Por que as redes móveis têm altas latências? Como eles podem ser reduzidos?

Cada vez mais, vejo as tecnologias de rede móvel sendo usadas para obter acesso à Internet em áreas onde, de outra forma, não estão disponíveis.

Embora a rede móvel ainda não seja viável como a principal conexão à Internet, a tecnologia móvel parece ser uma boa opção para uma emergência.

O problema da largura de banda não é o seguinte: com o HDSPA, são possíveis velocidades de vários MBit, o que fornece um uplink decente. Entretanto, sei por experiência pessoal que os links de redes móveis (via GPRS, UMTS etc.) têm latências muito mais altas do que o DSL comum (200 a 400 ms para UMTS, ainda mais para GPRS). É claro que isso os torna inadequados para muitas aplicações, como VoIP e teleconferência.

• De onde vem essa latência?
• Existem tecnologias disponíveis que podem atenuar esse problema, para viabilizar o UMTS para aplicativos de baixa latência?

Suponho que deve haver alguma razão técnica inerente, mas o que é? Tem a ver com a forma como os dados são transmitidos pelo ar? E se é por causa da transmissão sem fio, por que a WLAN tem latências muito mais baixas?

O livro "Rede para navegadores de alto desempenho" da Ilya Grigorik responde exatamente isso. Há um capítulo inteiro (7) dedicado às redes móveis. O livro afirma que o problema do alto desempenho está quase sempre associado à latência; geralmente temos muita largura de banda, mas os protocolos atrapalham. Seja o TCP slow start , o Radio Resource Controller (RRC) ou configurações abaixo do ideal. Se você estiver com baixa latência apenas em redes móveis, é assim que elas são projetadas.

Há uma tabela no livro sobre latências típicas:

Tabela 7-2. Taxas de dados e latência para uma conexão móvel ativa

Geração | Taxa de dados | Latência
2G 100–400 Kbit / s | 300–1000 ms
3G 0,5-5 Mbit / s | 100–500 ms
4G 1–50 Mbit / s | <100 ms

Embora muito relevante para a latência, o handshake de três vias da característica TCP ou o início lento não respondem à pergunta, pois afetam igualmente as conexões com fio. O que realmente afeta a latência nas redes móveis é a camada sob IP. Se a camada sob IP tiver uma latência de meio segundo, uma conexão TCP com um servidor levará aproximadamente 1,5 segundos (0,5s * 3), conforme você vê os números se somando rapidamente. Como dito anteriormente, suponha que o celular não esteja ocioso. Se o aparelho estiver ocioso, primeiro será necessário "conectar-se" à rede, o que exige negociar uma reserva de recursos com a torre (simplificada) e leva entre 50-100ms em LTE, até vários segundos em 3G e muito mais em redes anteriores.

Figura 7-12. Latências de fluxo de solicitação LTE

1. Latência do plano de controle : custo fixo fixo de latência incorrido nas negociações e transições de estado do RRC: <100 ms para inativo para ativo e <50 ms para inativo para ativo.
2. Latência do plano do usuário : custo fixo para cada pacote de aplicativos transferido entre o dispositivo e a torre de rádio: <5 ms.
3. Latência da rede principal: custo dependente da operadora para transportar o pacote da torre de rádio para o gateway de pacote: na prática, 30 a 100 ms.
4. Latência de roteamento da Internet: custo variável da latência entre o gateway de pacote da operadora e o endereço de destino na Internet pública.

Na prática, a latência de ponta a ponta de muitas redes 4G implantadas tende a estar na faixa de 30 a 100 ms quando o dispositivo está conectado.

Então, você tem uma solicitação (Figura 8-2. Componentes de uma solicitação HTTP "simples"):

1. Negociação RRC 50-2500 ms
2. Pesquisa de DNS 1 RTT
3. Handshake TCP 1 RTT (conexão preexistente) ou 3 RTT (nova conexão)
4. TLS handshake 1-2 RTTs
5. RTTs de 1 n de solicitação HTTP

E com dados reais:

Tabela 8-1. Sobrecarga de latência de uma única solicitação HTTP

                       | 3G 4G
Avião de controle | 200–2,500 ms | 50–100 ms
Pesquisa de DNS | 200 ms | 100 ms
Aperto de mão TCP | 200 ms | 100 ms
Aperto de mão TLS | 200–400 ms | 100–200 ms
Solicitação HTTP | 200 ms | 100 ms
Sobrecarga de latência total | 200–3500 ms | 100-600 ms

Além disso, se você tem um aplicativo interativo que deseja executar moderadamente ok em uma rede móvel, experimente desabilitar o algoritmo Nagle (o kernel aguarda a coalescência dos dados em pacotes maiores em vez de enviar vários pacotes menores) e procure maneiras de testá-lo em https://stackoverflow.com/a/17843292/869019 .

Existe a opção de ler o livro inteiro gratuitamente por todos em https://hpbn.co/, patrocinado pela Velocity Conference. Este é um livro altamente recomendado, não apenas para as pessoas que desenvolvem sites, mas é útil para todos que veiculam bytes em alguma rede para um cliente.

Suspeito que uma grande proporção da latência que você possa ter ao usar tecnologias de "banda larga celular" seja um problema composto de várias coisas.

Há distância, mas, como o syneticon-dj mencionou, essa é realisticamente apenas uma proporção muito pequena do tempo de ida e volta.

Aqui está algo a considerar ... Os atrasos que você experimenta como cliente (especialmente como cliente doméstico ou de empresa de pequeno porte) provavelmente são induzidos artificialmente, pelo menos até certo ponto. Há uma classe de comunicações 3G e GSM para utilização de M2M, para SCADA e assim por diante, que às vezes podem fornecer maior confiabilidade e transmissão de menor latência. Como resultado, eles geralmente são proibitivamente caros.

Então, basicamente, você é contra a modelagem de tráfego. O ISP / Telco está fazendo isso para priorizar os clientes que pagam melhor, ou a célula à qual você está conectado está um pouco ocupada ou a rede inteira está um pouco lenta (tente 00:00 GMT em 1/1/2012, para exemplo).

Mas há uma maneira de contornar tudo isso, é um pouco sorrateiro. Você precisaria basicamente de um proxy de conexão TCP antes de seu tráfego sair pela WWAN móvel. Esse proxy enviaria essencialmente um ACK falsificado para o seu aplicativo, pois o ACK real pode ser atrasado pela configuração do tráfego do ISP.
É nitidamente dúbio, mas vários provedores de satélite usam esse mecanismo para fazer com que a latência pareça menor do que realmente é.

Meio atrasado para o jogo, mas você pode querer conferir o artigo do meu Calendário de desempenho sobre o tópico: http://calendar.perfplanet.com/2012/latency-in-mobile-networks-the-missing-link/

tl; dr - grande parte da latência móvel é devido ao roteamento não otimizado no back-haul.

As tecnologias de modem de telefone celular sofrem com alta latência devido à natureza das comunicações ao ar livre: as distâncias de transmissão WLAN são geralmente muito mais curtas que as das outras tecnologias mencionadas, portanto, esse é um dos motivos pelos quais a latência é menor.