Actividad 8: Control de Congestión

Laboratorio de Redes de Telecomunicaciones
Actividad 8

Nombre del documento:
Rate Control For Streaming Video Over Wireless

Autores:
Minghua Chen y Avideh Zakhor

Enlace:
http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=1497856

Introducción

El control de velocidad es importante para aplicaciones de streaming multimedia, tanto en redes cableadas e inalámbricas. En primer lugar, da lugar a la plena utilización de enlaces de cuello de botella, garantizando que las tasas de envío no sean demasiado bajas. En segundo lugar, evita el colapso de congestión, garantizando que las tasas de envío no son demasiado agresivos. Por ejemplo, hubo un colapso de la red de Internet en octubre de 1986 en la Universidad de California en Berkeley, dando lugar a la degradación del rendimiento. Por último, el control de velocidad adecuada asegura la equidad entre usuarios compartiendo vínculos comunes en una red dada.

Un sistema de control de velocidad muy popular para el streaming en redes cableadas está basado en ecuaciones de control de velocidad, también conocido como control de velocidad de TCP local (TFRC). En TFRC la tasa de TCP-friendly se determina en función de la tasa de pérdida de paquetes, el tiempo de ida y vuelta (RTT), y el tamaño del paquete, para imitar el funcionamiento constante a largo plazo de TCP. Hay básicamente tres ventajas para control de la frecuencia utilizando TFRC: en primer lugar, se puede utilizar plenamente las capacidades de cuello de botella al tiempo que evita la congestión del colapso. En segundo lugar, es justo a los flujos TCP, que son la fuente dominante de tráfico en Internet. En tercer lugar, los resultados TFRC de fluctuación del tipo de pequeño, por lo que es atractivo para aplicaciones de streaming que requieren calidad de vídeo constante.

La clave detrás de TCP y TFRC es que la pérdida de paquetes es una señal de congestión. En las redes inalámbricas, sin embargo, la pérdida de paquetes está dominado por los errores de canal físico y esta hipótesis es clave. Ni TFRC ni TCP pueden distinguir entre la pérdida de paquetes debido al desbordamiento del búfer o debido a errores de la capa física. Como se muestra más adelante, esto se traduce en la subutilización del canal inalámbrico.

El authTFRC asume que la pérdida de paquetes en redes cableadas es principalmente debido a la congestión y no es aplicable a redes inalámbricas en donde la principal causa de la pérdida de paquetes es la capa física.

El control de velocidad para aplicaciones de streaming de forma inalámbrica sigue siendo un problema abierto. Ha habido una serie de esfuerzos para mejorar el rendimiento de TCP o TFRC sobre wireless. Estos enfoques esconden hosts finales de la pérdida de paquetes debido a un error del canal inalámbrico, o proporcionan a los hosts finales la capacidad de distinguir entre la pérdida de paquetes causada por la congestión y la causada por el error del canal inalámbrico. Para obtener una mejor comprensión del espectro de enfoques para el control de velocidad de una conexión inalámbrica, se revisan brevemente las soluciones TCP y TFRC de forma inalámbrica.

Snoop, una solución conocida, es un enfoque de capa de enlace de retransmisión local de TCP-aware. Un módulo de Snoop reside en un router o estación base en el último salto (es decir, la conexión inalámbrica) y registra una copia de cada paquete enviado. Suponiendo que un módulo Snoop puede acceder a TCP mediante las respuestas (ACK) de paquetes desde el receptor TCP, que se ve en los paquetes ACK y lleva a cabo retransmisiones locales cuando un paquete es corrompido por los errores de canal inalámbricos. Mientras se hace la retransmisión local, el paquete ACK se suprime y no se reenvía al remitente TCP. Estos esquemas potencialmente pueden extenderse a TFRC con el fin de mejorar el rendimiento mediante el uso de un tratamiento más complicado de los paquetes ACK desde el receptor TFRC.

El escenario típico para la transmisión en la red inalámbrica, cuando un servidor de vídeo en la red por cable esta transmitiendo vídeo a un receptor en la red inalámbrica.

El enlace inalámbrico se supone que tienen ancho de banda disponible, y la tasa de pérdida de paquetes es causada por el error de canal inalámbrico. También podría haber pérdida de paquetes causada por la congestión en el nodo 2, mostrado por la PC. Nos referimos al canal inalámbrico como subutilizado, si la salida de transmisión es menor que el caudal máximo posible a través del enlace inalámbrico.

En base a este escenario, dos metas del esquema de control de velocidad se pueden indicar los siguientes, en primer lugar, la tasa de transmisión no debe causar ninguna inestabilidad de la red (es decir, el colapso de la congestión), en segundo lugar, debe conducir a un rendimiento óptimo (es decir, el throughput más alto posible y menor tasa de pérdida de paquetes posible). TFRC puede cumplir con la primera meta claramente, porque se ha demostrado que al ser TCP el usado, no causa inestabilidad de la red.

Una estrategia que conduce a un rendimiento óptimo puede ser descrito de la siguiente manera: seguir aumentando el número de conexiones hasta que una conexión adicional resulta en un viaje de extremo a extremo mejorando el tiempo de vuelta o la tasa de pérdida de paquetes. A continuación, utilizamos esta observación para desarrollar un esquema práctico llamado MULTFRC para determinar el número óptimo de conexiones.

La idea básica detrás de MULTFRC es medir el tiempo de ida y vuelta, y ajustar el número de conexiones de acuerdo con el fin de utilizar el ancho de banda inalámbrica de manera eficiente, y garantizar la equidad entre las aplicaciones. Hay dos componentes de nuestro sistema propuesto: un subsistema de medición de RTT y un subsistema del controlador de conexiones (CAC), ambos con domicilio en el remitente.

Para evaluar el desempeño de MULTFRC en aplicaciones de transmisión de vídeo, se simuló la transferencia de un clip de 60 segundos de vídeo a través de un canal, con el rastro del rendimiento correspondiente a una de las trazas obtenidas a partir de experimentos reales sobre RTT CDMA. El objetivo es comparar la calidad de la transmisión de vídeo alcanzable utilizando una conexión TFRC con la de MULTFRC.

Una comparación de estas dos se muestra en la siguiente imagen obtenida del mismo documento.

Conclusiones

En el documento se aborda una alternativa de solución para la transmisión de vídeos dentro de una red inalámbrica donde se hace uso de protocolos ya implementados para lograr conocer cuando un paquete logró ser transmitido correctamente hasta la computadora que lo esta requiriendo, y de no ser así se retransmite desde el buffer generado desde el router para evitar la solicitud del paquete hasta el servidor que provee el servicio. En teoría la solución propuesta parece ser buena ya que previene de alguna forma la congestión de la red.

Referencias:
"Rate Control For Streaming Video Over Wireless", Minghua Chen y Avideh Zakhor de La Universidad de California en Barkeley, Agosto 2005