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@@ -122,4 +122,46 @@ XOR、R-S等分组码结合交织已经能较好地应对网络中的丢包问
之后的一些研究进一步研究了通过流量调度实现对资源利用的优化。CRONets\cite{cai2016cronets}提出了利用云网络服务商提供的虚拟机网络网络链路建立覆盖网络的方案并利用多路径TCP在覆盖网络节点间提升性能。在覆盖网络资源规模进一步扩大的背景下研究者开始关注如何通过集中式调度提升资源利用效率。B4\cite{jain2013b4}则提出了通过流量调度和流量工程有效分配不同链路的负载以最大化链路使用率的方法。BDS\cite{zhang2018bds}使用统一的中央控制器持续监控不同覆盖网络间节点的可用资源动态调度传输路径以实现对链路的带宽的充分利用。除了单纯追求更高链路利用率一些研究开始进一步联合考虑性能与部署成本之间的平衡。Skyplane\cite{jain2023skyplane}则观察到云网络提供商不同地域资源的定价差异将追求文件传输最大吞吐量与追求更低租赁成本建模为一个线性优化问题给定其中一个指标的限制利用算法最优化另一个指标。Titan\cite{kataria2024titan}则针对持续运行的流媒体服务将租用云网络互联资源成本纳入考量在维持用户体验在一定水平之上的前提下动态调度流量与计算资源降低整体的网络部署成本。与此同时随着实时媒体等对服务连续性要求更高的应用出现部分工作开始关注链路状态变化时的快速恢复能力。Troia等人\cite{troia2022sdnfastrecovery}利用eBPF技术实时检测各个覆盖网络节点的传输状态并在检测到链路拥塞或其他链路质量变化事件时快速重新触发流量调度算法以维持高质量连接。XRON\cite{wu2023xron}则同时结合链路成本优化、资源利用与快速恢复,主动探测可用的公网链路与专线链路质量,结合未来用户流量需求预测,持续计算和更新成本最佳的流量调度策略。为保持所承载音视频通话的服务质量,计算多个备用调度方案以确保故障条件的快速恢复。
总体而言现有覆盖网络与SDN调度相关研究主要通过动态路径选择、流量工程以及资源调度等方式尽可能规避低质量链路对服务质量的影响。然而在跨域云网络场景下公网链路虽然存在较大的性能波动但同时具有覆盖范围广、部署灵活以及成本较低等优势。现有工作通常倾向于在网络质量下降时将流量迁移至专线或其他高质量链路而较少进一步考虑结合冗余编码等机制提升对低质量公网的利用率以在保证服务质量的同时进一步降低整体网络部署成本。因此如何联合考虑链路调度与冗余编码策略充分利用低成本公网资源成为当前覆盖网络优化中的一个值得关注的问题。
总体而言现有覆盖网络与SDN调度相关研究主要通过动态路径选择、流量工程以及资源调度等方式尽可能规避低质量链路对服务质量的影响。然而在跨域云网络场景下公网链路虽然存在较大的性能波动但同时具有覆盖范围广、部署灵活以及成本较低等优势。现有工作通常倾向于在网络质量下降时将流量迁移至专线或其他高质量链路而较少进一步考虑结合冗余编码等机制提升对低质量公网的利用率以在保证服务质量的同时进一步降低整体网络部署成本。因此如何联合考虑链路调度与冗余编码策略充分利用低成本公网资源成为当前覆盖网络优化中的一个值得关注的问题。
\section{现有系统问题分析}
前文分别介绍了链路质量优化和覆盖网络调度两类相关工作。前者通常利用FEC等机制直接提升低质量网络中的丢包恢复能力后者则利用SDN和覆盖网络能力在多条候选链路之间进行路径选择和流量调度。两类方法分别从“修复链路”和“选择链路”的角度改善传输性能但在跨域云网络场景下仍然存在与真实公网结构不匹配的问题。本节结合本文的测量观察对现有方法的局限性进行进一步分析并引出第三章的系统设计目标。
\subsection{网络路径的分段质量差异造成冗余编码效率低}
现有FEC相关工作大多将发送端到接收端之间的网络路径视为一条整体链路并基于端到端测得的丢包率、突发丢包长度或应用层质量指标选择冗余策略。这种建模方式适用于端到端路径不可控的普通互联网应用但并不完全适用于跨域云网络。云网络中的一条端到端连接通常由多个云节点接力转发形成逻辑上的端到端路径可以拆分为若干相邻云节点之间的链路片段。不同片段的物理距离、跨运营商情况和跨境路由情况不同其丢包率和时延抖动可能存在显著差异。
本文的测量显示,端到端质量下降并不意味着路径上的每一段公网链路都同样低质。相反,许多域内或近距离公网链路的质量较高,丢包率低且时延稳定;端到端丢包往往集中出现在少数跨域或跨境链路片段上。图\ref{fig:公网链路分段质量差异}展示了这一现象:在节点分布于全球多地的云网络中,不同链路片段的质量差异明显,低质量片段通常只占所有互联路径的一部分。
\begin{figure}[htbp]
\centering
\fbox{\parbox{0.88\linewidth}{\centering\small\vspace{2em}%
图片占位展示一条端到端云网络路径被拆分为多个链路片段并对比各片段的丢包率或RTT抖动。图中应突出域内/近距离片段质量较好,而跨域/跨境片段质量明显下降。%
\vspace{2em}}}
\caption{跨域云网络路径中的链路分段质量差异}
\label{fig:公网链路分段质量差异}
\end{figure}
如果仍然按照端到端链路整体设计FEC策略系统只能根据整条路径的丢包情况加入冗余。一方面为了恢复由少数差链路片段造成的丢包系统会在整条端到端路径上承担冗余开销使得质量良好的链路片段也传输额外冗余包另一方面端到端恢复需要等待冗余信息跨越整条路径到达接收端恢复延迟由完整端到端时延决定而不是由实际发生丢包的短链路片段决定。因此现有端到端FEC方法没有充分利用云网络路径可分段、节点可控的特点难以在恢复能力、额外带宽和恢复延迟之间取得更细粒度的平衡。
由此可见,跨域云网络中的链路质量优化不应只关注端到端路径的整体丢包率,而应识别丢包集中发生的低质量链路片段,并仅在这些片段上加入冗余编码与丢包恢复。这样既能够避免在高质量片段上浪费冗余带宽,也能够将丢包恢复限制在更短的链路范围内。
\subsection{现有链路调度方法忽略了低质量公网链路的可修复性}
覆盖网络与SDN调度类工作通常将不同链路视为质量和成本不同的候选资源并根据实时链路状态、业务需求和成本约束选择转发路径。在跨域云网络中这类方法常见的策略是当公网链路质量较好时将部分流量调度到公网以降低成本当公网链路质量下降时则将流量迁移到专线或其他高质量链路以维持用户体验。这种方法能够避免直接在差链路上传输但也默认低质量公网链路只能被规避而不能被修复。
这一假设在成本优化场景下会带来明显限制。实时音视频等业务的用户访问量具有明显的时间规律,用户高峰时段通常也是区域网络负载较高、跨域公网质量更容易下降的时段。即系统最希望利用低成本公网分担流量的时间,往往正是公网链路质量最不稳定的时间。图\ref{fig:用户高峰与公网劣化重合}展示了用户使用量与公网链路质量变化之间的关系:公网链路丢包或时延抖动升高的时段,与用户流量高峰存在较强重合。
\begin{figure}[htbp]
\centering
\fbox{\parbox{0.88\linewidth}{\centering\small\vspace{2em}%
图片占位展示用户使用量随时间变化与公网链路质量随时间变化的对比。图中应突出用户流量高峰与公网丢包率升高或RTT抖动增加的时段重合。%
\vspace{2em}}}
\caption{用户流量高峰与公网链路质量下降时段的重合}
\label{fig:用户高峰与公网劣化重合}
\end{figure}
在这种情况下单纯依赖调度规避差链路会削弱公网的成本优势。当用户需求较低、公网质量较好时即使将流量调度到公网能够节省的专线流量也有限而当用户需求较高、需要承载大量流量时公网质量下降又迫使系统回退到专线导致整体成本仍然由高价链路主导。因此现有调度方法虽然能够在给定链路质量条件下做出较优路径选择但没有进一步考虑通过FEC等机制修复低质量公网链路使其在高需求时段也能承担更多流量。
综上所述现有FEC方法和现有调度方法分别存在互补但尚未结合的局限FEC方法具备修复丢包的能力却通常忽略跨域云网络路径的分段质量差异调度方法具备覆盖网络视角和集中控制能力却通常将低质量公网链路视为需要规避的资源而没有考虑其可修复性。本文第三章基于这一观察提出一种面向跨域公网链路的传输优化方法在全公网互联的前提下以链路片段为粒度识别和修复低质量公网链路通过交织FEC和自适应参数调整提升差链路质量从而在保证实时业务体验的同时降低对专线资源的依赖。