[论文解读] OSCAR: A Collaborative Bandwidth Aggregation System

Karim Habak, Khaled A. Harras+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2014

Caching and Content Delivery参考文献 31被引用 11

一句话总结

OSCAR 是一种可部署的、基于激励的带宽聚合系统，使移动设备能够协作并高效地利用自身及邻近设备的多个网络接口，以在最小化能耗和成本的同时最大化吞吐量。它在不修改遗留服务器的前提下，通过适应实时网络状况和用户约束的多目标调度器，使吞吐量比当前操作系统最高提升150%。

ABSTRACT

The exponential increase in mobile data demand, coupled with growing user expectation to be connected in all places at all times, have introduced novel challenges for researchers to address. Fortunately, the wide spread deployment of various network technologies and the increased adoption of multi-interface enabled devices have enabled researchers to develop solutions for those challenges. Such solutions aim to exploit available interfaces on such devices in both solitary and collaborative forms. These solutions, however, have faced a steep deployment barrier. In this paper, we present OSCAR, a multi-objective, incentive-based, collaborative, and deployable bandwidth aggregation system. We present the OSCAR architecture that does not introduce any intermediate hardware nor require changes to current applications or legacy servers. The OSCAR architecture is designed to automatically estimate the system's context, dynamically schedule various connections and/or packets to different interfaces, be backwards compatible with the current Internet architecture, and provide the user with incentives for collaboration. We also formulate the OSCAR scheduler as a multi-objective, multi-modal scheduler that maximizes system throughput while minimizing energy consumption or financial cost. We evaluate OSCAR via implementation on Linux, as well as via simulation, and compare our results to the current optimal achievable throughput, cost, and energy consumption. Our evaluation shows that, in the throughput maximization mode, we provide up to 150% enhancement in throughput compared to current operating systems, without any changes to legacy servers. Moreover, this performance gain further increases with the availability of connection resume-supporting, or OSCAR-enabled servers, reaching the maximum achievable upper-bound throughput.

研究动机与目标

• 通过使移动设备上的多个网络接口得到高效利用，应对日益增长的移动数据需求和高昂的漫游费用。
• 克服现有带宽聚合解决方案因需要基础设施变更或应用修改而导致的高部署门槛。
• 设计一种系统，支持独立使用和协作使用带宽，且无需更改遗留服务器或网络基础设施。
• 通过奖励机制激励用户共享其未充分利用的带宽，促进广泛采用。
• 基于设备和网络上下文的实时信息，对吞吐量、能效和成本等多个目标进行优化。

提出的方法

• 设计一种轻量级、向后兼容的架构，运行于传输层，无需更改应用程序、服务器或网络硬件。
• 实现一种多目标、多模式的调度器，根据吞吐量、能耗和成本指标动态分配数据到不同接口。
• 集成上下文感知的自适应机制，持续监控并响应实时网络状况和设备状态。
• 开发安全高效的通信协议，用于OSCAR设备与服务器之间的点对点协作。
• 采用渐进式部署机制，即使仅部分节点启用OSCAR，也能获得性能提升。
• 将调度问题建模为约束优化问题，在保证能耗和成本在用户定义边界内的前提下，最大化吞吐量。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不修改遗留基础设施的前提下，高效聚合移动设备上多个接口的带宽？
• RQ2 在动态网络环境中，何种调度策略能实现吞吐量、能耗和财务成本之间的最优权衡？
• RQ3 如何在不依赖集中式代理或硬件扩展的前提下，激励用户参与带宽共享？
• RQ4 与当前操作系统相比，吞吐量可提升多少，特别是在OSCAR支持连接恢复的服务器环境下？
• RQ5 用户对成本和能耗的不同约束如何影响系统满足吞吐量需求的能力？

主要发现

• 在吞吐量最大化模式下，OSCAR 相较于当前操作系统最高可实现150%的吞吐量提升，且无需更改任何遗留服务器。
• 当存在支持连接恢复或已启用OSCAR的服务器时，系统可达到给定网络条件下理论上的最大吞吐量。
• 在成本最小化模式下，OSCAR 通过动态选择最经济的路径，显著降低每兆字节的成本，尤其在吞吐量和能耗约束放宽时效果更明显。
• 当系统可选择低能耗路径时，每兆字节的能耗保持稳定或下降；但当高吞吐量需求迫使使用高能耗链路时，能耗则会上升。
• 系统在满足或超过最低吞吐量要求的同时，能将用户定义的成本和能耗水平维持在可接受范围内。
• 通过渐进式部署，性能提升进一步增强，因为启用OSCAR的节点越多，协作带宽的可用性越高。