Untuk mengurangi waktu jeda dan meningkatkan kualitas dalam streaming video, game seluler, dan layanan web lainnya, para peneliti di Laboratorium Ilmu Komputer dan Kecerdasan Buatan MIT telah merancang skema kontrol kemacetan untuk tautan nirkabel yang bervariasi waktu, seperti jaringan seluler. Kredit: José-Luis Olivares, MIT
Sistem kontrol kemacetan dapat membantu streaming video, game seluler, dan aplikasi lain berjalan lebih lancar.
MIT adalah singkatan dari Massachusetts Institute of Technology. Ini adalah universitas riset swasta bergengsi di Cambridge, Massachusetts yang didirikan pada tahun 1861. Ini diatur dalam lima Sekolah: arsitektur dan perencanaan; rekayasa; humaniora, seni, dan ilmu sosial; pengelolaan; dan sains. Dampak MIT mencakup banyak terobosan ilmiah dan kemajuan teknologi. Tujuan mereka menyatakan adalah untuk membuat dunia yang lebih baik melalui pendidikan, penelitian, dan inovasi.
Peneliti MIT telah merancang skema kontrol kemacetan untuk jaringan nirkabel yang dapat membantu mengurangi jeda waktu dan tingkatkan kualitas dalam streaming video, obrolan video, game seluler, dan layanan web lainnya.
Agar layanan web tetap berjalan lancar, skema kontrol kongesti menyimpulkan informasi tentang kapasitas bandwidth jaringan dan kongesti berdasarkan umpan balik dari router jaringan, yang dikodekan dalam paket data. Informasi itu menentukan seberapa cepat paket data dikirim melalui jaringan.
Memutuskan tingkat pengiriman yang baik bisa menjadi tindakan penyeimbangan yang sulit. Pengirim tidak ingin terlalu konservatif: Jika kapasitas jaringan terus bervariasi dari, katakanlah, 2 megabita per detik hingga 500 kilobita per detik, pengirim selalu dapat mengirim lalu lintas dengan kecepatan terendah. Tetapi kemudian video Netflix Anda, misalnya, akan berkualitas rendah yang tidak perlu. Di sisi lain, jika pengirim terus-menerus mempertahankan kecepatan tinggi, bahkan ketika kapasitas jaringan menurun, hal itu dapat membuat jaringan kewalahan, menciptakan antrian besar paket data yang menunggu untuk dikirimkan. Paket antri dapat meningkatkan penundaan jaringan, menyebabkan, katakanlah, panggilan Skype Anda terhenti.
Segalanya menjadi lebih rumit dalam jaringan nirkabel, yang memiliki “tautan yang bervariasi waktu”, dengan pergeseran kapasitas yang cepat dan tidak dapat diprediksi. Bergantung pada berbagai faktor, seperti jumlah pengguna jaringan, lokasi menara seluler, dan bahkan bangunan di sekitarnya, kapasitas dapat berlipat ganda atau turun menjadi nol dalam sepersekian detik. Dalam sebuah makalah di USENIX Symposium on Networked Systems Design and Implementation, para peneliti mempresentasikan “Accel-Brake Control” (ABC), sebuah skema sederhana yang mencapai throughput sekitar 50 persen lebih tinggi, dan sekitar setengah penundaan jaringan, pada tautan yang bervariasi waktu. .
Skema ini bergantung pada algoritme baru yang memungkinkan router untuk secara eksplisit mengkomunikasikan berapa banyak paket data yang harus mengalir melalui jaringan untuk menghindari kemacetan tetapi memanfaatkan jaringan sepenuhnya. Ini memberikan informasi terperinci dari kemacetan — seperti paket yang antri antara menara sel dan pengirim — dengan menggunakan kembali satu bit yang sudah tersedia dalam paket internet. Para peneliti sudah dalam pembicaraan dengan operator jaringan seluler untuk menguji skema tersebut.
“Dalam jaringan seluler, sebagian kecil dari kapasitas data Anda berubah dengan cepat, menyebabkan kelambatan dalam layanan Anda. Skema tradisional terlalu lambat untuk beradaptasi dengan perubahan tersebut,” kata penulis pertama Prateesh Goyal, seorang mahasiswa pascasarjana di CSAIL. “ABC memberikan umpan balik mendetail tentang perubahan tersebut, apakah naik atau turun, menggunakan satu bit data.”
Bergabung dengan Goyal di atas kertas adalah Anup Agarwal, sekarang menjadi mahasiswa pascasarjana di Universitas Carnegie Melon; Ravi Netravali, sekarang asisten profesor ilmu komputer di University of California di Los Angeles; Mohammad Alizadeh, seorang profesor di Departemen Teknik Elektro (EECS) MIT dan CSAIL; dan Hari Balakrishnan, Profesor Fujitsu di EECS. Semua penulis telah menjadi anggota grup Jaringan dan Sistem Seluler di CSAIL.
Mencapai kontrol eksplisit
Skema kontrol kemacetan tradisional bergantung pada kehilangan paket atau informasi dari bit “kemacetan” tunggal dalam paket internet untuk menyimpulkan kemacetan dan memperlambat. Router, seperti base station, akan menandai bit untuk mengingatkan pengirim — misalnya, server video — bahwa paket data yang dikirim berada dalam antrian panjang, menandakan kemacetan. Sebagai tanggapan, pengirim kemudian akan mengurangi kecepatannya dengan mengirimkan lebih sedikit paket. Pengirim juga mengurangi kecepatannya jika mendeteksi pola paket yang dijatuhkan sebelum mencapai penerima.
Dalam upaya untuk memberikan informasi yang lebih besar tentang tautan yang macet di jalur jaringan, para peneliti telah mengusulkan skema “eksplisit” yang menyertakan banyak bit dalam paket yang menentukan tarif saat ini. Tetapi pendekatan ini berarti benar-benar mengubah cara internet mengirim data, dan terbukti tidak mungkin untuk diterapkan.
“Ini tugas berat,” kata Alizadeh. “Anda harus melakukan perubahan invasif pada Protokol Internet (IP) standar untuk mengirim paket data. Anda harus meyakinkan semua pihak Internet, operator jaringan seluler, ISP, dan menara seluler untuk mengubah cara mereka mengirim dan menerima paket data. Ini tidak akan terjadi.”
Dengan ABC, para peneliti masih menggunakan bit tunggal yang tersedia di setiap paket data, tetapi mereka melakukannya sedemikian rupa sehingga bit-bit tersebut, yang dikumpulkan di beberapa paket data, dapat memberikan informasi kecepatan real-time yang diperlukan kepada pengirim. Skema melacak setiap paket data dalam putaran bolak-balik, dari pengirim ke stasiun pangkalan ke penerima. Base station menandai bit di setiap paket dengan “akselerasi” atau “rem”, berdasarkan bandwidth jaringan saat ini. Saat paket diterima, bit yang ditandai memberi tahu pengirim untuk menambah atau mengurangi paket “in-flight” – paket dikirim tetapi tidak diterima – yang bisa ada di jaringan.
Jika menerima perintah percepatan, itu berarti paket membuat waktu yang baik dan jaringan memiliki kapasitas cadangan. Pengirim kemudian mengirimkan dua paket: satu untuk menggantikan paket yang diterima dan satu lagi untuk memanfaatkan kapasitas cadangan. Saat disuruh mengerem, pengirim mengurangi satu paket penerbangannya — artinya tidak mengganti paket yang diterima.
Digunakan di semua paket dalam jaringan, satu bit informasi itu menjadi alat umpan balik yang kuat yang memberi tahu pengirim tingkat pengiriman mereka dengan presisi tinggi. Dalam beberapa ratus milidetik, ini dapat memvariasikan kecepatan pengirim antara nol dan dua kali lipat. “Anda akan berpikir sedikit pun tidak akan membawa informasi yang cukup,” kata Alizadeh. “Tapi, dengan mengagregasi umpan balik satu bit di seluruh aliran paket, kita bisa mendapatkan efek yang sama dengan sinyal multibit.”
Tinggal selangkah lebih maju
Inti dari ABC adalah algoritme yang memprediksi tingkat agregat pengirim satu perjalanan bolak-balik ke depan untuk menghitung umpan balik akselerasi/rem dengan lebih baik.
Idenya adalah bahwa stasiun pangkalan yang dilengkapi ABC mengetahui bagaimana perilaku pengirim — memelihara, menambah, atau mengurangi paket dalam penerbangan mereka — berdasarkan cara menandai paket yang dikirim ke penerima. Pada saat base station mengirimkan sebuah paket, ia mengetahui berapa banyak paket yang akan diterimanya dari pengirim tepat dalam satu kali perjalanan bolak-balik di masa mendatang. Ia menggunakan informasi itu untuk menandai paket agar lebih akurat mencocokkan kecepatan pengirim dengan kapasitas jaringan saat ini.
Dalam simulasi jaringan seluler, dibandingkan dengan
skema kontrol kemacetan tradisional, ABC mencapai throughput sekitar 30 hingga 40 persen lebih besar untuk penundaan yang kira-kira sama. Alternatifnya, ini dapat mengurangi penundaan sekitar 200 hingga 400 persen dengan mempertahankan throughput yang sama dengan skema tradisional. Dibandingkan dengan skema eksplisit yang ada yang tidak dirancang untuk tautan yang bervariasi waktu, ABC mengurangi setengah penundaan untuk throughput yang sama. “Pada dasarnya, skema yang ada mendapatkan throughput rendah dan penundaan rendah, atau throughput tinggi dan penundaan tinggi, sedangkan ABC mencapai throughput tinggi dengan penundaan rendah,” kata Goyal.
Selanjutnya, para peneliti mencoba melihat apakah aplikasi dan layanan web dapat menggunakan ABC untuk mengontrol kualitas konten dengan lebih baik. Misalnya, “penyedia konten video dapat menggunakan informasi ABC tentang kepadatan dan kecepatan data untuk memilih resolusi video streaming dengan lebih cerdas,” kata Alizadeh. “Jika tidak memiliki kapasitas yang cukup, server video dapat menurunkan resolusi untuk sementara, sehingga video akan terus diputar dengan kualitas setinggi mungkin tanpa macet.”
Referensi: “ABC: Pengontrol Kemacetan Eksplisit Sederhana untuk Jaringan Nirkabel” oleh Prateesh Goyal, Anup Agarwal, Ravi Netravali, Mohammad Alizadeh dan Hari Balakrishnan, 15 Februari 2020, Arsitektur Jaringan dan Internet .
arXiv: 1905.03429
