減少無線網絡中的延遲

麻省理工學院的研究人員為無線網絡設計了一種擁堵控制方案，可以幫助減少延遲時間，提高視頻流、視頻聊天、移動游戲和其他網絡服務的質量。

為了保持web服務的平穩(wěn)運行，擁塞控制方案根據來自網絡路由器的反饋信息來推斷網絡的帶寬容量和擁塞情況，這些信息被編碼在數據包中。這些信息決定了通過網絡發(fā)送數據包的速度。

決定一個好的發(fā)送率可能是一個艱難的平衡行為。發(fā)送方不希望過于保守:如果網絡的容量不斷變化，比如從2mb / s到500kb / s，發(fā)送方總是可以以最低速率發(fā)送流量。但是，你的Netflix視頻，例如，將是不必要的低質量。另一方面，如果發(fā)送方持續(xù)保持高速率，即使在網絡容量下降的情況下，也會使網絡不堪重負，從而產生大量等待發(fā)送的數據包隊列。排隊的數據包會增加網絡的延遲，導致你的Skype通話被凍結。

在無線網絡中，情況會變得更加復雜，因為無線網絡具有“時變鏈路”，容量變化迅速且不可預測。根據不同的因素，如網絡用戶的數量、基站的位置、甚至周圍的建筑物，容量可以在幾秒內翻倍或降至零。在USENIX網絡系統(tǒng)設計和實現研討會上的一篇論文中，研究人員提出了“Accel-Brake Control”(ABC)，這是一種簡單的方案，在時變鏈路上可以實現大約50%的高吞吐量和大約一半的網絡延遲。

該方案依賴于一種新的算法，該算法使路由器能夠顯式地傳遞應該有多少數據包通過網絡來避免擁塞，同時又能充分利用網絡。它提供了來自瓶頸的詳細信息——比如在基站和傳感器之間排隊的信息包——通過重新利用互聯網信息包中已經可用的單個位來實現。研究人員已經在與移動網絡運營商進行談判，以測試該方案。

“在蜂窩網絡中，你的數據容量變化很快，導致你的服務滯后。傳統(tǒng)的計劃適應這些變化太慢了，”CSAIL的研究生、第一作者Prateesh Goyal說?！癆BC使用單個數據位提供這些變化的詳細反饋，不管它是上升還是下降。”

阿納普·阿加瓦爾(Anup Agarwal)現在是卡內基甜瓜大學(Carnegie Melon University)的研究生。拉維·內特拉瓦利(Ravi Netravali)，現任加州大學洛杉磯分校(University of California at Los Angeles)計算機科學助理教授;麻省理工學院電氣工程系(EECS)和CSAIL的副教授Mohammad Alizadeh;還有EECS的富士通教授Hari Balakrishnan。作者都是CSAIL的網絡和移動系統(tǒng)組的成員。

實現顯式控制

傳統(tǒng)的擁塞控制方案依賴于數據包丟失或來自互聯網數據包中單個“擁塞”位的信息來推斷擁塞和減速。一個路由器，比如基站，將標記這個位來警告一個發(fā)送者，比如一個視頻服務器，它發(fā)送的數據包在一個很長的隊列中，這意味著擁塞。作為響應，發(fā)送方將通過發(fā)送更少的包來降低其速率。如果發(fā)送方在到達接收方之前檢測到正在丟棄的包的模式，則發(fā)送方也會降低其速率。

為了提供更多關于網絡路徑上瓶頸鏈接的信息，研究人員提出了“明確的”方案，其中包括在指定當前速率的數據包中包含多個位。但這種方法將意味著完全改變互聯網發(fā)送數據的方式，而事實證明，部署這種方法是不可能的。

“這是一個艱巨的任務，”Alizadeh說?！澳惚仨殞Πl(fā)送數據包的標準互聯網協(xié)議(IP)進行侵入性的修改。你必須說服所有的互聯網方、移動網絡運營商、isp和蜂窩基站來改變他們發(fā)送和接收數據包的方式。這是不可能的。”

使用ABC，研究人員仍然使用每個數據包中可用的單個位，但是他們這樣做的方式是，將多個數據包聚合在一起的位可以向發(fā)送方提供所需的實時速率信息。該方案在一個往返循環(huán)中跟蹤每個數據包，從發(fā)送方到基站再到接收方?；靖鶕斍暗木W絡帶寬，用“加速”或“制動”來標記每個數據包中的比特。當收到包時，標記的位告訴發(fā)送者增加或減少“正在發(fā)送”的包(已發(fā)送但未收到的包)，這些包可能在網絡中。

如果它收到一個加速命令，這意味著包處理得很好，網絡有空閑的容量。然后發(fā)送方發(fā)送兩個包:一個用來替換接收到的包，另一個用來利用空閑容量。當被告知要剎車時，發(fā)送者將其飛行中的數據包減少了一個——這意味著它不會替換接收到的數據包。

在網絡中所有的包之間使用，這一點信息就成為一個強大的反饋工具，它可以告訴發(fā)送者它們的發(fā)送速率，并且具有很高的精度。在幾百毫秒內，它可以將發(fā)送方的速率在0和2之間變化。Alizadeh說:“你可能會認為一個比特無法攜帶足夠的信息?！薄暗?，通過在一個數據包流中聚合單比特反饋，我們可以得到與多比特信號相同的效果?！?/p>

領先一步

ABC的核心是一種算法，它可以預測發(fā)送者的往返總速率，從而更好地計算加速/制動反饋。

這個想法是一個裝有abc的基站知道發(fā)送者將如何行動——根據它如何標記它發(fā)送給接收者的包來維持、增加或減少它們的飛行中的包。當基站發(fā)送一個數據包時，它就知道在未來的一個往返時間內它將從發(fā)送者那里收到多少個數據包。它使用這些信息來標記數據包，以便更準確地根據當前網絡容量匹配發(fā)送方的速率。

在對蜂窩網絡的模擬中，與傳統(tǒng)的擁塞控制方案相比，在大致相同的延遲情況下，ABC實現了大約30%到40%的高吞吐量?；蛘?，它可以通過保持與傳統(tǒng)方案相同的吞吐量來減少大約200%到400%的延遲。與現有的不針對時變鏈路的顯式方案相比，在相同的吞吐量下，ABC將延遲減少了一半。Goyal說:“基本上，現有的方案得到低吞吐量和低延遲，或高吞吐量和高延遲，而ABC實現高吞吐量和低延遲?！?/p>

接下來，研究人員試圖看看應用程序和web服務是否可以使用ABC來更好地控制內容的質量。例如，“視頻內容提供商可以使用ABC關于擁塞和數據速率的信息來更智能地選擇流視頻的分辨率，”Alizadeh說。“如果沒有足夠的容量，視頻服務器可能會暫時降低分辨率，這樣視頻就能以盡可能高的質量繼續(xù)播放，而不會凍結?！?/p>

進一步探索

這篇文章由麻省理工學院新聞(web.mit.edu/newsoffice/)轉載，這是一個涵蓋麻省理工學院研究、創(chuàng)新和教學新聞的熱門網站。