Department of Information Technology (INTEC)Internet Based Communication Networks and Services research group (IBCN)

Protocoloptimalisaties voor mobiele cloud computing

Pieter Simoens

Openbare doctoraatsverdediging

Evolutie van mobiele toestellen

2

1983: eerste mobiele telefoon van Motorola

6-digit LED display1u autonomie

33 cm x 4,45 cm x 8,9 cm800 gram

telefoniegeheugen voor 30

nummers

Van draadloze telefoon naar smartphone

6-digit LED display1u autonomie

33 cm x 4,45 x 8,9 cm800 gram

geheugen voor 30 nummers

9 cm display14u GSM/10u Wi-Fi

11,5 cm x 5,9 cm x 0,9 cm137 gram

512 MB RAM 16 GB permanent geheugen

telefoniegyroscoopkompas

GPS

Wi-Fi/UMTSBlueTooth

HD camera

1983

2010

telefonie

3

Uitbesteden van data en programma’s

centrale installatie enonderhoud

geen dataverlies

bij diefstal of crash

krachtige reken- en

opslagcapaciteit

4

server

smartphone

server

routerCloud computing

thin clientGrootste deel van de

rekentaken worden op de server en niet op het toestel

uitgevoerd

Cloud computing aan UGent

5

DICT, campus De Sterre

FEA, Jozef Plateaustraat

IBCN, campus Zuiderpoort

Cloud computing: ver van uw bed?

6

Positionering van het onderzoek

Protocoloptimalisatiesvoor mobiele

cloud computing

A

A

A

(25,37)

7

Citrix ICA VNC Microsoft RDP

Inhoud doctoraat

uitdagingen oplossingen

8

Uitdaging 1: draadloze bandbreedte

draadlozebandbreedte

beperktvariërend

duur

Economisch

Technologisch

9

Uitdaging 2: responstijd

• fysische propagatietijd• verwerkingstijden in routers, firewalls…• rekentijd in server• vertraging door opnieuw verzenden van

verloren data

10

router firewall

Uitdaging 3: energieverbruik

PACEMAKER

GSM

BATTERIJ

LAPTOP

iPODDIGITALE CAMERA

PLAYSTATIONPORTABLE

11

Ik ga op reis en ik neem mee…een oplader voor al mijn elektronische toestellen!

Uitdaging 3: energieverbruik

SIM kaart

aansturingbeeldscher

m

geheugen(FLASH)

processor

draadlozecommunicatie

12

GPS energiebeheer

Elektronica van de iPhone 3Gs

minderberekeningen

Cloud computing heeft dubbele impact op energieverbruik

meer dataverkeer

Inhoud doctoraat

uitdagingen oplossingen

Intelligent verzenden van gebruikersinvoerDynamisch uitschakelen van hardwarecomponenten

13

‘B’

Overdracht van gebruikersinvoer

14

‘A’

dataadres

10.10.7.1 ‘A’Verhouding

nuttige data/adresinformatie

< 10 %

Inefficiënt transport van gebruikersinvoer

6-8 bytes nuttige data84 bytes adresinformatie

10.10.7.1

‘B’

‘A’

10.10.7.1

Groeperen van invoer

‘B’‘A’

10.10.7.1 ‘A’‘B’

bandbreedte responstijd

Hoe lang bufferen?

• variërende vertraging in het netwerk

• wachten op volgende invoer of niet?

Nood aan model met instelpunten

buffer

15

RTT = 100 ms

Modellenwerk

buffertijd

responstijd

maximaleresponstijd

bandbreedte

Keuze instelpunt hangt af van het netwerk, de ingestelde voorkeur (policy) en de specifieke toepassing

16

RTT = 50 ms

RTT = 30 ms

Voortdurend aanpassen instelpunt

Algoritme werkt in een dynamische lus

netwerk

monitor analyse

beslissingbuffertijd

17

ResultatenMaximale responstijd

niet overschredenBandbreedtebesparing

tot 78 %

buffertijd

bandbreedte[kbps]

buffertijd

responstijd[ms]

18

Resultaten voor VNC, automatisch gegenereerde gebruikersinvoer en ingestelde maximale responstijd van 150 ms

Inhoud doctoraat

uitdagingen oplossingen

Intelligent verzenden van gebruikersinvoerDynamisch uitschakelen van hardwarecomponenten

19

Elektronica van de iPhone 3Gsprocessor

draadlozecommunicatie

BaseBandprocessor

versterkers

transceiver

TX4 toestanden

RX

IDSL

verzenden van data (transmit)ontvangen van data (receive)

stand-by (idle)slaapstand (sleep) tot 10x minder energieverbruik

Het gemiddelde energieverbruik hangt

rechtstreeks af van de tijd doorgebracht in elke

toestand.

20

Energiebesparing

Department of Information Technology – Broadband Communication Networks (IBCN) 21

RXID tijdTX TX ID RXID

Ga over naar slaapstand tijdens wachttijden

Uitdagingen• variërende netwerkvertraging en rekentijden• uitschakelen antenne kan leiden tot dataverlies en

retransmissies 21

applicatielaag

transmissielaag

Administratief overleg

applicatielaag

transmissielaag

• coderen gebruikersinvoer • decoderen beeldupdates

• versturen/ontvangen van bytes• aansturen communicatiehardware

A

01011100

11010110

22

Omzetten stand-by naar slaapstand

applicatielaag

transmissielaag

ITRA

Idle Time Reduction Algorithm

tijdTX

Analyse uitgewisselde dataVoorspel ontvangst van nieuwe serverdata

tijd

IDSL

Ga in ‘sleep’ toestandgedurende X ms

RX

IDzonder ITRA ITRA bespaart tot 35% energie

23

Inhoud doctoraat

uitdagingen oplossingen

Hybrid thin client protocolSemantisch thin client protocol

24

Grote diversiteit in beelden

• grote gebieden met dezelfde kleur

• beperkt aantal kleuren• kleine updates van het scherm

• beperkt aantal updates per

seconde

• geen homogene kleurgebieden

• gedetailleerde kleurpatronen

• ganse scherm tegelijk geüpdatet

• groot aantal updates per seconde

kantoortoepassingtekstverwerker, rekenblad, e-

mail

multimedia toepassingvideo, 3D spel

25

One size does not fit all

26

Codeerformaat aanpassen aan karakteristieken van het beeld

Oplossing: hybrid protocoltoepassing

beeldanalyse

beslissing

27

video (H.264)thin client protocol

statischdynamisc

h

processorbelasting

bandbreedtebeeldkwaliteit

type beeld

coderingframebuffer

thin client protocol (VNC)

videoH.264

BeeldanalyseVergelijk aantal pixels van opeenvolgende

beelden om hoeveelheid beweging te bepalen

28

Beslissingsalgoritme

beslissingsvariable

tijd

VNC

video

Hysteresis en geheugeneffect in algoritme• beslissingsvariable uitmiddelen over langere periode• thermostaatregeling met overgangszone

statische scene starten Word

29

Inhoud doctoraat

uitdagingen oplossingen

Hybrid thin client protocolSemantisch thin client protocol

30

Een bijkomend kanaal

31

RGB RGB RGB RGB RGB RGB RGBRGB RGB RGB RGB RGB RGB RGB RGB RGB RGB RGB RGB RGB RGB RGB RGB RGB RGB RGB RGB RGBRGB RGB RGB RGB RGB RGB RGBRGB RGB RGB RGB RGB RGB RGBRGB RGB RGB RGB RGB RGB RGB

beschrijving lay-out en eigenschappen

(semantische informatie)

video

invoerveld

tekst

afbeelding

Uitdaging

detecteren individuele objecten

Nadelen klassiek protocolgeen individuele codering per

objecttoestel “weet” niet wat het

weergeeft

Semantische informatie verzamelen

toepassing

grafische bibliotheek

netwerkcommunicatie

send(0101100)

32

putImage( , X, Y)tekeninstructies

te versturen bytes(gecodeerd beeld)

decoderingweergave beeld

“plaats deze bytes op positie (X, Y)”

Microsoft Word

coderencoderen semantische

informatiesend(0101) send(1100)

JPEG bytes“Deze bytes stellen een JPEG afbeelding

voor, op positie (X,Y)”

Lokaal afhandelen van gebruikersinvoer

Zonder semantische informatie“gebruiker heeft geklikt op positie

(4,5)”

Met semantische informatie“gebruiker heeft geklikt op object A”

type: menu itempositie: (1,1)grootte: 10x10bij muisklik: actie X

kortere responstijdminder bandbreedte

33

INVOER ACTIES

Intelligente component

grafische bibliotheek

netwerkcommunicatie

34

Microsoft Word

coderencoderen semantische

informatie

INVOER ACTIES

ResultatenReductie van datapieken

bezochte website

[MB]

Extra bandbreedte voor meta-dataweegt niet op tegen efficiëntere codering

60 – 80 % besparing

t.o.v. conventioneel

thin client protocol open open opensluit sluit sluit

tijd [s]

ogenblikkelijke bandbreedte [kbps]

reductie met 70 %, ook t.o.v. semantische thin

client protocollen

35

Resultaten voor gEdit tekstverwerker en MPEG-4 BiFS compressie

Samenvatting

bandbreedte

responstijd

energieverbruik

intelligentbufferen

gebruikersinvoer

energiebesparing tijdens intervallen

zonder data

hybridprotocol

doorsturenextra informatie

En verder?

37

“The mobile platforms are so powerful now that you can build

applications that do magical things that are connected with

the cloud.”Eric Schmidt, Google CEO

Thin client wordt smart clientSmartphone als toegangspunt voor immersieve toepassingen

Vragen?

Department of Information Technology (INTEC)Internet Based Communication Networks and Services research group (IBCN)

38