减少无线网络中的延迟

麻省理工学院的研究人员为无线网络设计了一种拥堵控制方案，可以帮助减少延迟时间，提高视频流、视频聊天、移动游戏和其他网络服务的质量。

为了保持web服务的平稳运行，拥塞控制方案根据来自网络路由器的反馈信息来推断网络的带宽容量和拥塞情况，这些信息被编码在数据包中。这些信息决定了通过网络发送数据包的速度。

决定一个好的发送率可能是一个艰难的平衡行为。发送方不希望过于保守:如果网络的容量不断变化，比如从2mb / s到500kb / s，发送方总是可以以最低速率发送流量。但是，你的Netflix视频，例如，将是不必要的低质量。另一方面，如果发送方持续保持高速率，即使在网络容量下降的情况下，也会使网络不堪重负，从而产生大量等待发送的数据包队列。排队的数据包会增加网络的延迟，导致你的Skype通话被冻结。

在无线网络中，情况会变得更加复杂，因为无线网络具有“时变链路”，容量变化迅速且不可预测。根据不同的因素，如网络用户的数量、基站的位置、甚至周围的建筑物，容量可以在几秒内翻倍或降至零。在USENIX网络系统设计和实现研讨会上的一篇论文中，研究人员提出了“Accel-Brake Control”(ABC)，这是一种简单的方案，在时变链路上可以实现大约50%的高吞吐量和大约一半的网络延迟。

该方案依赖于一种新的算法，该算法使路由器能够显式地传递应该有多少数据包通过网络来避免拥塞，同时又能充分利用网络。它提供了来自瓶颈的详细信息——比如在基站和传感器之间排队的信息包——通过重新利用互联网信息包中已经可用的单个位来实现。研究人员已经在与移动网络运营商进行谈判，以测试该方案。

“在蜂窝网络中，你的数据容量变化很快，导致你的服务滞后。传统的计划适应这些变化太慢了，”CSAIL的研究生、第一作者Prateesh Goyal说。“ABC使用单个数据位提供这些变化的详细反馈，不管它是上升还是下降。”

阿纳普·阿加瓦尔(Anup Agarwal)现在是卡内基甜瓜大学(Carnegie Melon University)的研究生。拉维·内特拉瓦利(Ravi Netravali)，现任加州大学洛杉矶分校(University of California at Los Angeles)计算机科学助理教授;麻省理工学院电气工程系(EECS)和CSAIL的副教授Mohammad Alizadeh;还有EECS的富士通教授Hari Balakrishnan。作者都是CSAIL的网络和移动系统组的成员。

实现显式控制

传统的拥塞控制方案依赖于数据包丢失或来自互联网数据包中单个“拥塞”位的信息来推断拥塞和减速。一个路由器，比如基站，将标记这个位来警告一个发送者，比如一个视频服务器，它发送的数据包在一个很长的队列中，这意味着拥塞。作为响应，发送方将通过发送更少的包来降低其速率。如果发送方在到达接收方之前检测到正在丢弃的包的模式，则发送方也会降低其速率。

为了提供更多关于网络路径上瓶颈链接的信息，研究人员提出了“明确的”方案，其中包括在指定当前速率的数据包中包含多个位。但这种方法将意味着完全改变互联网发送数据的方式，而事实证明，部署这种方法是不可能的。

“这是一个艰巨的任务，”Alizadeh说。“你必须对发送数据包的标准互联网协议(IP)进行侵入性的修改。你必须说服所有的互联网方、移动网络运营商、isp和蜂窝基站来改变他们发送和接收数据包的方式。这是不可能的。”

使用ABC，研究人员仍然使用每个数据包中可用的单个位，但是他们这样做的方式是，将多个数据包聚合在一起的位可以向发送方提供所需的实时速率信息。该方案在一个往返循环中跟踪每个数据包，从发送方到基站再到接收方。基站根据当前的网络带宽，用“加速”或“制动”来标记每个数据包中的比特。当收到包时，标记的位告诉发送者增加或减少“正在发送”的包(已发送但未收到的包)，这些包可能在网络中。

如果它收到一个加速命令，这意味着包处理得很好，网络有空闲的容量。然后发送方发送两个包:一个用来替换接收到的包，另一个用来利用空闲容量。当被告知要刹车时，发送者将其飞行中的数据包减少了一个——这意味着它不会替换接收到的数据包。

在网络中所有的包之间使用，这一点信息就成为一个强大的反馈工具，它可以告诉发送者它们的发送速率，并且具有很高的精度。在几百毫秒内，它可以将发送方的速率在0和2之间变化。Alizadeh说:“你可能会认为一个比特无法携带足够的信息。”“但是，通过在一个数据包流中聚合单比特反馈，我们可以得到与多比特信号相同的效果。”

领先一步

ABC的核心是一种算法，它可以预测发送者的往返总速率，从而更好地计算加速/制动反馈。

这个想法是一个装有abc的基站知道发送者将如何行动——根据它如何标记它发送给接收者的包来维持、增加或减少它们的飞行中的包。当基站发送一个数据包时，它就知道在未来的一个往返时间内它将从发送者那里收到多少个数据包。它使用这些信息来标记数据包，以便更准确地根据当前网络容量匹配发送方的速率。

在对蜂窝网络的模拟中，与传统的拥塞控制方案相比，在大致相同的延迟情况下，ABC实现了大约30%到40%的高吞吐量。或者，它可以通过保持与传统方案相同的吞吐量来减少大约200%到400%的延迟。与现有的不针对时变链路的显式方案相比，在相同的吞吐量下，ABC将延迟减少了一半。Goyal说:“基本上，现有的方案得到低吞吐量和低延迟，或高吞吐量和高延迟，而ABC实现高吞吐量和低延迟。”

接下来，研究人员试图看看应用程序和web服务是否可以使用ABC来更好地控制内容的质量。例如，“视频内容提供商可以使用ABC关于拥塞和数据速率的信息来更智能地选择流视频的分辨率，”Alizadeh说。“如果没有足够的容量，视频服务器可能会暂时降低分辨率，这样视频就能以尽可能高的质量继续播放，而不会冻结。”

进一步探索

这篇文章由麻省理工学院新闻(web.mit.edu/newsoffice/)转载，这是一个涵盖麻省理工学院研究、创新和教学新闻的热门网站。