MIT-forskare har utformat ett system för överbelastningskontroll för trådlösa nätverk som kan bidra till att minska fördröjningstider och öka kvaliteten i videoströmning, videochatt, mobilspel, och andra webbtjänster.

För att webbtjänsterna ska fungera smidigt, system för överbelastningskontroll utgår från information om nätverkets bandbreddskapacitet och överbelastning baserat på feedback från nätverksrouterna, som är kodade i datapaket. Den informationen avgör hur snabbt datapaket skickas genom nätverket.

Att bestämma en bra sändningshastighet kan vara en tuff balansgång. Avsändare vill inte vara alltför konservativa:Om nätverkets kapacitet ständigt varierar från, säga, två megabyte per sekund till 500 kilobyte per sekund, avsändaren kan alltid skicka trafik till lägsta hastighet. Men sedan din Netflix -video, till exempel, kommer att vara onödigt låg kvalitet. Å andra sidan, om avsändaren ständigt håller en hög hastighet, även när nätverkskapaciteten sjunker, det kan överväldiga nätverket, skapa en massiv kö av datapaket som väntar på att levereras. Paket i kö kan öka nätverkets fördröjning, orsakar, säga, ditt Skype -samtal för att frysa.

Saker blir ännu mer komplicerade i trådlösa nätverk, som har "tidsvarierande länkar, "snabbt, oförutsägbara kapacitetsskift. Beroende på olika faktorer, t.ex. antalet nätverksanvändare, platser för celltorn, och även omgivande byggnader, kapaciteter kan fördubblas eller sjunka till noll inom bråkdelar av en sekund. I ett papper på USENIX Symposium on Networked Systems Design and Implementation, forskarna presenterade "Accel-Brake Control" (ABC), ett enkelt schema som uppnår cirka 50 procent högre genomströmning, och ungefär hälften av nätverksförseningarna, på tidsvarierande länkar.

Schemat bygger på en ny algoritm som gör det möjligt för routrarna att uttryckligen kommunicera hur många datapaket som ska flöda genom ett nätverk för att undvika överbelastning men fullt ut utnyttja nätverket. Den ger detaljerad information från flaskhalsar - till exempel paket som står i kö mellan celltorn och avsändare - genom att återanvända en enda bit som redan finns i internetpaket. Forskarna är redan i samtal med mobiloperatörer för att testa systemet.

"I mobilnät, din bråkdel av datakapacitet ändras snabbt, orsakar förseningar i din tjänst. Traditionella system är för långsamma för att anpassa sig till dessa skift, "säger författaren Prateesh Goyal, en doktorand i CSAIL. "ABC ger detaljerad feedback om dessa skift, om det har gått upp eller ner, med en enda databit. "

Anup Agarwal ansluter sig till Goyal på pappret nu doktorand vid Carnegie Melon University; Ravi Netravali, nu assisterande professor i datavetenskap vid University of California i Los Angeles; Mohammad Alizadeh, docent vid MIT:s avdelning för elektroteknik (EECS) och CSAIL; och Hari Balakrishnan, Fujitsu -professorn i EECS. Författarna har alla varit medlemmar i gruppen Networks and Mobile Systems på CSAIL.

Uppnå tydlig kontroll

Traditionella system för överbelastningskontroll förlitar sig på antingen paketförluster eller information från en enda "trängsel" -bit i internetpaket för att utläsa trängsel och sakta ner. En router, som en basstation, markerar biten för att varna en avsändare - säg, en videoserver - att dess skickade datapaket står i en lång kö, signalering av trängsel. Som svar, avsändaren kommer då att sänka sin hastighet genom att skicka färre paket. Avsändaren minskar också hastigheten om den upptäcker ett paketmönster som tappas innan den når mottagaren.

I försök att ge mer information om flaskhalsade länkar på en nätverksväg, forskare har föreslagit "explicita" scheman som innehåller flera bitar i paket som anger aktuella hastigheter. Men detta tillvägagångssätt skulle innebära att man helt förändrar hur internet skickar data, och det har visat sig omöjligt att distribuera.

"Det är en hög uppgift, "Säger Alizadeh." Du måste göra invasiva ändringar av standard Internet Protocol (IP) för att skicka datapaket. Du måste övertyga alla internetpartier, mobilnätoperatörer, Internetleverantörer, och celltorn för att ändra hur de skickar och tar emot datapaket. Det kommer inte att hända."

Med ABC, forskarna använder fortfarande den tillgängliga enkelbiten i varje datapaket, men de gör det på ett sådant sätt att bitarna, aggregerade över flera datapaket, kan tillhandahålla den sändningsinformation som behövs i realtid. Schemat spårar varje datapaket i en rundreseslinga, från avsändare till basstation till mottagare. Basstationen markerar biten i varje paket med "accelerera" eller "bromsa, "baserat på den aktuella nätverksbandbredden. När paketet tas emot, den markerade biten talar om för avsändaren att öka eller minska "in-flight" -paketen-paket skickade men inte mottagna-som kan finnas i nätverket.

Om den får ett accelerationskommando, det betyder att paketet fick bra tid och nätverket har ledig kapacitet. Avsändaren skickar sedan två paket:ett för att ersätta det mottagna paketet och ett annat för att utnyttja ledig kapacitet. När man fick höra att bromsa, avsändaren minskar sina flygpaket med ett-vilket betyder att det inte ersätter paketet som togs emot.

Används i alla paket i nätverket, att en bit information blir ett kraftfullt feedbackverktyg som berättar avsändare om deras sändningshastigheter med hög precision. Inom ett par hundra millisekunder, det kan variera avsändarens hastighet mellan noll och dubbel. "Du skulle tro att en bit inte skulle innehålla tillräckligt med information, "Säger Alizadeh." Men, genom att aggregera en-bitars feedback över en ström av paket, vi kan få samma effekt som för en multibitsignal. "

Håller dig ett steg före

Kärnan i ABC är en algoritm som förutsäger avsändarnas aggregerade hastighet en rundresa framåt för att bättre beräkna acceleration/bromsåterkopplingen.

Tanken är att en ABC-utrustad basstation vet hur avsändare kommer att bete sig-underhålla, ökande, eller minska sina flygpaket-baserat på hur det märkte paketet som det skickade till en mottagare. I det ögonblick basstationen skickar ett paket, den vet hur många paket den kommer att ta emot från avsändaren på exakt en rundresa i framtiden. Den använder den informationen för att markera paketen för att mer exakt matcha avsändarens hastighet till den aktuella nätverkskapaciteten.

I simuleringar av mobilnät, jämfört med traditionella system för överbelastningskontroll, ABC uppnår cirka 30 till 40 procent större genomströmning för ungefär samma förseningar. Alternativt, det kan minska förseningar med cirka 200 till 400 procent genom att bibehålla samma genomströmning som traditionella system. Jämfört med befintliga explicita system som inte var utformade för tidsvarierande länkar, ABC minskar förseningarna med hälften för samma genomströmning. "I grund och botten, befintliga system får låg genomströmning och låga förseningar, eller hög genomströmning och höga förseningar, ABC uppnår hög genomströmning med låga förseningar, "Säger Goyal.

Nästa, forskarna försöker se om appar och webbtjänster kan använda ABC för att bättre kontrollera innehållskvaliteten. Till exempel, "en videoinnehållsleverantör kan använda ABC:s information om trängsel och datahastigheter för att välja upplösningen för strömmande video mer intelligent, "Säger Alizadeh." Om den inte har tillräckligt med kapacitet, videoservern kan sänka upplösningen tillfälligt, så videon fortsätter att spela i högsta möjliga kvalitet utan att frysa. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.