我们和计算机系的老教授聊了聊TCP优化与产学矛盾

TCP
LiveVideoStack 2021年3月17日

我们和计算机系的老教授聊了聊TCP优化与产学矛盾


几经波折,我们终于有幸采访到了近八十岁的舒老师。


  • 舒炎泰老师是中国核领域计算机应用学术带头人,担任多个核聚变实验装置计算机测控总体、中国较早开展互联网研究的学者;曾任天津大学主管科研副校长。


  • 1981年,舒老师作为教育部公派访问学者在互联网发源地UCLA进行互联网研究,此后几十年一直与UCLA保持密切的科研合作关系。1984年,舒老师回国,此后参与建设了研究所导线局域网、研究所光纤局域网以及天津大学校园网并接入国际互联网。


  • 科研方面,舒老师长期从事计算机网络(含多媒体业务传输)性能QoS研究,包括下一代/未来互联网、无线Ad Hoc网络、传感器网络、DTN网络、车载网络、水下网络以及网络建模、仿真与实验研究,主要研究方向为计算机网络与分布计算、实时计算机应用、计算机集成制造系统,其工作涉及从物理层、链路层、路由层、传输层到应用层的各层以及跨层TCP有关的研究。


以下内容由LiveVideoStack与舒炎泰的采访整理而成。

我们和计算机系的老教授聊了聊TCP优化与产学矛盾


LiveVideoStack:您近50年来的研究路径是什么样的,可以与我们分享吗?

舒炎泰:我近50年来在研究所和大学主要承担国家的各种项目,与同事一起带研究生从事基础研究和应用基础研究,承担的国家重大科学工程研发项目和国家863计算机集成制造系统(CIMS)应用示范工程项目都很成功。


可惜,大多数研究成果和软件系统在验收鉴定报奖后都没有转化为产品,示范应用我们软件系统的企业只有使用和运行的能力,没有市场推广的能力。而我们又要带着新学生做新的科研项目,也没有时间和精力做市场推广的工作。


LiveVideoStack:您最近比较关注的技术/研究有哪些?

舒炎泰:我最近关注两个方向:一个是对于一般应用,可以用手机取代台式机与笔记本电脑。现在网络有几个特点:一是手机上网越来越多;二是通过无线上网越来越多;三是业务中多媒体业务,特别是实时多媒体业务越来越多。


另一个关注点是人机物 CPH (Cyber–Physics–Human):物联网 IoT即信息物理系统 CPS 的发展趋势应该是:人机物系统CPH=信息-物理-人,CPH 即电脑的智能与人脑的智能相结合。

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LiveVideoStack:如果要给网络传输初学者推荐一本必读书目,您会推荐哪一本?

舒炎泰:对于初学者,我建议先读读 James F. Kurose & Keith W. Ross 编写的“计算机网络:自顶向下方法 (Computer Networking: A Top-Down Approach)” 这本书(本书有中文翻译本),主要阅读书中关于传输层的那些章节。


LiveVideoStack:您有过与工业界合作促成某项技术、产品落地的经历吗,可以和我们聊聊吗?

舒炎泰:这里我想具体谈一下大学和研究所与工业界合作做产品产业化的问题。

我在大学和研究所工作50多年,主要是从事教学和科研工作,还担任过天津大学主管科研的副校长。我看到过许多大学和研究所与工业界合作进行科研成果产业化的例子:成功的例子有,但是比较少;大多数都是不成功的例子。


大学和研究所的特点是教授和研究员要带着学生做研究,科研工作多数都是带着学生做的,有博士生,也有硕士生,有时也有本科生。而且要做出成果,要创新。学生呢,要发论文,要毕业。所以,大学和研究所做研究、做创新没有问题,但是要做研发,特别是产业化,就比较困难了。


首先,大学产业化方面的能力比较差;其次,带着学生做产业化,学生怎么毕业呢?怎么发论文呢?对吧。


硕士生还好点儿,博士生就没办法去做这种产业化的事情了。


所以,学校要想把一个研究成果搞成产业化,那只能是教授出来办公司,然后利用公司机制,雇一些人专门来做。但是,办公司并不是多数教授擅长的,教授办公司成功的也不是太多。我也看到了很多教授希望把研究成果产业化,但是在产业化的过程中往往会遇到种种困难。


工业界也有问题,特别是我们的工业界,很多企业的研发能力和产业化能力不够,就希望学校能够把科研成果进一步做成产品,企业只是接手这个产品接着进行批量生产,实际上这是不太可能的。


再有,一些工业界的人认识不到学校前沿科学研究的潜在价值,看不清楚这些比较新的成果和方向,所以不愿意在这些新的方向投入资金支持学校搞研发,只希望拿钱去买学校现成的产品。

我们和计算机系的老教授聊了聊TCP优化与产学矛盾


Zoe / 微帧科技联合创始人 有提过:“我们做视频编码的,工业界和学术界相关性还是挺紧密的。”


此外,有关工业&学术界之间的羁绊,还有几位老师也和我们聊了聊自己的想法:


张昊/ 中南大学教授

我承担过一些跟企业合作的课题(高校跟企业合作的课题称为横向课题)。个人感觉,一些企业的研发能力和产品化能力是很不错的。在很多横向课题中,高校一般是协助企业优化几个核心模块,起到锦上添花的作用。目前企业把整个产品全部让我们完成的情况比较少。


宋利/ 上海交通大学教授

舒老师说得挺好,国内高校普遍有类似的情况;不过这个方面国家和学校正在作出改变的尝试,包括鼓励教师创业(不离岗)、对专利转化的优惠、设立科研转化和创业基金等。当然需要再过若干年,中国应该有些学校能够走出斯坦福的模式。


朱政/ 微帧科技联合创始人&CEO

有些时候,我们国家追求短平快的东西,是有阶段性的理由的。之前落后太多了,需要尽快发展经济。投入重,周期长,见效慢的基础科学研究,解决不了短期问题。经济总量上去了,社会稳定了,才有足够的能力加强硬核基础实力。要加强硬核基础实力,就需要提前投入,需要见效慢但认真扎实的基础科学研究。

我们和计算机系的老教授聊了聊TCP优化与产学矛盾


LiveVideoStack:看到您的研究中有许多与TCP优化相关的论文,能聊聊您在对于“如何优化TCP”的研究发现以及相关见解吗?

舒炎泰:我认为TCP有这些主要的功能:一个是确保到达正确,再有一个是进行拥塞控制,包括流量控制,此外还要保证公平性。


原来传统的TCP,可以保证正确性,但是其拥塞控制还存在一些问题。从控制这个角度看,呈现的是锯齿状,TCP没有设定一个发送速率的上限,它的方法就是试图尽快地发。这种做法实际上并不必要,同时对整个网络的性能及利用率影响不好。类似传统的TCP控制,它的利用率应该在75%左右。而且这种锯齿状的控制,对于整个网络的控制稳定性也不是很好,所以网络的利用率不太高,稳定性也不好。


对于网络的需求,可以从两个角度看。从网络的角度看,希望网络利用率高,且运行平稳;从用户的角度看,希望网络传输的质量有保证,而且能够及时。也就是说,在数据到达的时间上要满足用户的要求,另外也要保证传输正确。


还有一点是希望网络的公平性好,对于各个用户的使用是公平的,不能有的用户把带宽都占了,使得另外一些用户都“饿死”了。


这些问题在光纤电缆等有线互联网上还不是那么突出,但对于各种无线网络或者水下网络等等,就显得很突出了。这与网络应用的类型也有关系:对于传送email或者是浏览网页等网络应用,这些问题可能也不突出;但是对于多媒体传输应用,特别是实时的多媒体传输,问题就突出了。


有关解决问题的方法,我认为应该是从网络的各个层:物理层、链路层、路由层、传输层和应用层,都采取改进措施,而且有些措施应该是跨层的,特别是无线网络底层的传输状况应该想办法反馈到上层,使得上层的一些控制策略能够随着底层传输状况来改变;上层应该是随着下一层或者下两层的情况来调整控制状况。


下面我想主要谈一下对于TCP怎样改进的问题,有以下几方面:


一、现在的TCP没有发送速率上限的限制。我们需要有一个上限限制TCP,而且这个上限应该可以根据用户业务的不同需要进行自适应调整。


二、TCP出错以后的重传。一些多媒体业务允许少量的丢包,这种情况则不必重传。在一些特别的状况下,比如网络状况比较差的时候,就不是重传的问题了,而是一次就要发出多个同样的包,这就比被动的重传效果要好,实时性也要好。


三、TCP控制问题。TCP的拥塞控制或流量控制应该是由长期控制和短期控制/实时控制相结合。对整个传输的状况应该有一个预报,监测历史数据利用统计学和人工智能的方法进行预报,在预报的基础上进行比较长期的控制,然后根据流量快速变化等网络情况,再进行短期/实时的控制。


四、TCP控制跨层问题。特别是在无线网络或者其他一些网络底层情况变化比较快或者是其误码率比较高的情况下,要把底层的信息传上来,利用这些信息来调整TCP的控制策略。


五、TCP控制算法的改进。由于现在计算机和手机的CPU处理能力都已经变得很强了,所以在TCP的实时控制方面可以采用一些更复杂一点、更好一点的控制算法,比如:PID控制和先进控制等。在长期的控制里边就可以采用一些统计学的办法,甚至采用人工智能的办法来进行预报和进行控制。


六、TCP的公平性问题。我想提醒大家,应该注意TCP的公平性问题。因为,你不能只解决自己的问题,而且要注意和网上其他用户之间的公平性问题,特别是在无线网络上,这个公平性问题会很特殊,会比较严重,所以要注意这个问题。


最后,还有一个难点就是与现存的各种传输层协议的共存与兼容问题。


这里我想说一下我们的一项研究成果——移动端控制协议MCP(Mobile-Host-Centric Transport Protocol)。现在传统的TCP都是发送端控制,由发送端发包,根据这个包的到达情况,调整发送速率。但有些情况,特别是无线的情况,无线端附近的传输情况比较恶劣,所以丢包率可能比较高。


在这种情况下,我们希望传输层的传输控制由无线端来决定。当无线端发包的时候,当然就是发送端进行控制,当无线端是接收包的时候,它应该从无线端向服务器要包,发送端根据接收端要包的情况进行发送控制,要的多当然发的就快,这就是由接收端进行控制。


而且无线端对速率的控制应该是跨层的,它是根据无线端的传输状况和链路层的丢包状况,进行发送控制或者是接收控制。我希望有公司能够把MCP进一步进行研发和实现,把MCP变成为一个产品推广,我想应该会有些效果的。

我们和计算机系的老教授聊了聊TCP优化与产学矛盾


在排队论、优化、分形和博弈论等理论的指导下,舒炎泰老师建立了相应的数学模型,设计协议和算法,并采用软件仿真(Simulation)、模拟(Emulation)和实验相结合的方法评估性能,建立了集成仿真、模拟和实验为一体的多功能多媒体无线网络实验床,支持几十个各种节点,单跳1公里以上(至20公里)的无线Ad Hoc网络,无线Mesh网络,DTN网络,传感器网络等实验,并取得了一批有价值的研究成果:


  • 与美国UCLA大学合作,提出了无线Ad Hoc网络中,TCP流的邻居区域最大最小公平性定义(Neighborhood MaxMin Fairness),及相应的公平指数。提出了一种网络层的解决方案-邻居随机早期检测NRED (Neighborhood RED) 机制。


  • 提出了以移动主机为控制中心的传输层协议MCP,将以发送端为中心的传输协议和以接收端为中心的传输协议有机集成。设计了跨层信息交互方法,区分无线链路丢包,更准确地跨层控制拥塞,可提高吞吐率和可靠性。


  • 开展了无线Mesh网络路由与QoS、实时流媒体传输研究。提出了一种跨层的自适应速率控制机制CLARC,设计并实现了校园环境的无线Mesh 网络,在该网络上实现了可用带宽估计、备份路由和QoS 保证机制。


  • 提出了无线Ad Hoc网络多径源路由协议 (MSR),备份源路由协议(BSR)。提出了支持QoS的多径源路由协议QoS-MSR。提出了多径分离预留(MBSR)方法,以及支持多径分离预留的多径带内信令系统M-INSIGNIA。支持邻居预留的邻居预留带内信令系统 NR-INSIGNIA。

  • 提出了可用于DTN的方向转发流行性路由协议 (DFER)。


  • 开展了互联网特别是无线网络业务的测量、分析、建模与预报。采用时间序列模型 (含长相关模型) 如,双周期乘积ARIMA模型,FARIMA模型,极值方法建模,基于支持向量机 (SVM) 的网络业务建模、预报与准入控制技术等等。


  • 开展了无线网络节点自私行为的研究。提出了基于二维Markov模型的节点自私行为数学模型,分析了节点自私行为性能的影响。提出了无参数的快速检测算法SWN-CUSUM。


编辑:Coco Liang


References:

[1] Yantai Shu, Weimin Ge, Nan Jiang, Yang Kang, and Jiarong Luo, "Mobile-Host-Centric Transport Protocol for EAST Experiment," IEEE Trans. on Nuclear Science, Vol. 55, No. 1, pp. 209-216, Feb., 2008.


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