Congestion and error control for multi-party content distribution
Authors: Στάης Χαρίλαος 
Published: September 2021

Τα τελευταία χρόνια έχουν προταθεί πολλές νέες αρχιτεκτονικές για την εξέλιξη του Διαδικτύου, με στόχο τη βελτίωση της διανομής περιεχομένου σε μεγάλη κλίμακα και της επικοινωνίας μεταξύ μηχανών. Κάποιες αρχιτεκτονικές βασίζονται σε επικοινωνία ένας-προς-πολλούς για διανομή περιεχομένου, οι αρχιτεκτονικές δικτύων αισθητήρων επικεντρώνονται σε επικοινωνία πολλοί-προς-έναν ανάμεσα στους αισθητήρες και το σημείο συγκέντρωσης, ενώ οι εφαρμογές ανταλλαγής αρχείων όπως το BitTorrent κάνουν χρήση επικοινωνίας πολλοί-προς-πολλούς. Όλες αυτές οι εξελίξεις ανατρέπουν το σχεδιασμό του υπάρχοντος Διαδικτύου που στηρίζεται στο τηλεφωνικό δίκτυο με δύο μόνο μέρη να επικοινωνούν. Η επέκταση του μοντέλου του Διαδικτύου σε μορφές επικοινωνίας με πολλούς συμμετέχοντες απαιτεί μεγάλη προσπάθεια, καθώς μια τέτοια ριζική επανασχεδίαση δημιουργεί την ανάγκη σχεδιασμού νέων πρωτοκόλλων σε όλα τα στρώματα της στοίβας δικτύωσης. Η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στο σχεδιασμό πρωτοκόλλων μεταφοράς και εφαρμογής που μπορούν να υποστηρίξουν διαφορετικούς τύπους εφαρμογών διανομής περιεχομένου με πολλούς συμμετέχοντες. Το πρώτο μέρος της διατριβής ασχολήθηκε με το θέμα του ελέγχου σε επικοινωνία ένας-προς-πολλούς, όπως εφαρμόζεται στα Πληροφοριοκεντρικά Δίκτυα (ICN). Παρά το γεγονός ότι υπάρχει πολλή δουλειά στην αξιόπιστη μεταφορά πάνω από πολυεκπομπή IP, κανένας δεν έχει καταφέρει να λύσει πλήρως το πρόβλημα της ενδόρρηξης λόγω της ανάδρασης προς τον αποστολέα όσο μεγαλώνει το μέγεθος της ομάδας πολυεκπομπής, ενώ οι υπάρχουσες λύσεις δεν εφαρμόζονται στα ειδικά χαρακτηριστικά των δικτύων. Η διατριβή πρότεινε μια κατάλληλη λύση για ICN (το πρωτόκολλο RMTPSI), την σύγκρινε με έναν από τους πιο γνωστούς μηχανισμούς για πολυεκπομπή IP, το πρωτόκολλο PGM. Οι προσομοιώσεις έδειξαν ότι το RMTPSI είναι πιο αποτελεσματικό από το PGM, ενώ απαιτεί τον ίδιο χρόνο με το PGM για να ολοκληρώσει μια μεταφορά. Συγκεκριμένα, το RMTPSI απαιτεί 2,9%-10,2% λιγότερες κατερχόμενες μεταδόσεις και 4,6%-12,1% λιγότερες συνολικές μεταδόσεις από το PGM. Το δεύτερο μέρος της διατριβής ασχολήθηκε με το αντίστροφο πρόβλημα, την αξιόπιστη επικοινωνία πολλών-προς-έναν, ένα πολύ κοινό πρόβλημα στον τομέα των δικτύων αισθητήρων, όπου μεγάλος αριθμός αισθητήρων μεταδίδουν δεδομένα σε ένα μόνο κόμβο. Καθώς οι αισθητήρες γίνονται φθηνότεροι και ισχυρότεροι, τα δίκτυα αισθητήρων αντιμετωπίζουν την πρόκληση του ελέγχου όλων αυτών των συσκευών με αποτελεσματικό τρόπο, πράγμα που οδηγεί σε μια προσέγγιση που ελέγχεται από τον κόμβο προορισμού. Η διατριβή πρότεινε ένα αξιόπιστο πρωτόκολλο μεταφοράς ελεγχόμενο από τον κόμβο προορισμού (RT-SENMOS), στο οποίο η ευθύνη για την κατανομή του ρυθμού μετάδοσης, του ελέγχουν συμφόρησης και του ελέγχου σφαλμάτων είναι αποκλειστικά στον κόμβο προορισμού. Το πρωτόκολλο υλοποιήθηκε σε επίπεδο εφαρμογής, έτσι ώστε να μην απαιτεί προνόμια εκτέλεσης επόπτη και να επιτρέπει στην εφαρμογή να ρυθμίζει τις λειτουργικές παραμέτρους του. Το πρωτόκολλο δοκιμάστηκε σε ένα πραγματικό δίκτυο με εξομοίωση απωλειών και συγκρίθηκε με ένα γνωστό πρωτόκολλο αντίστοιχης σχεδίασης (το RCRT). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το RT-SENMOS εκμεταλλεύεται πλήρως το διαθέσιμο εύρος ζώνης σε όλες τις περιπτώσεις, ενώ το RCRT καταφέρνει να χρησιμοποιήσει μόνο το 60%-90%. Τέλος, η επιβάρυνση της λειτουργίας του RT-SENMOS από πλευράς απαιτούμενων πόρων εκτέλεσης και μηνυμάτων ελέγχουν, είναι πολύ χαμηλότερη από αυτή του RCRT. Το τρίτο μέρος της διατριβής ασχολήθηκε με το μοντέλο επικοινωνίας πολλοί-προς-πολλούς για χρήση σε υπηρεσίες ροής πολυμέσων. Αξιολογήθηκαν μια σειρά επεκτάσεις στο σύστημα BitTorrent οι οποίες επιτρέπουν να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις της ροής πολυμέσων, με χρήση ενός ολοκληρωμένου προσομοιωτή που συν-δημιούργησε ο υποψήφιος, και αξιολογήθηκε η συμπεριφορά τους σε ροή βίντεο με βάση μετρικές επιπέδου δικτύου και επιπέδου χρήστη, θεωρώντας εφαρμογές αναπαραγωγής που είτε παραλείπουν είτε περιμένουν τα τμήματα που δεν έχουν φτάσει εγκαίρως. Το συμπέρασμα είναι η απλούστερη δυνατή λύση δεν υπολείπεται των άλλων κάτω από ένα ευρώ φάσμα παραμέτρων, και ότι η απόδοση επιπέδου χρήστη της λύσης αυτής είναι αρκετά αποδεκτή για κανονική χρήση, όταν ρυθμιστεί σωστά.