減少無線網(wǎng)絡(luò)中的延遲

麻省理工學(xué)院的研究人員為無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(wǎng)絡(luò)服務(wù)的質(zhì)量。

為了保持web服務(wù)的平穩(wěn)運行，擁塞控制方案根據(jù)來自網(wǎng)絡(luò)路由器的反饋信息來推斷網(wǎng)絡(luò)的帶寬容量和擁塞情況，這些信息被編碼在數(shù)據(jù)包中。這些信息決定了通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)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(zhì)量。另一方面，如果發(fā)送方持續(xù)保持高速率，即使在網(wǎng)絡(luò)容量下降的情況下，也會使網(wǎng)絡(luò)不堪重負，從而產(chǎn)生大量等待發(fā)送的數(shù)據(jù)包隊列。排隊的數(shù)據(jù)包會增加網(wǎng)絡(luò)的延遲，導(dǎo)致你的Skype通話被凍結(jié)。

在無線網(wǎng)絡(luò)中，情況會變得更加復(fù)雜，因為無線網(wǎng)絡(luò)具有“時變鏈路”，容量變化迅速且不可預(yù)測。根據(jù)不同的因素，如網(wǎng)絡(luò)用戶的數(shù)量、基站的位置、甚至周圍的建筑物，容量可以在幾秒內(nèi)翻倍或降至零。在USENIX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)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(xiàn)大約50%的高吞吐量和大約一半的網(wǎng)絡(luò)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(yīng)該有多少數(shù)據(jù)包通過網(wǎng)絡(luò)來避免擁塞，同時又能充分利用網(wǎng)絡(luò)。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(lián)網(wǎng)信息包中已經(jīng)可用的單個位來實現(xiàn)。研究人員已經(jīng)在與移動網(wǎng)絡(luò)運營商進行談判，以測試該方案。

“在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，你的數(shù)據(jù)容量變化很快，導(dǎo)致你的服務(wù)滯后。傳統(tǒng)的計劃適應(yīng)這些變化太慢了，”CSAIL的研究生、第一作者Prateesh Goyal說。“ABC使用單個數(shù)據(jù)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(xiàn)在是卡內(nèi)基甜瓜大學(xué)(Carnegie Melon University)的研究生。拉維·內(nèi)特拉瓦利(Ravi Netravali)，現(xiàn)任加州大學(xué)洛杉磯分校(University of California at Los Angeles)計算機科學(xué)助理教授;麻省理工學(xué)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(wǎng)絡(luò)和移動系統(tǒng)組的成員。

實現(xiàn)顯式控制

傳統(tǒng)的擁塞控制方案依賴于數(shù)據(jù)包丟失或來自互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)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(wù)器，它發(fā)送的數(shù)據(jù)包在一個很長的隊列中，這意味著擁塞。作為響應(yīng)，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(guān)于網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)包中包含多個位。但這種方法將意味著完全改變互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)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(wù)，”Alizadeh說?！澳惚仨殞Πl(fā)送數(shù)據(jù)包的標準互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)進行侵入性的修改。你必須說服所有的互聯(lián)網(wǎng)方、移動網(wǎng)絡(luò)運營商、isp和蜂窩基站來改變他們發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包的方式。這是不可能的。”

使用ABC，研究人員仍然使用每個數(shù)據(jù)包中可用的單個位，但是他們這樣做的方式是，將多個數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包，從發(fā)送方到基站再到接收方。基站根據(jù)當前的網(wǎng)絡(luò)帶寬，用“加速”或“制動”來標記每個數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)中。

如果它收到一個加速命令，這意味著包處理得很好，網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)包減少了一個——這意味著它不會替換接收到的數(shù)據(jù)包。

在網(wǎng)絡(luò)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(nèi)，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(shù)據(jù)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(lǐng)先一步

ABC的核心是一種算法，它可以預(yù)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(jù)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(shù)據(jù)包時，它就知道在未來的一個往返時間內(nèi)它將從發(fā)送者那里收到多少個數(shù)據(jù)包。它使用這些信息來標記數(shù)據(jù)包，以便更準確地根據(jù)當前網(wǎng)絡(luò)容量匹配發(fā)送方的速率。

在對蜂窩網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)了大約30%到40%的高吞吐量?；蛘撸梢酝ㄟ^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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)高吞吐量和低延遲?！?/p>

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

進一步探索

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