يكتشف الباحثون عقبة رئيسية أمام تقليل ازدحام الشبكة
عندما يرغب المستخدمون في إرسال البيانات عبر الإنترنت بشكل أسرع من الشبكة ، يمكن أن تحدث اختناقات مرورية ، مثل الاختناقات المرورية التي تؤدي إلى إبطاء تنقلاتك الصباحية إلى مدينة كبيرة.
تقسم أجهزة الكمبيوتر والأجهزة التي تنقل البيانات عبر الإنترنت البيانات إلى حزم أصغر وتستخدم خوارزمية خاصة لتحديد سرعة إرسال هذه الحزم. تسعى خوارزميات التحكم في الازدحام هذه إلى اكتشاف سعة الشبكة المتاحة واستخدامها بالكامل أثناء مشاركتها بشكل عادل مع مستخدمين آخرين قد يتشاركون في نفس الشبكة. تحاول هذه الخوارزميات تقليل التأخيرات الناتجة عن انتظار البيانات في قوائم انتظار الشبكة.
على مدار العقد الماضي ، طور باحثون في الصناعة والأوساط الأكاديمية العديد من الخوارزميات التي تحاول تحقيق معدلات عالية مع التحكم في التأخير. بعضها ، مثل خوارزمية BBR التي طورتها Google ، تُستخدم الآن على نطاق واسع في العديد من مواقع الويب والتطبيقات.
لكن فريقًا من باحثي معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا اكتشف أن هذه الخوارزميات يمكن أن تكون غير عادلة للغاية. في دراسة جديدة ، أظهروا أنه سيكون هناك دائمًا سيناريو شبكة حيث لا يتلقى مرسل واحد على الأقل أي عرض نطاق ترددي تقريبًا مقارنةً بالمرسلين الآخرين ؛ وهذا يعني أنه لا يمكن تجنب مشكلة تعرف بالجوع.
"ما يثير الدهشة حقًا في هذه المقالة والنتائج هو أنه عندما تفكر في التعقيد الفعلي لمسارات الشبكة وكل ما يمكنهم فعله لحزم البيانات ، فمن المستحيل بشكل أساسي التحكم في خوارزميات تأخير التحكم في الازدحام لتجنب التجويع باستخدام التيار يقول محمد علي زاده ، الأستاذ المشارك في الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر (EECS).
على الرغم من عدم تمكن علي زاده وزملاؤها من إيجاد خوارزمية تقليدية للتحكم في الازدحام يمكن أن تمنع المجاعة ، فقد تكون هناك خوارزميات في فئة مختلفة يمكنها منع هذه المشكلة. يشير تحليلهم أيضًا إلى أن تعديل طريقة عمل هذه الخوارزميات ، بحيث تسمح بتغيرات أكبر في التأخير ، يمكن أن يساعد في منع المجاعة في بعض مواقف الشبكة.
شارك علي زاده في تأليف الورقة مع المؤلف الأول وطالب الدراسات العليا في EECS فينكات أرون والمؤلف الرئيسي هاري بالاكريشنان ، أستاذ فوجيتسو لعلوم الكمبيوتر والذكاء الاصطناعي. سيتم تقديم البحث في مؤتمر ACM Special Interest Group on Data Communications (SIGCOMM).
السيطرة على الازدحام
يُعد التحكم في الازدحام مشكلة أساسية في الشبكات يحاول الباحثون حلها منذ الثمانينيات.
لا يعرف كمبيوتر المستخدم مدى سرعة إرسال حزم البيانات عبر الشبكة لأنه يفتقر إلى المعلومات ، مثل جودة اتصال الشبكة أو عدد المرسلين الآخرين الذين يستخدمون الشبكة. يؤدي إرسال الحزم ببطء شديد إلى سوء استخدام النطاق الترددي المتاح. لكن إرسالها بسرعة كبيرة يمكن أن يطغى على الشبكة ، وعند القيام بذلك ، ستبدأ الحزم في الانخفاض. يجب أن تكون هذه الحزم مستاءة ، مما يؤدي إلى تأخير أطول. يمكن أن تحدث التأخيرات أيضًا بسبب انتظار الحزم في قوائم الانتظار لفترة طويلة.
تستخدم خوارزميات التحكم في الازدحام فقدان الحزمة والتأخير كإشارات لاستنتاج الازدحام وتحديد مدى سرعة إرسال البيانات. لكن الإنترنت معقد ويمكن أن تتأخر الحزم وتضيع لأسباب لا علاقة لها بازدحام الشبكة. على سبيل المثال ، قد تكون البيانات عالقة في قائمة انتظار في طريقها ثم يتم تحريرها مع مجموعة من الحزم الأخرى ، أو قد يتأخر إقرار المستلم. يطلق المؤلفون على التأخيرات التي لا تنتج عن الازدحام "الارتعاش".
حتى إذا كانت خوارزمية التحكم في الازدحام تقيس التأخير تمامًا ، فلا يمكنها التمييز بين التأخير الناجم عن الازدحام والتأخير الناجم عن الارتعاش. التأخير الناجم عن الارتعاش لا يمكن التنبؤ به ويشوش على المرسل. بسبب هذا الغموض ، يبدأ المستخدمون في تقدير التأخير بشكل مختلف ، مما يجعلهم يرسلون حزمًا بمعدلات غير متساوية. ويوضح آرون أن هذا يؤدي في النهاية إلى حالة تحدث فيها المجاعة ويتم استبعاد شخص ما تمامًا.
"لقد بدأنا المشروع لأننا افتقرنا إلى المعرفة النظرية حول سلوك التحكم في الازدحام في وجود التوتر. لوضعه على أساس نظري أكثر صلابة ، قمنا ببناء نموذج رياضي كان بسيطًا بما يكفي للتفكير فيه ، ولكنه قادر لالتقاط بعض تعقيدات الإنترنت. لقد كان من المجدي جدًا أن ترى الرياضيات تخبرنا بأشياء لم نكن نعلم أنها ذات صلة عملية ".
دراسة الجوع
أرسل الباحثون نموذجهم الرياضي إلى جهاز كمبيوتر ، وأعطوه سلسلة من خوارزميات التحكم في الازدحام شائعة الاستخدام ، وطلبوا من الكمبيوتر العثور على خوارزمية يمكن أن تتجنب الجوع باستخدام نموذجهم.
"لم نتمكن من القيام بذلك. لقد جربنا جميع الخوارزميات التي نعرفها وبعض الخوارزميات الجديدة التي توصلنا إليها. لم ينجح أي شيء. وجد الكمبيوتر دائمًا موقفًا يحصل فيه بعض الأشخاص على النطاق الترددي بالكامل ويتولى شخص واحد على الأقل يقول آرون.
تفاجأ الباحثون بهذه النتيجة ، خاصة وأن هذه الخوارزميات واسعة ...
عندما يرغب المستخدمون في إرسال البيانات عبر الإنترنت بشكل أسرع من الشبكة ، يمكن أن تحدث اختناقات مرورية ، مثل الاختناقات المرورية التي تؤدي إلى إبطاء تنقلاتك الصباحية إلى مدينة كبيرة.
تقسم أجهزة الكمبيوتر والأجهزة التي تنقل البيانات عبر الإنترنت البيانات إلى حزم أصغر وتستخدم خوارزمية خاصة لتحديد سرعة إرسال هذه الحزم. تسعى خوارزميات التحكم في الازدحام هذه إلى اكتشاف سعة الشبكة المتاحة واستخدامها بالكامل أثناء مشاركتها بشكل عادل مع مستخدمين آخرين قد يتشاركون في نفس الشبكة. تحاول هذه الخوارزميات تقليل التأخيرات الناتجة عن انتظار البيانات في قوائم انتظار الشبكة.
على مدار العقد الماضي ، طور باحثون في الصناعة والأوساط الأكاديمية العديد من الخوارزميات التي تحاول تحقيق معدلات عالية مع التحكم في التأخير. بعضها ، مثل خوارزمية BBR التي طورتها Google ، تُستخدم الآن على نطاق واسع في العديد من مواقع الويب والتطبيقات.
لكن فريقًا من باحثي معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا اكتشف أن هذه الخوارزميات يمكن أن تكون غير عادلة للغاية. في دراسة جديدة ، أظهروا أنه سيكون هناك دائمًا سيناريو شبكة حيث لا يتلقى مرسل واحد على الأقل أي عرض نطاق ترددي تقريبًا مقارنةً بالمرسلين الآخرين ؛ وهذا يعني أنه لا يمكن تجنب مشكلة تعرف بالجوع.
"ما يثير الدهشة حقًا في هذه المقالة والنتائج هو أنه عندما تفكر في التعقيد الفعلي لمسارات الشبكة وكل ما يمكنهم فعله لحزم البيانات ، فمن المستحيل بشكل أساسي التحكم في خوارزميات تأخير التحكم في الازدحام لتجنب التجويع باستخدام التيار يقول محمد علي زاده ، الأستاذ المشارك في الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر (EECS).
على الرغم من عدم تمكن علي زاده وزملاؤها من إيجاد خوارزمية تقليدية للتحكم في الازدحام يمكن أن تمنع المجاعة ، فقد تكون هناك خوارزميات في فئة مختلفة يمكنها منع هذه المشكلة. يشير تحليلهم أيضًا إلى أن تعديل طريقة عمل هذه الخوارزميات ، بحيث تسمح بتغيرات أكبر في التأخير ، يمكن أن يساعد في منع المجاعة في بعض مواقف الشبكة.
شارك علي زاده في تأليف الورقة مع المؤلف الأول وطالب الدراسات العليا في EECS فينكات أرون والمؤلف الرئيسي هاري بالاكريشنان ، أستاذ فوجيتسو لعلوم الكمبيوتر والذكاء الاصطناعي. سيتم تقديم البحث في مؤتمر ACM Special Interest Group on Data Communications (SIGCOMM).
السيطرة على الازدحام
يُعد التحكم في الازدحام مشكلة أساسية في الشبكات يحاول الباحثون حلها منذ الثمانينيات.
لا يعرف كمبيوتر المستخدم مدى سرعة إرسال حزم البيانات عبر الشبكة لأنه يفتقر إلى المعلومات ، مثل جودة اتصال الشبكة أو عدد المرسلين الآخرين الذين يستخدمون الشبكة. يؤدي إرسال الحزم ببطء شديد إلى سوء استخدام النطاق الترددي المتاح. لكن إرسالها بسرعة كبيرة يمكن أن يطغى على الشبكة ، وعند القيام بذلك ، ستبدأ الحزم في الانخفاض. يجب أن تكون هذه الحزم مستاءة ، مما يؤدي إلى تأخير أطول. يمكن أن تحدث التأخيرات أيضًا بسبب انتظار الحزم في قوائم الانتظار لفترة طويلة.
تستخدم خوارزميات التحكم في الازدحام فقدان الحزمة والتأخير كإشارات لاستنتاج الازدحام وتحديد مدى سرعة إرسال البيانات. لكن الإنترنت معقد ويمكن أن تتأخر الحزم وتضيع لأسباب لا علاقة لها بازدحام الشبكة. على سبيل المثال ، قد تكون البيانات عالقة في قائمة انتظار في طريقها ثم يتم تحريرها مع مجموعة من الحزم الأخرى ، أو قد يتأخر إقرار المستلم. يطلق المؤلفون على التأخيرات التي لا تنتج عن الازدحام "الارتعاش".
حتى إذا كانت خوارزمية التحكم في الازدحام تقيس التأخير تمامًا ، فلا يمكنها التمييز بين التأخير الناجم عن الازدحام والتأخير الناجم عن الارتعاش. التأخير الناجم عن الارتعاش لا يمكن التنبؤ به ويشوش على المرسل. بسبب هذا الغموض ، يبدأ المستخدمون في تقدير التأخير بشكل مختلف ، مما يجعلهم يرسلون حزمًا بمعدلات غير متساوية. ويوضح آرون أن هذا يؤدي في النهاية إلى حالة تحدث فيها المجاعة ويتم استبعاد شخص ما تمامًا.
"لقد بدأنا المشروع لأننا افتقرنا إلى المعرفة النظرية حول سلوك التحكم في الازدحام في وجود التوتر. لوضعه على أساس نظري أكثر صلابة ، قمنا ببناء نموذج رياضي كان بسيطًا بما يكفي للتفكير فيه ، ولكنه قادر لالتقاط بعض تعقيدات الإنترنت. لقد كان من المجدي جدًا أن ترى الرياضيات تخبرنا بأشياء لم نكن نعلم أنها ذات صلة عملية ".
دراسة الجوع
أرسل الباحثون نموذجهم الرياضي إلى جهاز كمبيوتر ، وأعطوه سلسلة من خوارزميات التحكم في الازدحام شائعة الاستخدام ، وطلبوا من الكمبيوتر العثور على خوارزمية يمكن أن تتجنب الجوع باستخدام نموذجهم.
"لم نتمكن من القيام بذلك. لقد جربنا جميع الخوارزميات التي نعرفها وبعض الخوارزميات الجديدة التي توصلنا إليها. لم ينجح أي شيء. وجد الكمبيوتر دائمًا موقفًا يحصل فيه بعض الأشخاص على النطاق الترددي بالكامل ويتولى شخص واحد على الأقل يقول آرون.
تفاجأ الباحثون بهذه النتيجة ، خاصة وأن هذه الخوارزميات واسعة ...
What's Your Reaction?
