MIT-onderzoekers hebben een congestiecontroleschema voor draadloze netwerken ontworpen dat kan helpen vertragingen te verminderen en de kwaliteit van videostreaming te verhogen, videochat, mobiel gamen, en andere webservices.

Om webservices soepel te laten verlopen, congestiecontroleschema's leiden informatie af over de bandbreedtecapaciteit en congestie van een netwerk op basis van feedback van de netwerkrouters, die is gecodeerd in datapakketten. Die informatie bepaalt hoe snel datapakketten door het netwerk worden verzonden.

Het bepalen van een goede verzendsnelheid kan een moeilijke evenwichtsoefening zijn. Afzenders willen niet al te conservatief zijn:als de capaciteit van een netwerk constant varieert van, zeggen, twee megabyte per seconde tot 500 kilobyte per seconde, de afzender kon altijd verkeer tegen de laagste snelheid verzenden. Maar dan je Netflix-video, bijvoorbeeld, onnodig van lage kwaliteit zal zijn. Anderzijds, als de afzender constant een hoog tarief aanhoudt, zelfs wanneer de netwerkcapaciteit daalt, het kan het netwerk overweldigen, het creëren van een enorme wachtrij van datapakketten die wachten om te worden afgeleverd. In de wachtrij geplaatste pakketten kunnen de vertraging van het netwerk vergroten, veroorzaken, zeggen, uw Skype-oproep te bevriezen.

Dingen worden nog ingewikkelder in draadloze netwerken, die "in de tijd variërende links hebben, "met snelle, onvoorspelbare capaciteitsverschuivingen. Afhankelijk van verschillende factoren, zoals het aantal netwerkgebruikers, locaties van zendmasten, en zelfs omliggende gebouwen, capaciteiten kunnen binnen een fractie van een seconde verdubbelen of tot nul dalen. In een paper op het USENIX Symposium on Networked Systems Design and Implementation, de onderzoekers presenteerden "Accel-Brake Control" (ABC), een eenvoudig schema dat een ongeveer 50 procent hogere doorvoer bereikt, en ongeveer de helft van de netwerkvertragingen, op in de tijd variërende links.

Het schema is gebaseerd op een nieuw algoritme waarmee de routers expliciet kunnen communiceren hoeveel datapakketten door een netwerk moeten stromen om congestie te voorkomen, maar het netwerk volledig te benutten. Het biedt die gedetailleerde informatie over knelpunten - zoals pakketten die in de wachtrij staan ​​tussen zendmasten en afzenders - door een enkel bit dat al beschikbaar is in internetpakketten opnieuw te gebruiken. De onderzoekers zijn al in gesprek met mobiele netwerkoperators om het schema te testen.

"In mobiele netwerken, uw fractie van de datacapaciteit verandert snel, vertragingen in uw service veroorzaken. Traditionele regelingen zijn te traag om zich aan die verschuivingen aan te passen, " zegt eerste auteur Prateesh Goyal, een afgestudeerde student in CSAIL. "ABC geeft gedetailleerde feedback over die verschuivingen, of het nu omhoog of omlaag is gegaan, met behulp van een enkele databit."

Toetreden tot Goyal op het papier zijn Anup Agarwal, nu een afgestudeerde student aan de Carnegie Melon University; Ravi Netravali, nu een assistent-professor computerwetenschappen aan de Universiteit van Californië in Los Angeles; Mohammed Alizadeh, een universitair hoofddocent bij MIT's Department of Electrical Engineering (EECS) en CSAIL; en Hari Balakrishnan, de Fujitsu-hoogleraar in EECS. De auteurs zijn allemaal lid geweest van de groep Networks and Mobile Systems bij CSAIL.

Expliciete controle bereiken

Traditionele congestiecontroleschema's zijn afhankelijk van pakketverliezen of informatie van een enkele "congestie"-bit in internetpakketten om congestie af te leiden en te vertragen. een router, zoals een basisstation, zal het bit markeren om een ​​afzender te waarschuwen - zeg, een videoserver - dat de verzonden datapakketten in een lange wachtrij staan, congestie signaleren. In antwoord, de afzender zal dan zijn snelheid verlagen door minder pakketten te verzenden. De afzender verlaagt ook zijn snelheid als hij een patroon van pakketten detecteert dat wordt verwijderd voordat hij de ontvanger bereikt.

In pogingen om meer informatie te verstrekken over knelpunten op een netwerkpad, onderzoekers hebben "expliciete" schema's voorgesteld die meerdere bits in pakketten bevatten die de huidige snelheden specificeren. Maar deze aanpak zou betekenen dat de manier waarop internet gegevens verzendt volledig moet veranderen, en het is onmogelijk gebleken om in te zetten.

"Het is een lange opgave, " zegt Alizadeh. "Je zou ingrijpende wijzigingen moeten aanbrengen in het standaard Internet Protocol (IP) voor het verzenden van datapakketten. Je zou alle internetpartijen moeten overtuigen, mobiele netwerkoperators, ISP's, en zendmasten om de manier waarop ze datapakketten verzenden en ontvangen te veranderen. Dat gaat niet gebeuren."

Met ABC, de onderzoekers gebruiken nog steeds de beschikbare enkele bit in elk datapakket, maar ze doen dat op zo'n manier dat de stukjes, geaggregeerd over meerdere datapakketten, kan afzenders de benodigde realtime tariefinformatie verstrekken. Het schema volgt elk datapakket in een retourlus, van zender naar basisstation naar ontvanger. Het basisstation markeert de bit in elk pakket met "accelerate" of "brak, " op basis van de huidige netwerkbandbreedte. Wanneer het pakket wordt ontvangen, de gemarkeerde bit vertelt de afzender om de "in-flight" pakketten - verzonden maar niet ontvangen pakketten - die zich in het netwerk kunnen bevinden, te verhogen of te verlagen.

Als het een versnellingscommando ontvangt, het betekent dat het pakket op tijd is gemaakt en dat het netwerk reservecapaciteit heeft. De afzender verzendt vervolgens twee pakketten:één om het ontvangen pakket te vervangen en een andere om de reservecapaciteit te benutten. Toen hem werd verteld te remmen, de afzender verlaagt zijn pakketten tijdens de vlucht met één, wat betekent dat het het ontvangen pakket niet vervangt.

Gebruikt voor alle pakketten in het netwerk, dat ene stukje informatie wordt een krachtige feedbacktool die afzenders met hoge precisie vertelt wat hun verzendsnelheden zijn. Binnen een paar honderd milliseconden, het kan het tarief van een afzender variëren tussen nul en dubbel. "Je zou denken dat een bit niet genoeg informatie zou bevatten, " zegt Alizadeh. "Maar, door single-bit feedback te aggregeren over een stroom van pakketten, we kunnen hetzelfde effect krijgen als dat van een multibit-signaal."

Een stap voor blijven

De kern van ABC is een algoritme dat de totale snelheid van de afzenders een retourtje vooruit voorspelt om de acceleratie-/remfeedback beter te berekenen.

Het idee is dat een basisstation met ABC weet hoe zenders zich zullen gedragen:toenemend, of het verminderen van hun pakketten tijdens de vlucht - op basis van hoe het het pakket markeerde dat het naar een ontvanger stuurde. Op het moment dat het basisstation een pakket verstuurt, het weet hoeveel pakketten het in de toekomst van de afzender zal ontvangen in precies één retourtijd. Het gebruikt die informatie om de pakketten te markeren om de snelheid van de afzender nauwkeuriger af te stemmen op de huidige netwerkcapaciteit.

In simulaties van mobiele netwerken, in vergelijking met traditionele congestiecontrolesystemen, ABC behaalt ongeveer 30 tot 40 procent meer doorvoer bij ongeveer dezelfde vertragingen. Alternatief, het kan vertragingen met ongeveer 200 tot 400 procent verminderen door dezelfde doorvoer te behouden als traditionele schema's. Vergeleken met bestaande expliciete schema's die niet zijn ontworpen voor in de tijd variërende koppelingen, ABC vermindert vertragingen met de helft voor dezelfde doorvoer. "In principe, bestaande schema's krijgen een lage doorvoer en weinig vertragingen, of hoge doorvoer en hoge vertragingen, overwegende dat ABC een hoge doorvoer bereikt met weinig vertragingen, ' zegt Goyal.

Volgende, de onderzoekers proberen te kijken of apps en webservices ABC kunnen gebruiken om de kwaliteit van content beter te controleren. Bijvoorbeeld, "een aanbieder van videocontent zou ABC's informatie over congestie en datasnelheden kunnen gebruiken om de resolutie van streaming video intelligenter te kiezen, " zegt Alizadeh. "Als het niet genoeg capaciteit heeft, de videoserver kan de resolutie tijdelijk verlagen, dus de video blijft spelen met de hoogst mogelijke kwaliteit zonder te bevriezen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.