[论文解读] Programming Flows in Dense Mobile Environments: A Multi-user Diversity Perspective

Ioannis Gasparis, Ulaş C. Kozat+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2015

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 12被引用 4

一句话总结

本文提出在调度和流量管理中引入网络可编程性，以在共享回传链路的密集无线网络中利用多路径多样性。通过流量聚类并启用可编程的分流与最大载波干扰比（Max C/I）调度，该方法使传统TCP应用的吞吐量最高提升3.5倍，且在中位性能上较MP-TCP提升34%。

ABSTRACT

The emergence of OpenFlow and Software Defined Networks brings new perspectives into how we design the next generation networks, where the number of base stations/access points as well as the devices per subscriber will be dramatically higher. In such dense environments, devices can communicate with each other directly and can attach to multiple base stations (or access points) for simultaneous data communication over multiple paths. This paper explores how networks can maximally enable this multi-path diversity through network programmability. In particular, we propose programmable flow clustering and set policies for inter-group as well as intra-group wireless scheduling. Further, we propose programmable demultiplexing of a single network flow onto multiple paths before the congestion areas and multiplexing them together post congestion areas. We show the benefits of such programmability first for legacy applications that cannot take advantage of multi-homing without such programmability. We then evaluate the benefits for smart applications that take advantage of multi-homing by either opening multiple TCP connections over multiple paths or utilizing a transport protocol such as MP-TCP designed for supporting such environments. More specifically, we built an emulation environment over Mininet for our experiments. Our evaluations using synthetic and trace driven channel models indicate that the proposed programmability in wireless scheduling and flow splitting can increase the throughput substantially for both the legacy applications and the current state of the art.

研究动机与目标

• 解决现有传输协议（如TCP、MP-TCP）在密集网络中利用共享无线回传链路的多路径多样性时效率低下的问题。
• 探究网络可编程性是否能够克服多用户、多路径无线环境中默认调度策略（如比例公平）的局限性。
• 证明智能流量分组与调度策略可显著提升单个用户及系统整体吞吐量。
• 评估可编程性对无原生多路径支持的遗留应用（无需修改）以及现代多路径感知协议（如MP-TCP）的影响。

提出的方法

• 提出可编程流量聚类，将共享相同终端主机和瓶颈链路的流量分组，以支持策略感知的调度。
• 引入单一流量在拥塞前跨多条路径的可编程分流与拥塞后多路复用机制，由集中式网络控制器实现。
• 在存在共享瓶颈时，对组内流量采用最大载波干扰比（Max C/I）调度，替代默认的比例公平调度。
• 使用基于Mininet的仿真环境，结合合成的马氏链信道模型与真实的LTE信道trace，评估在真实无线条件下的性能表现。
• 对比基线单路径TCP、MP-TCP以及自定义的Demuxed TCP（支持流量拆分）在比例公平调度（PFS）与Max C/I调度策略下的性能表现。
• 分析不同场景下的吞吐量增益，包括D2D中继与小基站回传共享场景，对比有无网络智能的情况。

实验结果

研究问题

• RQ1 在网络调度与路由中引入可编程性，是否能提升无法原生使用多路径的遗留TCP应用的吞吐量？
• RQ2 在多路径、共享无线回传链路的场景下，可编程调度（如Max C/I）是否优于默认的比例公平调度？
• RQ3 在密集移动网络环境中，结合可编程调度后，多路径传输协议（如MP-TCP与Demuxed TCP）的性能表现如何？
• RQ4 当多个用户共享同一无线瓶颈（如宏基站）时，网络智能对系统整体吞吐量有何影响？
• RQ5 真实无线信道trace是否能够验证在合成马氏链模型中观察到的性能增益？

主要发现

• 对于遗留TCP应用，Demuxed TCP在最差10%的场景下，吞吐量最高可达单路径TCP的3.5倍。
• 与单路径TCP相比，Demuxed TCP将中位吞吐量提升了34%，且相比最先进的MP-TCP（采用比例公平调度）提升了23%。
• 在无可编程调度的情况下，多路径方案（包括MP-TCP）在高质量信道条件下可能比单路径TCP低8%的吞吐量。
• 在D2D与小细胞场景中，采用Max C/I调度的用户在真实信道trace下，吞吐量最高较单路径基线提升24%。
• 可编程调度同时提升了目标用户吞吐量与系统总速率；而非可编程的多路径方案由于不公平性，反而降低了系统吞吐量。
• 在两路TCP流场景下，Max C/I调度在效率上优于Demuxed TCP，但Demuxed TCP在流量拆分开销更低的情况下仍能实现相近性能。