnå eksplicit kontrol

Traditionelle overbelastningskontrolordninger afhænger enten af ​​tab af pakker eller oplysninger fra en enkelt "overbelastnings" bit i internetpakker for at udlede overbelastning og bremse. En router, såsom en basestation, markerer den bit for at advare en afsender - sig, en videoserver - at dens sendte datapakker står i en lang kø, signalering af overbelastning. Som svar, afsenderen reducerer derefter hastigheden ved at sende færre pakker. Afsenderen reducerer også hastigheden, hvis den registrerer et mønster af pakker, der tabes, inden den når modtageren.

I forsøg på at give større information om flaskehalsede links på en netværkssti, forskere har foreslået "eksplicitte" ordninger, der indeholder flere bits i pakker, der angiver aktuelle hastigheder. Men denne tilgang ville betyde fuldstændig ændring af måden, hvorpå internettet sender data, og det har vist sig umuligt at implementere.

"Det er en høj opgave, "Siger Alizadeh." Du bliver nødt til at foretage invasive ændringer i standard Internet Protocol (IP) for at sende datapakker. Du bliver nødt til at overbevise alle internetfester, mobilnetværksoperatører, Internetudbydere, og celletårne ​​for at ændre måden, de sender og modtager datapakker på. Det kommer ikke til at ske. "

Med ABC, forskerne bruger stadig den tilgængelige enkelte bit i hver datapakke, men de gør det på en sådan måde, at bitene, aggregeret på tværs af flere datapakker, kan levere de nødvendige realtidsoplysninger til afsendere. Skemaet sporer hver datapakke i en rundtur-loop, fra afsender til basestation til modtager. Basestationen markerer boret i hver pakke med "acceleration" eller "bremse, "baseret på den aktuelle netværksbåndbredde. Når pakken modtages, den markerede bit fortæller afsenderen at øge eller formindske de "in-flight" pakker-pakker sendt men ikke modtaget-der kan være i netværket.

Hvis den modtager en accelerationskommando, det betyder, at pakken fik god tid, og netværket har ledig kapacitet. Afsenderen sender derefter to pakker:en til udskiftning af den modtagne pakke og en anden til at udnytte ledig kapacitet. Når man får besked på at bremse, afsenderen reducerer sine flyvepakker med en-hvilket betyder, at den ikke erstatter den pakke, der blev modtaget.

Bruges på tværs af alle pakker i netværket, at en smule information bliver et kraftfuldt feedbackværktøj, der fortæller afsendere deres afsendelseshastigheder med høj præcision. Inden for et par hundrede millisekunder, det kan variere en afsenders hastighed mellem nul og dobbelt. "Du skulle tro, at en smule ikke ville bære nok information, "Alizadeh siger." Men, ved at samle enkelt-bit feedback på tværs af en strøm af pakker, vi kan få den samme effekt som et multibit -signal. "

Bliver et skridt foran

Kernen i ABC er en algoritme, der forudsiger afsendernes samlede hastighed en rundtur frem for bedre at beregne acceleration/bremse-feedbacken.

Ideen er, at en ABC-udstyret basestation ved, hvordan afsendere vil opføre sig-vedligeholde, stigende, eller reducere deres flyvningspakker-baseret på hvordan den markerede den pakke, den sendte til en modtager. I det øjeblik basestationen sender en pakke, den ved, hvor mange pakker den vil modtage fra afsenderen på præcis én rundtur i fremtiden. Den bruger disse oplysninger til at markere pakkerne for mere præcist at matche afsenderhastigheden til den nuværende netværkskapacitet.

I simuleringer af mobilnetværk, sammenlignet med traditionelle trængselsbekæmpelsesordninger, ABC opnår omkring 30 til 40 procent større gennemstrømning for nogenlunde de samme forsinkelser. Alternativt kan det kan reducere forsinkelser med omkring 200 til 400 procent ved at opretholde den samme gennemstrømning som traditionelle ordninger. Sammenlignet med eksisterende eksplicitte ordninger, der ikke var designet til tidsvarierende links, ABC reducerer forsinkelser med det halve for den samme gennemstrømning. "I bund og grund, eksisterende ordninger får lav gennemstrømning og lave forsinkelser, eller høj gennemstrømning og store forsinkelser, der henviser til, at ABC opnår høj gennemstrømning med lave forsinkelser, "Siger Goyal.

Næste, forskerne forsøger at se, om apps og webtjenester kan bruge ABC til bedre at kontrollere indholdskvaliteten. For eksempel, "en videoindholdsudbyder kunne bruge ABC's oplysninger om overbelastning og datahastigheder til at vælge opløsningen af ​​streaming video mere intelligent, "Siger Alizadeh." Hvis den ikke har nok kapacitet, videoserveren kunne sænke opløsningen midlertidigt, så videoen fortsætter med at afspille i den højest mulige kvalitet uden at fryse. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.