Mécanismes de couche transport efficaces pour réseaux cellulaires avec nœuds de traitement en bordure du réseau (MEC)

Enhanced transport-layer mechanisms for MEC-assisted cellular networks

• Auteur / Autrice : Mamoutou Diarra
• Direction : Thierry Turletti, Walid Dabbous
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 28/11/2022
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Nice ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Unité de recherche (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Jury : Président / Présidente : Guillaume Urvoy-Keller
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Turletti, Walid Dabbous, Guillaume Urvoy-Keller, Véronique Vèque, Hossam Afifi, Navid Nikaein
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Véronique Vèque, Hossam Afifi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couche physique (informatique)

Contrôle de congestion (télécommunications)

Téléphonie mobile

Mots clés libres

Réseaux cellulaires

Multi-access Edge Computing

Algorithmes de contrôle de congestion

Problèmes de couche transport

Optimisation TCP

Service de collecte d'informations radio

Cellular networks

Multi-access Edge Computing

Congestion Control Algorithms

Transport-layer issues

TCP optimization

Radio Network Information Service

Résumé

La résolution des problèmes de la couche transport dans les réseaux cellulaires est toujours un sujet d'actualité, malgré le fait que de nombreuses solutions ont été proposées au cours des dernières décennies. Une des raisons qui pourrait expliquer ce phénomène, est la difficulté d'adoption des solutions proposées dans le monde réel car elles nécessitent soit des changements drastiques dans la pile protocolaire des réseaux cellulaires (au niveau de l'UE et/ou au niveau de la station de base), soit un effort de normalisation pour que les en-têtes TCP puissent inclure des informations radio. Une autre raison est le fait que la plupart de ces solutions ne sont efficaces que dans quelques scénarios et ne parviennent pas à résoudre les problèmes de couche transport considérés d'une manière générale ou à grande échelle.Inspiré par ces limitations et aussi par la tendance grandissante vers le traitement à la bordure des réseaux mobiles ou Multi-access Edge Computing (MEC), nous nous sommes donné comme objectif dans cette thèse de démontrer qu'un très grand nombre de problèmes de couche transport dans un réseau cellulaire avec nœuds de traitement en bordure du réseau (scénario MEC), peuvent être resolus sans nécessiter de modifications dans l'appareil de l'utilisateur final ou dans la pile protocolaire 4G/5G. À cette fin, nous proposons de nouvelles solutions d'optimisation de la couche de transport qui exploitent le service de collecte d'informations radio du MEC (nommé RNIS) et d'autres moyens fournis par l'environnement MEC pour améliorer certains mécanismes clés de la couche transport tels que, le mécanisme de démarrage lent ou slow start, le mécanisme d'évitement de congestion ou régime permanent, le mécanisme de détection des pertes, ou encore le mécanisme de contrôle de flux. Nous montrons l'efficacité de cette approche en proposant d'abord SIGMA, un algorithme de contrôle de congestion (CCA) orienté lien-montant (uplink) qui surpasse les performances de BBR et des CCAs existants en termes de débit et de délai; puis nous proposons et implémentons MELD, un algorithme de discrimination de pertes capable d'améliorer jusqu'à 80% le débit des CCAs de type loss-based (i.e., les CCAs qui utilisent les pertes comme signaux de congestion) en cas de pertes aléatoires; et enfin nous proposons RAPID, un proxy d'amélioration de performance (PEP) qui tient compte de l'environnement radio et qui permet de réduire les augmentations de délais de bout-en-bout de manière transparente par un facteur de 10 à 50 sans introduire une diminution de débit, et ceci, quel que soit le nombre ou le comportement des flux TCP partageant la file d'attente dédiée à l'utilisateur. Enfin, nous avons implémenté les solutions MELD et RAPID sur Linux et avons validé leurs performances dans un réseau 4G basé sur OpenAirInterface et FlexRAN.

Addressing transport-layer issues in cellular networks is still a hot research topic, despite the fact that a wide range of solutions have been proposed over the last decades. One reason that could explain this phenomenon is the difficulties in the real-world adoption of the proposed solutions as they require either drastic changes in the cellular network protocol stack (in the UE and/or in the base station) or a standardization effort so that TCP headers can include radio information. Another reason is the fact that most of these solutions are effective only in a few scenarios and fail to mitigate the transport-layer issues considered on a global or large scale.Inspired by these limitations and the growing trend towards Mobile and Multi-Access Edge Computing (MEC), we set out in this thesis to demonstrate that several transport-layer issues in a MEC-enabled 4G/5G network can be mitigated without requiring any modifications in the end-user's device or in the 4G/5G stack. To this end, we propose novel transport-layer optimization solutions that leverage the MEC Radio Network Information Service (RNIS) and other MEC capabilities to improve some key traditional transport-layer mechanisms such as slow start, steady state behavior, loss detection and flow control mechanisms. We show the efficiency of this approach by first proposing SIGMA, an uplink-oriented Congestion Control Algorithms (CCA) that outperforms BBR and existing CCAs in terms of throughput and delay; then we propose and implement MELD, a loss discrimination algorithm that can improve the throughput of loss-based CCAs by up to 80% in case of wireless/random losses; and lastly we propose RAPID, a RAN-aware Performance Enhancing Proxy (PEP) capable of transparently reducing the increase in delay by a factor of 10 to 50 without lowering the throughput, regardless of the number or the behaviors of the TCP flows sharing the same per-user buffer. Finally, we implement MELD and RAPID in Linux and validate their performance in a real-world 4G network based on OpenAirInterface and FlexRAN.