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端到端策略优化:降低通信网络延迟的研究与实践
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更新于2024-06-19
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本篇论文深入探讨了提高通信网络中延迟的问题,针对互联网技术飞速发展但延迟仍具挑战性的现状进行了研究。作者巴蒂斯特·琼列兹在格勒诺布尔阿尔卑斯大学攻读计算机科学博士学位期间,专注于端到端机制在降低网络延迟方面的创新策略。论文指出,尽管近年来网络带宽大幅增加,但诸如传播延迟这样的物理限制使得降低延迟成为关键。 传统的网络架构中,传输协议的设计往往受到带宽增长和延迟固定之间的矛盾影响,这导致了缓冲区溢出问题,进而增加了整体延迟。为了应对这一挑战,论文提出了一种创新的端到端解决方案,即通过将多个消息或数据流复用到单一持久连接上,实现对网络状况(如延迟和丢包率)的实时监控。这种做法的优势在于,它可以更精确地适应网络条件,从而有效地优化数据传输,减少终端主机的感知延迟。 论文不仅关注理论分析,还强调了实际应用的重要性,因为用户对于更快的应用响应时间有着日益增长的需求。作者的研究工作试图打破传统的“基础设施”依赖,倡导一种更加灵活和智能的网络管理方式,以适应现代通信环境中的低延迟需求。 论文是在2020年由马丁·H·尤瑟教授(论文主任)、Bruno GAujal(Inria HDR研究总监)等多位专家组成的评审团面前进行公开答辩的,评审团成员包括来自不同学术背景的学者,他们的反馈和建议对论文的完善起到了重要作用。 这篇论文对通信网络中延迟优化的端到端机制进行了深入探讨,为理解当前网络瓶颈和寻找创新解决方案提供了有价值的视角,对于提升网络服务质量以及满足用户对快速响应的期待具有重要意义。
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3
1.1现代通信网络
与端到端延迟相关:当延迟变高时,从连接的远程端接收反馈所需的时间更长例
如,使用
40毫秒的RTT和4380字节的初始窗口,TCP的慢启动算法在理想条件下需要
10-11个往返才能爬升
在前10个
回合中,仅传输了4.3 MiB的数据,
平均吞吐量为90
Mbps。此示例表明,在存在中等延迟的情况下,几兆字节的独立传输无法实现1
Gbps的吞吐量。
更一般地说,应用程序的通信模式可以分为两
类:[85]
通过点绑定通信
或"贪婪流":在这一类中,应用程序几乎总是有更多的数据要发送。因此,吞
吐量通常受到TCP拥塞窗口的限制这类通信的特征在于大分组大小和高分组速
率。主要用例
是批量数据传输,例如下载或上传文件。
在此类别中,应用程序只能发送零星
数据。 其特征在于小分组大小、宽分组到达
间隔时
间和低分组速率。 这包括在线游戏、
即时消息、IP语音、DNS等应用程序,更
一般地说,还包括通过一系列小消息或请求/响应进行通信的任何应用程序。
这一区别对选择适当的指标来研究绩效具有重要意义 对于吞吐量绑定通信,主要度量是
有效吞吐量,其可以替代
地测量为每个批量传输的完成时间
:平均吞吐量是总大小除以完
成时间。
即使这些应用程序是以吞吐量为导向的,完成
时间仍然取决于延迟,正如我
们在上面的小型计算中所看到的那样。 完成
时间通常是RTT的倍数。在第4章中,我
优化了可能传输大量数据的单个流的完成
时间。
对于细流通信,主要度量是每个单独消息(可以是请求、响应或具有任何其他语
义的消息)的延迟。
由于消息通常很小,因此传输时间通常可以忽略不计:在
这种情
况下,总延迟由来自网络的延迟源(如传播延迟或排队延迟)支配。例如,我使
用第3章中的延迟度量来评估DNS的性能DNS显然是一个稀疏的流
应用程序,因为
它使用较小的请求和响应,并需要较低的数据包
速率。
4
第一章引言
100M
bps
请注意,根据网络条件(容量、延迟),同一
应用程序可能属于一个类别或另一个类
别。例如,如果网络容量足够大,则发送
大小为50 KB
的常规消息可以被视为稀疏流。 在
100Mbps链路和40ms RTT的情况下,假设完美的拥塞控制和无丢失,发送消息和接收
确认需要
44ms
1
,这接近RTT。然而,在具有40ms RTT的1Mbps链路上,
传输相
同的消息将需要440ms。 由于它需要几个RTT,因此它成为一种
基于路由的通信。
总体而言,随着网络容量的增加,应用程序往往会受到更多
延迟的限制。 因此,对于许
多
应用程序来说,延迟已成为具有挑战性的性能瓶颈。
1.2
减少延迟
此工作的目标是减少终端主机经历的总体延迟延迟的来源有很多,因此有很多可能的方
法来减少延迟。
Briscoe等人在一项综合调查中总结了这些来源和可能的补救措
施。[12] 根据本介绍,可以将减少延迟的可能方法松散地分为两大类:基础
架构机制
和
端到端机制
。下面将简要介绍这两个系列,而第2章将进一步详细介绍端到端机
制。
1.2.1
提高延迟
第一个可以提高延迟的机制家族是
基础设施
机制,即终端主机无法直接访问的任
何机制这包括对互联网结构或其支持技术的任何改进
例如,改进Internet路由以提供更短的地理
路由是可能的。 这可以通过仔细配置
BGP路由策略或通过
开发本地对等点(Internet交换点或IXP)来完成。 这影响了
网
络的结构。
1
传输延迟为4ms
=
50KB* 8
5
1.2 减少延迟
还可以通过缓存或CDN(内容交付网络)将内容更接近用户。即使在未来,也有
人提议将计算能力更接近用户(边缘计算)。
更好的技术可以更好地提高延迟:与冰冷的数字用户线(恶人线)相比,FTTH(光纤到
户)提供了更低的本地环路延迟,因为它使用不太复杂的机制来克服噪声和干扰-
例
如,冰冷的通常实现了一种交错机制来减轻噪声突发,从而增加了
传输延迟。作为
另一个例子,低地球轨道卫星系统(LEO)提供
比地球静止轨道上的通信卫星低得多
的传播延迟。一个这样的低地球轨道系统StarLink最近在美国大陆证明了30毫秒
的端到端延迟相比之下,通过地球静止卫星的典型端到端延迟约为600毫秒。考虑
到端到端延迟的巨大差异和对较低
延迟的
普遍需求,低地球轨道卫星系统的部署速
度很快就不足为奇了。
最后,主动队列管理(AQM)可以在ISP管理的路由器中使用,以便在拥塞的情况下
更好 这可以帮助避免缓冲区[42]。
所有这些机制都必须由ISP或基础架构提供商部署一旦部署,它们就可以通过一次
影响许多客户而产生重大影响。但它们往往需要大量的时间和资金来部署,这可
能会限制它们的使用。
1.2.2
提高延迟的
第二类由
端到端机制组成
,即主要在终端(计算机、智能手机)中实现的机
制... ... )。这些机制可以通过软件更新或配置更改相对容易地部署,尽管实现大
规模滚降可能需要相当长的时间。
在终端主机的
操作系统中可以找到许多可以减少延迟的机制
:网络接口卡的驱动程
序、缓冲区管理、传输协议实现或参数。... ... 应用程序还可以使用一些机制:例
如,选择适当的传输协议或
适当的传输协议选项,在不阻塞的情况下管理事件。... ... 最
后,
利用多宿主来降低延迟是一种横向机制,可以在操作系统或应用程序中单独完
成。
6
第一章引言
总的来说,这两个机制家族(基础设施和端到端)是互补的。例如,在当前的互联网中,
更好的路由只能在
基础设施中完成,而利用多宿主只能在端到端进行。
利用端到端机制是本工作中采用的主要
这些机制易于部署并与互联网的端到端模型
相匹配
在互联网中,大多数智能都位于网络的边缘
1.3
多宿主和多路径通信
由于连接选项的广泛可用
性,多路径
传输协议在过去几十年中已经出现。同时
访问
多个网络连接非常常见:家庭Wi-Fi、雪地Wi-Fi、移动连接、光纤、DSL。... ... 这被称
为
多宿主
情况,
如图1.1所示。终端主机设备物理连接到多个网络,并且可以利用这些
连接点来使用多个路径与目的地通信。设备可以根据各种指标动态选择其将用于通
信的路径
:移动数据的货币成本、预期性能、
测量的实时性能、物理信号电平等。
当使用诸如
Multipath TCP[88]或CMT-SCTP[49]之类的多路径感知传输协议时
,甚
至可以同时使用两个路径并在它们之间进行负载平衡以优化性能度量。
图1.1
多宿主
情况下的终端主机设备(智能手机)
7
1.3多宿主和多路径通信
多宿主连接也可以从宿主路由器利用,如
图1.2所示。 在这种情况下,终端主机设备连接
到单个家庭路由器,
该路由器本身连接到多个网络。 这是
IETF [4]特别是家庭网络组
[17]中考虑的多宿主模型。 在
此模型中,本地网络
使用由ISP委托的IP地址空间运行多
个并行寻址方案,每个上游ISP一个。因此,设备可以
通过在其传出数据包中设置适
当的源地址来选择要使用的网络。或者,
可以使用网络地址转换(NAT)将对要使用
的路径的所有控制委托给家庭路由器:此设置称为SD-WAN(软件定义的广域
网)。
图
1.2
另一种
多路径网络是一个更通用的概念。例如,多路径是现代数据中心网络的基本组
件,用于在服务器对等体之间提供冗余路径类似地,大规模网络运营商利用其核心
网络中的
多个路径来实现负载平衡流量并应对故障。
然而,由于这项工作主要集中在
终端用户设备上,而不是在核心网络中,我将不考虑这些情况。
1.3.1
通过多宿主
多宿主提供的各种连接选项已在以下几种方式中得到利用
:
1.
通过聚合多个网络路径的容量来提高吞吐量;
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cpongm
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