Les chercheurs du MIT ont conçu un système de contrôle de la congestion pour les réseaux sans fil qui pourrait aider à réduire les temps de latence et à augmenter la qualité du streaming vidéo, chat vidéo, jeux mobiles, et d'autres services Web.

Pour assurer le bon fonctionnement des services Web, les schémas de contrôle d'encombrement déduisent des informations sur la capacité de bande passante et l'encombrement d'un réseau sur la base des retours des routeurs du réseau, qui est encodé dans des paquets de données. Ces informations déterminent la vitesse à laquelle les paquets de données sont envoyés via le réseau.

Décider d'un bon taux d'envoi peut être un exercice d'équilibre difficile. Les expéditeurs ne veulent pas être trop prudents :si la capacité d'un réseau varie constamment de, dire, deux mégaoctets par seconde à 500 kilo-octets par seconde, l'expéditeur peut toujours envoyer du trafic au débit le plus bas. Mais alors votre vidéo Netflix, par exemple, sera inutilement de mauvaise qualité. D'autre part, si l'expéditeur maintient constamment un débit élevé, même lorsque la capacité du réseau baisse, cela pourrait submerger le réseau, créant une file d'attente massive de paquets de données en attente de livraison. Les paquets en file d'attente peuvent augmenter le délai du réseau, provoquant, dire, votre appel Skype pour geler.

Les choses se compliquent encore dans les réseaux sans fil, qui ont des "liens variables dans le temps, " avec rapide, changements de capacité imprévisibles. En fonction de divers facteurs, comme le nombre d'utilisateurs du réseau, emplacements des tours de téléphonie cellulaire, et même les bâtiments environnants, les capacités peuvent doubler ou tomber à zéro en quelques fractions de seconde. Dans un article au Symposium USENIX sur la conception et la mise en œuvre de systèmes en réseau, les chercheurs ont présenté "Accel-Brake Control" (ABC), un schéma simple qui permet d'atteindre un débit supérieur d'environ 50 %, et environ la moitié des retards du réseau, sur des liens variables dans le temps.

Le schéma repose sur un nouvel algorithme qui permet aux routeurs de communiquer explicitement le nombre de paquets de données qui doivent traverser un réseau pour éviter la congestion tout en utilisant pleinement le réseau. Il fournit ces informations détaillées sur les goulots d'étranglement, tels que les paquets mis en file d'attente entre les tours de téléphonie cellulaire et les expéditeurs, en réaffectant un seul bit déjà disponible dans les paquets Internet. Les chercheurs sont déjà en pourparlers avec les opérateurs de réseaux mobiles pour tester le programme.

« Dans les réseaux cellulaires, votre fraction de capacité de données change rapidement, provoquant des retards dans votre service. Les schémas traditionnels sont trop lents à s'adapter à ces changements, " dit le premier auteur Prateesh Goyal, un étudiant diplômé au CSAIL. "ABC fournit des commentaires détaillés sur ces changements, qu'il monte ou descend, en utilisant un seul bit de données."

Rejoindre Goyal sur le papier sont Anup Agarwal, maintenant étudiant diplômé à l'Université Carnegie Melon; Ravi Netravali, maintenant professeur adjoint d'informatique à l'Université de Californie à Los Angeles; Mohamed Alizadeh, professeur agrégé au département de génie électrique du MIT (EECS) et au CSAIL ; et Hari Balakrishnan, le professeur Fujitsu en EECS. Les auteurs ont tous été membres du groupe Réseaux et systèmes mobiles du CSAIL.

Obtenir un contrôle explicite

Les schémas traditionnels de contrôle d'encombrement reposent soit sur des pertes de paquets, soit sur des informations provenant d'un seul bit de « congestion » dans les paquets Internet pour déduire la congestion et ralentir. Un routeur, comme une station de base, marquera le bit pour alerter un expéditeur - disons, un serveur vidéo — que ses paquets de données envoyés sont dans une longue file d'attente, signaler un encombrement. En réponse, l'expéditeur réduira alors son débit en envoyant moins de paquets. L'expéditeur réduit également son débit s'il détecte un motif de paquets abandonnés avant d'atteindre le destinataire.

Dans les tentatives de fournir plus d'informations sur les liens goulots d'étranglement sur un chemin réseau, les chercheurs ont proposé des schémas « explicites » qui incluent plusieurs bits dans des paquets qui spécifient les débits actuels. Mais cette approche signifierait changer complètement la façon dont Internet envoie des données, et il s'est avéré impossible à déployer.

"C'est une tâche ardue, " dit Alizadeh. " Vous devriez apporter des modifications invasives au protocole Internet (IP) standard pour l'envoi de paquets de données. Il faudrait convaincre tous les internautes, opérateurs de réseaux mobiles, FAI, et les tours de téléphonie cellulaire pour changer la façon dont elles envoient et reçoivent des paquets de données. Ça ne va pas arriver."

Avec ABC, les chercheurs utilisent toujours le seul bit disponible dans chaque paquet de données, mais ils le font de telle manière que les bits, agrégés sur plusieurs paquets de données, peut fournir les informations de taux en temps réel nécessaires aux expéditeurs. Le schéma suit chaque paquet de données dans une boucle aller-retour, de l'émetteur à la station de base au récepteur. La station de base marque le bit dans chaque paquet avec « accélérer » ou « freiner, " basé sur la bande passante actuelle du réseau. Lorsque le paquet est reçu, le bit marqué indique à l'expéditeur d'augmenter ou de diminuer le nombre de paquets "en vol" (paquets envoyés mais non reçus) qui peuvent se trouver sur le réseau.

S'il reçoit une commande d'accélération, cela signifie que le paquet a été envoyé au bon moment et que le réseau a une capacité de réserve. L'expéditeur envoie alors deux paquets :un pour remplacer le paquet reçu et un autre pour utiliser la capacité disponible. Quand on lui dit de freiner, l'expéditeur diminue ses paquets en vol d'un, ce qui signifie qu'il ne remplace pas le paquet qui a été reçu.

Utilisé sur tous les paquets du réseau, cette information devient un puissant outil de rétroaction qui indique aux expéditeurs leurs taux d'envoi avec une grande précision. En quelques centaines de millisecondes, il peut faire varier le taux d'un expéditeur entre zéro et le double. "On pourrait penser qu'un bit ne porterait pas assez d'informations, " dit Alizadeh. " Mais, en agrégeant un retour d'informations sur un seul bit sur un flux de paquets, nous pouvons obtenir le même effet que celui d'un signal multibit."

Garder une longueur d'avance

Au cœur d'ABC se trouve un algorithme qui prédit le taux global des expéditeurs un aller-retour à l'avance pour mieux calculer le retour d'accélération/de freinage.

L'idée est qu'une station de base équipée d'ABC sait comment les expéditeurs se comporteront—maintenant, en augmentant, ou en diminuant leurs paquets en vol, en fonction de la façon dont il a marqué le paquet qu'il a envoyé à un destinataire. Au moment où la station de base envoie un paquet, il sait combien de paquets il recevra de l'expéditeur exactement dans le temps d'un aller-retour dans le futur. Il utilise ces informations pour marquer les paquets afin de faire correspondre plus précisément le débit de l'expéditeur à la capacité actuelle du réseau.

Dans les simulations de réseaux cellulaires, par rapport aux systèmes traditionnels de contrôle de la congestion, ABC atteint un débit supérieur de 30 à 40 % pour à peu près les mêmes délais. Alternativement, il peut réduire les retards d'environ 200 à 400 % en maintenant le même débit que les schémas traditionnels. Par rapport aux schémas explicites existants qui n'ont pas été conçus pour des liaisons variables dans le temps, ABC réduit les délais de moitié pour le même débit. "Essentiellement, les schémas existants ont un faible débit et de faibles délais, ou haut débit et délais élevés, alors qu'ABC atteint un débit élevé avec de faibles délais, " dit Goyal.

Prochain, les chercheurs tentent de voir si les applications et les services Web peuvent utiliser ABC pour mieux contrôler la qualité du contenu. Par exemple, "un fournisseur de contenu vidéo pourrait utiliser les informations d'ABC sur la congestion et les débits de données pour choisir plus intelligemment la résolution de la vidéo en streaming, " dit Alizadeh. " S'il n'a pas assez de capacité, le serveur vidéo pourrait baisser temporairement la résolution, ainsi la vidéo continuera à jouer à la plus haute qualité possible sans geler."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.