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.

Выбор хорошей скорости отправки может быть жестким балансом. Отправители не хотят быть чрезмерно консервативными: если пропускная способность сети постоянно изменяется, скажем, от двух мегабайт в секунду до 500 килобайт в секунду, отправитель всегда может отправлять трафик с самой низкой скоростью. Но тогда ваше видео YouTube, например, будет излишне низкого качества. С другой стороны, если отправитель постоянно поддерживает высокую скорость, даже когда пропускная способность сети снижается, он может перегружать сеть, создавая огромную очередь пакетов данных, ожидающих доставки. Пакеты в очереди могут увеличить задержку сети, если, например, вас вызвали через Skype.

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 докладе 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 процентов, а сетевые задержки – примерно в половину при нестационарных каналах связи.

Схема основана на новом алгоритме, который позволяет маршрутизаторам точно 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 изменения целевого 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 CSAIL. “ABC предоставляет подробные отзывы об этих сдвигах, независимо от того, идет ли он вверх или вниз, используя один бит данных”.

Достижение явного контроля

Традиционные схемы управления перегрузкой основаны либо на потерях пакетов, либо на информации из одного бита “перегрузки” в интернет-пакетах, что позволяет определить перегрузку и замедлить работу. Маршрутизатор, такой как базовая станция, помечает бит, чтобы предупредить отправителя, скажем, видеосервера, о том, что его отправленные пакеты данных находятся в длинной очереди, сигнализируя о перегрузке. В ответ отправитель уменьшит свою скорость, отправив меньше пакетов. Отправитель также уменьшает свою скорость, если он обнаруживает шаблон пакетов, отбрасываемых до достижения получателя.

В попытках предоставить больше информации об узких местах ссылок на пути в сети, исследователи предложили точные схемы, которые включают в себя несколько битов в пакетах, которые задают текущие скорости. Но такой подход означал бы полное изменение способа отправки данных через Интернет, и его оказалось невозможно развернуть.

“Это сложная задача”, – говорит Ализаде. – “Вы должны будете внести инвазивные изменения в стандартный протокол Интернета (IP) для отправки пакетов данных. Вам нужно будет убедить всех участников Интернета, операторов мобильной связи, интернет-провайдеров и операторов сотовой связи изменить способ отправки и получения пакетов данных. Это не произойдет”.

С помощью ABC исследователи по-прежнему используют доступный один бит в каждом пакете данных, но они делают это таким образом, чтобы биты, агрегированные по нескольким пакетам данных, могли предоставлять отправителям необходимую информацию о скорости в реальном времени. Схема отслеживает каждый пакет данных в круговом цикле от отправителя к базовой станции и получателю. Базовая станция помечает бит в каждом пакете, как ускорение или торможение в зависимости от текущей пропускной способности сети. Когда пакет получен, отмеченный бит говорит отправителю увеличить или уменьшить пакеты, находящиеся в свободном полете – пакеты, отправленные, но не полученные, – которые могут находиться в сети.

Если он получает команду ускорения, это означает, что пакет сделан хорошо, и сеть имеет свободную емкость. Затем отправитель отправляет два пакета: один для замены полученного пакета, а другой для использования резервной емкости. При получении сообщения о торможении отправитель уменьшает свои пакеты в полете на один – это означает, что он не заменяет полученный пакет.

Используемый во всех пакетах в сети, этот бит информации становится мощным инструментом обратной связи, который сообщает отправителям об их скорости отправки с высокой точностью. В течение пары сотен миллисекунд скорость передачи может изменяться от нуля до двойки. “Можно подумать, что один бит не будет содержать достаточно информации”, – говорит Ализаде. – “Но, объединяя однобитную обратную связь в потоке пакетов, мы можем получить тот же эффект, что и многобитный 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 или торможения.

Идея состоит в том, что базовая станция, оборудованная ABC, знает, как отправители будут вести себя – поддерживая, увеличивая или уменьшая свои пакеты в полете, – 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 процентов большей пропускной способности при примерно тех же задержках. Кроме того, он может уменьшить задержки примерно на 200–400 процентов, поддерживая ту же пропускную способность, что и традиционные схемы. По сравнению с существующими точными 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 задержках 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”.