Ilpo Järvinen väittelee aiheesta Ruuhkan- ja jononhallinta tiedonsiirron alkuvaiheessa

30.10.2019
FM Ilpo Järvinen väittelee torstaina 14.11.2019 klo 12 aiheesta Ruuhkan- ja jononhallinta tiedonsiirron alkuvaiheessa. Väitöskirjatyö on osa Helsingin yliopiston tietojenkäsittelytieteen osastolla ja Wireless Internet -ryhmässä tehtävää tutkimusta.

FM Ilpo Järvinen väittelee torstaina 14.11.2019 klo 12 Helsingin yliopiston Chemicum-rakennuksen salissa A129 (A.I. Virtasen aukio 1, 1. kerros) aiheesta Congestion Control and Active Queue Management During Flow Startup. Vastaväittäjänä toimii professori Anna Brunström (Karlstads Universitet, Ruotsi) ja kustoksena professori Sasu Tarkoma (Helsingin yliopisto). Väitöstilaisuus pidetään englanniksi.

Ilpo Järvisen väitöskirjatyö on osa Helsingin yliopiston tietojenkäsittelytieteen osastolla ja Wireless Internet -ryhmässä tehtävää tutkimusta. Väitöskirjatyön ohjaajina ovat toimineet lehtori Markku Kojo ja professori Sasu Tarkoma (Helsingin yliopisto).

Ruuhkan- ja jononhallinta tiedonsiirron alkuvaiheessa

Ruuhkanhallinta on yksi keskeisimpiä Internetin sujuvan dataliikenteen turvaavia toimintoja. Ilman toimivaa ruuhkanhallintaa Internet ylikuormittuisi ja tulisi käyttökelvottomaksi. TCP-protokollaa (Transmission Control Protocol) on käytetty siirtämään tietoa Internetissä jo vuosia. Sen sisäänrakennettu ruuhkanhallinta on osoittautunut tehokkaaksi estämään pitkäkestoista verkon ylikuormittumista. TCP:n keskeiset ruuhkanhallinta-algoritmit ovat hidas aloitus (Slow Start) ja ruuhkan välttely (Congestion Avoidance). Hidasta aloitusta käytetään vallitsevan verkkotilanteen salliman lähetysnopeuden selvittämiseen. Kun sopiva lähetysnopeus on saavutettu, TCP siirtyy käyttämään ruuhkan välttely -algoritmia.

Hitaan aloituksen ja ruuhkan välttelyn käyttämät algoritmit eroavat merkittävästi toisistaan. Hidas aloitus kasvattaa lähetysnopeutta eksponentiaalisesti, kun taas ruuhkan välttelyn aikana lähetysnopeus kasvaa lineaarisesti. Koska Internetissä yhden tiedonsiirtoyhteyden yli siirrettävä tietomäärä on tyypillisesti vähäinen ja uusien yhteyksien tiheä avaaminen sekä lähetystauot ovat erittäin yleisiä, aiheutuu hitaan aloituksen käyttämisestä usein toistuvia kuormapiikkejä, joiden aikana kuorman kasvu verkossa on eksponentiaalista. Verkon reuna-alueella lähellä käyttäjän laitetta verkon kuorma koostuu tyypillisesti vain yhden tai muutaman käyttäjän liikenteestä, jolloin kuormatason vaihtelu on suurta ja siirtyminen matalasta kuormasta ylikuormaan tapahtuu hitaan aloituksen käyttämisen takia erittäin nopeasti.

Standardinmukaisen TCP:n hidas aloitus -algoritmi edellyttää ruuhkasignaalia joltakin verkkopolun liikennettä välittävältä reitittimeltä ennen, kuin hidas aloitus lopetetaan ja siirrytään ruuhkan välttely -algoritmin käyttöön. Valtaosa aiemmasta ruuhkanhallintaan kohdistuvasta tietoliikennetutkimuksesta on sivuuttanut hitaan aloituksen ja on keskittynyt huomioimaan pelkästään ruuhkan välttely -algoritmille ominaisen toiminnan. Tämä väitöstyö sen sijaan keskittyy ongelmiin, joita aiheutuu uusien yhteyksien avaamisesta ja hitaan aloituksen käyttämisestä. Tämä väitöstyö osoittaa etteivät reitittimissä toimivat jononhallinta-algoritmit (Active Queue Management), jotka säätelevät ruuhkasignaaleja, yleensä reagoi riittävän nopeasti hitaaseen aloitukseen. Siksi hidas aloitus pääsee kiihdyttämään lähetysnopeutta huomattavasti yli verkkotilanteen mukaisesti määrittyvän sopivan lähetysnopeuden. Tämä ylitys siirtyy yleensä suoraan siirtoviiveeseen kasvattaen sitä, mikä myös osoitetaan tapahtuvan hitaan aloituksen aikana nykyaikaisia jononhallinta-algoritmeja käytettäessä. Toisaalta samat algoritmit voivat reagoida myös liian nopeasti, jos kiertoviive on pitkä, koska monet algoritmit perustuvat oletettuun maksimikiertoviiveeseen (yleensä 100 millisekunttia).

Tämä väitöstyö valottaa, kuinka jononhallinta-algoritmin on haasteellista selvittää todellinen kuormataso tutkimalla reitittimellä olevaa jonoa. Kyse on eräänlaisesta "horisontista", joka estää näkemästä kuormaa aiheuttavia tietoliikennepaketteja muilta verkkopolun osilta. Myös pidempikestoinen kuormamittaus on haasteellista, koska reitittimellä ei yleensä ole tietoa, kuinka pitkää ajanjaksoa tulisi käyttää mittauksessa. Lisäksi hitaan aloituksen aikana nopeasti muuttuva kuormataso johtaa kuormamittaustulosten vanhenemiseen ennenaikaisesti. Jotta ruuhkasignaali voitaisiin lähettää ajoissa, täytyy jononhallinta-algoritmin huomioida kaikki kolme yllämainittua haastetta. Tämän väitöstyön osana suunniteltiin Predict-niminen jononhallinta-algoritmi, joka osaa havaita hitaan aloituksen ja reagoi siihen oikeaan aikaan estäen tehokkaasti hitaasta aloituksesta johtuvan ylikuormituksen ja siitä johtuvat suuret viivepiikit. Näin ollen Predict välttää muille algoritmeille ongelmalliset reagointinopeuden sudenkuopat. Lisäksi työssä selvitettiin, kuinka uusien yhteyksien avaamista tulisi hallita, jotta samanaikaisesti mahdollisesti käynnissä olevalle interaktiiviselle tiedonsiirrolle ei aiheuteta ongelmia.

Väitöskirjan saatavuus

Väitöskirjan elektroninen versio on saatavilla Helsingin yliopiston e-thesis-palvelussa osoitteessa  http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-5586-3.

Painettuja väitöskirjoja voi tiedustella väittelijältä itseltään: ilpo.jarvinen@cs.helsinki.fi.