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毕设论文1
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2022-08-08
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摘要当前无线网络已经日渐成为我们生活中不可缺少的一部分,同时无线网络延迟对于手机应用的用户体验有着至关重要的作用。然而,对于无线网络延迟目前大部分仍处于未知状态
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摘 要
当前无线网络已经日渐成为我们生活中不可缺少的一部分,同时无线网络延
迟对于手机应用的用户体验有着至关重要的作用。然而,对于无线网络延迟目前
大部分仍处于未知状态。在这篇论文中,我们首先提出一种有效的方法来对网络
往返延迟(即 RTT)进行分解。然后基于我们在国内某高校部署的 47 台无线路
由器在两个月内采集的无线延迟及无线参数信息,我们将提出一种对于无线延迟
的系统研究方法。我们发现,无线延迟可以成为网络往返延迟最薄弱的环节:
有 50%的 TCP 包的无线延迟超过 20ms,有 10%的 TCP 包的无线延迟超过
100ms。并且对于超过一半的网络延迟来说,无线延迟的占比将会超过 60%。为
了更好的理解无线延迟,并对其进行故障定位,优化分析,我们训练了一种决策
树的模型。基于此模型,我们对一实际场景进行了优化,并将无线延迟的中值从
50ms 减少到 10ms,即降低 80%。同时将另一实际场景的最大延迟,从 250ms
降低到 50ms。同时,我们利用我们测量的延迟作为分布式的针对独立的无线路
由器的信道调整的参数,最终我们可以将无线延迟的中位数降低 5 倍。
关键词 无线延迟 决策树 故障定位 优化分析
ABSTRACT
As mobile Internet is now indispensable in our daily lives, WiFi’s latency
performance has become critical to mobile applications’ quality of experience.
Unfortunately, WiFi hop latency in the wild remains largely unknown. In this paper,
we first propose an effective approach to break down the round trip network latency.
Then we provide the first systematic study on WiFi hop latency in the wild based on
the latency and WiFi factors collected from 47 APs on T university campus for two
months. We observe that WiFi hop can be the weakest link in the round trip network
latency: more than 50% (10%) of TCP packets suffer from WiFi hop latency larger
than 20ms (100ms), and WiFi hop latency occupies more than 60% in more than half
of the round trip network latency. To help understand, troubleshoot, and optimize
WiFi hop latency for WiFi APs in general, we train a decision tree model. Based on
the model’s output, we are able to reduce the median latency by 80% from 50ms to
10ms in one real case, and reduce the maximum latency from 250ms to 50ms in
another real case. Using the latency we measured as input, distributed channel
selection on individual Aps reduces the median WiFi hop delay by up to 5×.
KEY WORDS wifi latency decision tree troubleshoot optimazation
第一章 无线延迟研究系统介绍
1.1 研究背景
当前无线网络已经日渐成为我们生活中不可缺少的一部分。并且无线网络延
迟对于手机应用的用户体验有着至关重要的作用,原因如下:首先无线路由器已
经成为用户接入互联网的主要方式。在2013年,对于55%的网络流量,WIFI成为
他们的最后一跳[1]。其次,用户要求更短的移动应用响应时间,[2]中表明,如
果页面载入时间超过3秒钟,就会有40%的用户放弃此页面的浏览。它同时也表
明有47%的用户希望页面加载时间小于2秒钟。另外,当前大部分移动应用所采
用的HTTP协议是对于网络延迟十分敏感的,网络延迟每10毫秒的增加,就会造
成页面载入时间1000毫秒的升高[3]。并且,无线干扰一旦出现,就会造成无线
延迟的激增。因此,综合以上数据[2][3],为了满足用户需求,无线延迟应控制
在20毫秒至30毫秒以下。
尽管无线延迟的影响极大,目前对于无线延迟的研究大部分,仍然处于位置
状态,这个可能是由于有效测量方法的缺失。在这篇论文中,我们将提出一个系
统的研究方法,来回答以下三个有关于现实场景中无线延迟及无线参数的重要问
题:
现实场景中的无线延迟是什么样子的?
哪些无线参数对于无线延迟的影响最大?
我们应当怎么优化现实场景中的无线延迟?
1.2 研究方法介绍
首先我们提出一种叫做wing的方法,它能够有效的测量分解TCP包的网络往
返延迟(值得注意的是,这里我们提到的网络往返延迟将忽略服务器处理时间,
具体细节将在下一章介绍)。这里我们将其分解为上行无线延迟,有线延迟,及
下行无线延迟。我们的方法能有精确的测量所有TCP包的下行无线延迟,并且用
精确测量的TCP三次握手包的上行无线延迟和有线延迟来近似的估计其他TCP包
的上行无线延迟和有线延迟。此方法不需要用户端的任何协助,并且能够部署在
任何一台可装载OpenWrt系统的无线路由器中,而不需要无线路由器芯片厂商的
支持。
其次,本课题展现了在实际场景下对于无线延迟的研究。我们将47台配置了
OpenWrt系统及wing方法的无线路由器部署于国内某高校学生宿舍中,作为他们
的主要联网接入点。我们在2016年2月份至4月份两个月内,采集了无线延迟及无
线参数(如信号接入强度,重传比率,信道占用率等)共约2T的原始数据。我
们观察到对于这些无线路由器来说,有超过50%TCP包的无线延迟超过20毫秒,
有超过10%的TCP包的无线延迟超过100毫秒。令人惊讶的是,超过一半的流量
中,无线延迟都占到往返总延迟的60%。无线路由器,作为当前大部分网络的最
后一跳,在大部分情况下,已经成为了网络延迟中最薄弱的环节。
第三,利用之前采集到的大量的无线参数数据,我们训练了一个普试的决策
树模型,这个决策树模型能够对部署了本课题中方法的无线路由器及其他路由器
提出优化建议。1)这个直观的决策树模型能够表明哪种无线参数对于无线延迟
的影响最大。例如我们观察到,当信道占用率超过55%的时候,就会有超过67%
的可能性出现无法忍受的无线延迟。2)在一个实际的例子中,我们利用我们普
试的决策树模型,根据无线参数来对TCP包进行分类。分类的结果表明造成高无
线延迟的主要原因是高信道占用率。当我们把无线信道调整到信道占用率低了8%
的信道上后,此无线路由器的最高无线延迟从250毫秒降低到50毫秒。3)在另外
一个实际的例子中,分类的结果说明,客户端的接收信号强度是高延迟的问题所
在。重新放置无线路由器的位置,能够将无线延迟的中位数从50毫秒降低到10毫
秒,降低了80%。
第二章 网络延迟分解
在这一章,我们首先将利用TCP包的生存周期来系统的介绍往返网络延迟
(忽略服务器处理时延)。其次,我们将介绍我们的数据收集平台和算法。最后
我们将描述我们利用TCP三次握手包及TCP数据包,将往返网络延迟分解为三个
不同部分的方法。
2.1 往返网络延迟中的时间戳
为了研究往返网络延迟(忽略服务器处理时延RTNL=RTT-S),在本课题中
将研究一个由客户端产生的包p,及在一个往返通信中,一个由服务端产生的响
应包q的生存周期,并最终抽离出延迟部分。本课题重点研究TCP包,因为TCP
包是当前主要的网络传输协议[4][5]。并且对于网络延迟十分敏感的,最常用的
移动应用网络协议——HTTP协议,也是基于TCP协议的。现在我们来看一下TCP
三次握手包的生存周期,来系统的分析整个过程中每部分产生的网络延迟。
图一中展示了TCP三次握手过程中,包在往返通信过程中的生存状态,以及
它们在这个过程中经历的网络延迟。在这个例子中,p是TCP的SYN包,q是TCP
的SYN-ACK包。
在最开始,在时间
t
0
时刻,包p由用户设备(UE)生成。经过了发送排队等
待时间,信道避让时间,发送时间以及可能的重传时间后,包p最后在
t
′
1
时间到
达无线路由器的无线网卡。这段从
t
0
到
t
′
1
的时间,这里我们定义为无线上行延迟
(UL)。
包p一到达路由器的无线网卡(wireless NIC),它就会在无线路由器内部被
处理,然后被交付到无线路由器的有线网卡(wired NIC)。我们这里用
t
1
来标记
包p到达无线路由器有线网卡的时间。那么
t
1
-
t
′
1
就是无线路由器内部处理延迟
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曹多鱼
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