[论文解读] Ending the Anomaly: Achieving Low Latency and Airtime Fairness in WiFi

Toke Høiland-Jørgensen, Michał Kazior+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2017

Wireless Networks and Protocols被引用 27

一句话总结

本文提出了一种两阶段解决方案，以消除WiFi中的缓冲区膨胀（bufferbloat）和802.11性能异常问题：一种专为WiFi分层架构设计的集成队列机制，以及一种在接入点运行、无需客户端修改的基于亏空的空口时间公平调度器。该方案将延迟降低了一个数量级，并实现了近乎完美的空口时间公平性，其代码实现已被接受进入主线Linux内核，可在数十亿台设备上广泛部署。

ABSTRACT

With more devices connected, delays and jitter at the WiFi hop become more prevalent, and correct functioning during network congestion becomes more important. However, two important performance issues prevent modern WiFi from reaching its potential: Increased latency under load caused by excessive queueing (i.e. bufferbloat) and the 802.11 performance anomaly. To remedy these issues, we present a novel two-part solution: We design a new queueing scheme that eliminates bufferbloat in the wireless setting. Leveraging this queueing scheme, we then design an airtime fairness scheduler that operates at the access point and doesn't require any changes to clients. We evaluate our solution using both a theoretical model and experiments in a testbed environment, formulating a suitable analytical model in the process. We show that our solution achieves an order of magnitude reduction in latency under load, large improvements in multi-station throughput, and nearly perfect airtime fairness for both TCP and downstream UDP traffic. Further experiments with application traffic confirm that the solution provides significant performance gains for real-world traffic.We develop a production quality implementation of our solution in the Linux kernel, the platform powering most access points outside of the managed enterprise setting. The implementation has been accepted into the mainline kernel distribution, making it available for deployment on billions of devices running Linux today.

研究动机与目标

• 解决由于缓冲区膨胀和802.11性能异常导致的高延迟与不公平性日益加剧的WiFi网络拥塞问题。
• 设计一种队列机制，有效消除WiFi协议栈中的缓冲区膨胀问题，该问题在传统AQM技术失效时尤为突出，原因在于下层队列未被管理。
• 开发一种在接入点运行的空口时间公平调度器，无需修改客户端设备，基于实际传输时间实现比例公平性。
• 通过理论模型与真实测试平台实验验证该解决方案，证明其在TCP和UDP工作负载下均具有性能提升。
• 在Linux内核中实现并部署该解决方案，确保其具备生产环境可用性，并产生广泛的实际影响。

提出的方法

• 设计一种新型集成队列机制，跨mac80211与驱动层运行，端到端管理队列，防止无线协议栈中的缓冲区膨胀。
• 在接入点实现一种基于亏空的空口时间公平调度器，根据实际空口时间使用情况调度传输，而非仅依赖队列大小或速率。
• 建立理论模型，分析在负载条件下队列与调度机制的行为，验证其公平性与低延迟特性。
• 将解决方案集成至Linux内核的WiFi协议栈中，确保与802.11n兼容，并支持现有硬件与协议。
• 复用现有的内核基础设施（如qdiscs与netfilter），以最小化代码修改，最大化可维护性与可移植性。
• 通过包含ICMP、TCP与UDP流量的测试平台实验评估该方案，测量在拥塞条件下的延迟、抖动与吞吐量。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管网络协议栈下层存在未管理的队列，是否仍能有效消除WiFi中的缓冲区膨胀？
• RQ2 是否仅通过调度逻辑即可在接入点实现空口时间公平性，而无需修改客户端设备？
• RQ3 将新型队列结构与公平调度器结合，是否能在网络拥塞条件下带来可测量的延迟与吞吐量改进？
• RQ4 该方案是否可在Linux内核中以生产级质量实现，以支持真实世界部署？
• RQ5 该方案在包括TCP与UDP在内的多种流量类型中，能在多大程度上提升公平性与性能？

主要发现

• 在负载条件下，所提方案将网络延迟降低了一个数量级，ping延迟从数百毫秒降至50毫秒以下。
• 系统对TCP与UDP流量均实现了近乎完美的空口时间公平性，相比默认802.11行为，公平性显著提升。
• 在多站场景下，吞吐量最高提升五倍，显著提升了网络效率。
• 该实现已被接受进入主线Linux内核，使该方案可部署于数十亿台基于Linux的接入点与路由器。
• 该方案优于以往的AQM与公平性调度方案，因其解决了下层队列中缓冲区膨胀的根本原因，并实现了准确、低复杂度的调度。
• 真实应用流量实验验证了显著的性能提升，证明该方案的实际影响不仅限于合成基准测试。