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Main Title: Informed access network selection to improve application performance
Translated Title: Informierte Auswahl von Zugangsnetzwerken zur Verbesserung der Performance von Applikationen
Author(s): Enghardt, Theresa
Advisor(s): Feldmann, Anja
Referee(s): Feldmann, Anja
Zinner, Thomas
Ott, Jörg
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Adverse network conditions, such as long latency or low downstream capacity, may degrade application performance and lead to a bad Quality of Experience (QoE) for users, such as long Web page load times or interrupted video playback. As applications are highly diverse, connectivity via a single access network may not be able to satisfy all application needs. Since an end-user device often has multiple access networks available, there is the potential to select between access networks or to aggregate the capacity of multiple access networks. However, this potential is not yet fully utilized due to the limitations of existing systems and the networking Application Programming Interfaces (APIs) they provide. Many end-user devices today default to WiFi and use cellular only as a fallback, even though WiFi may provide suboptimal performance for some or for all applications. Existing ways of aggregating multiple access networks, such as Multipath TCP (MPTCP), are typically application-agnostic and may not provide benefits for all types of applications or for all kinds of traffic. Therefore, the goal of this thesis is Informed Access Network Selection (IANS) enabling end-user devices to select the best suitable access network(s) based on application needs and network performance characteristics. To this end, we design Socket Intents as an abstraction for application needs, collect network performance characteristics, and design IANS policies for Web browsing and HTTP Adaptive Streaming (HAS). We implement IANS within the Socket Intents prototype, which enables applications to communicate their needs through an enhanced networking API. Using the Socket Intents prototype, we evaluate the performance benefits of IANS for Web browsing and HAS compared to using a single access network and using MPTCP. For Web browsing, we find that IANS can improve relevant Web performance metrics, e.g., Above-The-Fold times, by between 500 and 1000 ms in the median compared to using the faster single access network. IANS shows the most significant speedups under asymmetric network conditions with short latency but low downstream capacity on one network and high downstream capacity but long latency on another network. In such cases, IANS outperforms MPTCP, as MPTCP can experience performance problems caused by self-induced congestion on the low downstream capacity network. For HAS, IANS shows the most significant benefits in scenarios with low available downstream capacities. Here, we see cases in which IANS improves HAS performance substantially, e.g., a “bad” Mean Opinion Score (MOS) of 2.1 on a single network to a “good” MOS of 2.8, while MPTCP hurts performance as it continues to use a low downstream capacity network. In conclusion, we find that access network selection benefits from application awareness. Especially in scenarios with low downstream capacity on one or more available access networks, IANS improves application performance for Web browsing and HAS by selecting the most suitable single access network or combining multiple access networks if possible. Using an enhanced networking API allows us to make IANS available to different applications. Moreover, such an API may enable applications to use new protocols without requiring further modifications.
Schlechte Bedingungen im Netzwerk, wie beispielsweise hohe Latenz oder niedrige Downstream-Kapazität, können die Performance einer Applikation vermindern und zu einem schlechten Nutzererlebnis führen, etwa zu langen Ladezeiten einer Webseite oder zu Unterbrechungen des Abspielens eines Videos. Da Applikationen sehr unterschiedlich sind, kann die Anbindung durch ein einzelnes Zugangsnetzwerk möglicherweise nicht die Anforderungen aller Applikationen erfüllen. Weil ein Endgerät oft mehrere Zugangsnetzwerke zur Auswahl hat, besteht das Potential, das passendste Netzwerk für eine Applikation auszuwählen oder die Kapazität mehrerer Zugangsnetzwerke zusammenzufassen. Jedoch wird dieses Potential noch nicht vollständig ausgeschöpft, da existierende Systeme und die von ihnen zur Verfügung gestellten Netzwerk-Applikationsschnittstellen (APIs) dies oft nicht unterstützen. Viele der heutigen Endgeräte benutzen automatisch WiFi und greifen auf Mobilfunknetze nur als Reserve zurück, obwohl WiFi möglicherweise suboptimale Performance für manche oder alle Applikationen bietet. Existierende Technologien um mehrere Zugangsnetzwerke zusammenzufassen, wie etwa Multi-Path TCP (MPTCP), haben kein Wissen über die Applikation und stellen möglicherweise nicht für alle Arten von Applikationen oder für allen Datenverkehr Verbesserungen bereit. Daher ist das Ziel dieser Dissertation Informed Access Network Selection (IANS), die Endgeräten ermöglicht, basierend auf den Bedürfnissen der Applikation und der Netzwerkperformance das oder die am besten geeignete(n) Zugangsnetzwerk(e) auszuwählen. Um dies zu erreichen, entwerfen wir Socket Intents als eine Abstraktion für Applikationsanforderungen, ermitteln die Performanceeigenschaften der Netzwerke, und entwerfen IANS-Policies für Web-Browsing und HTTP Adaptive Streaming (HAS). Wir implementieren IANS innerhalb des Socket Intents-Prototypen, der Applikationen erlaubt, ihre Anforderungen durch eine erweiterte Netzwerk-API zu kommunizieren. Unter Benutzung des Socket Intents-Prototypen evaluieren wir die Performanceverbesserungen durch IANS für Web-Browsing und HAS im Vergleich zu der Benutzung eines einzelnen Zugangsnetzwerks und MPTCP. Für Web-Browsing stellen wir fest, dass IANS relevante Web-Performance-Metriken verbessert, indem sie beispielsweise Above-The-Fold-Zeiten um zwischen 500 und 1000 ms im Median verkürzt, verglichen mit dem schnelleren einzelnen Zugangsnetzwerk. IANS zeigt die größten Verbesserungen unter asymmetrischen Netzwerkbedingungen mit kurzer Latenz aber geringer Downstream-Kapazität auf einem Netzwerk und hoher Downstream-Kapazität aber hoher Latenz auf einem anderen Netzwerk. In solchen Fällen erreicht IANS eine größere Verbesserung als MPTCP, da MPTCP Performance-Probleme herbeiführen kann, indem es das Netzwerk mit der geringeren Downstream-Kapazität überlastet. Für HAS zeigt IANS die signifikantesten Verbesserungen in Fällen, in denen nur geringe Downstream-Kapazität in den Zugangsnetzwerken verfügbar ist. Hier sehen wir Fälle, in denen IANS die Performance von HAS substanziell verbessert, etwa von einem “schlechten” Mean Opinion Score (MOS) von 2.1 auf einem einzelnen Netzwerk auf einen “guten” MOS von 2.8, während MPTCP die Performance verschlechtert, da es ein Netzwerk mit geringer Downstream-Kapazität weiterhin benutzt. Abschließend stellen wir fest, dass die Auswahl zwischen Zugangsnetzwerken von Applikationswissen profitiert. Insbesondere in Szenarien mit niedriger Downstream-Kapazität auf einem oder mehreren verfügbaren Zugangsnetzwerken verbessert IANS die Performance der Applikationen Web-Browsing und HAS, indem es das am besten passende Zugangsnetzwerk auswählt oder mehrere Zugangsnetzwerke kombiniert, falls möglich. Die Verwendung einer erweiterten Netzwerk-API erlaubt es uns, IANS verschiedenen Applikationen zur Verfügung zu stellen. Desweiteren kann eine solche API es Applikationen ermöglichen, neue Protokolle zu verwenden, ohne dass die Applikationen noch einmal modifiziert werden müssen.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/10458
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9410
Exam Date: 5-Nov-2019
Issue Date: 2019
Date Available: 19-Dec-2019
DDC Class: 003 Systeme
004 Datenverarbeitung; Informatik
Subject(s): access networks
access network selection
multipath
Web performance
video streaming performance
Zugangsnetzwerke
Zugangsnetzwerkauswahl
Sponsor/Funder: EC/FP7/257422/EU/Enabling Innovation in the Internet Architecture through Flexible Flow-Processing Extensions/CHANGE
License: https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/
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