Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

В современном обществе, интернет является неотъемлемым элементом в жизни каждого человека. Качество его работы зависит от многих факторов, рассмотрим один из них – задержки передачи пакетов в сети.

1. Актуальность темы

В современности объём трафика имеет тенденцию расти с каждым годом, что в свою очередь увеличивает нагрузку на сеть. Уменьшение задержек это один из программных способов увеличения пропускной способности сети, таким образом, это повысит повышение эффективности работы сетевых протоколов транспортного уровня, что положительно скажется на качестве работы приложений использующих передачу данных по сети.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью научной работы является исследование возможности увеличения пропускной способности сети, путём снижения задержек передачи пакетов в протоколах, в компьютерной сети.

Основные задачи исследования:

  1. Поиск и выявление характеристик существующих методов снижения задержки в протоколах.
  2. Изучение особенностей и отличий различных протоколов транспортного уровня.

Объект исследования: задержки в протоколах передачи данных в компьютерных сетях.

Предмет исследования: механизм уменьшения задержки в протоколах передачи данных.

3. Обзор исследований и разработок

Хоть с проблеммой больших задержек в сети и сталкиваются люди по всему миру, но в пределах Украины исследования в данном направлении почти не велись. И были широко исследованы, лишь зарубежными специалистами.

3.1 Обзор международных источников

На международном уровне исследование направлении уменьшения задержек ведутся довольно активно, можно найти очень большое количестве статей и научных работ на эту тему

3.2 Обзор национальных источников

Как уточнялось выше, Украинские специались почти не вели исследолваний, в направлении, изучения задержек в транспортных протоколах.

В ходе поиска было найденно всего одна работа в данном направлении.

A. I. Мiночкiн, В. А. Романюк, О. Я. Сова Шляхи вдосконалення TCP-протоколiв у мережах MANET[4].

3.3 Обзор локальных источников

В ходе анализа работ, студентов, Донецкого национального технического университета (кафедра компьютерной инженерии), было найдено несколько работ, связанных с передачей данных в компьютерных сетях:

4. Задержки в протоколах в компьютерных сетях

4.1 Определение задержек

Задержка в сети определяется как количество времени, которое требуется пакету для прохождения через сеть от устройства, которое создало пакет, к устройству назначения и обратно.

Подавляющее большинство сетевого трафика приходится на один из двух типов трафика – UDP (протокол пользовательских дейтаграмм) и TCP (протокол управления передачей). Большая часть этого трафика, как правило, TCP[9].

4.2 Причины возникновения задержек

Сквозная задержка - это совокупный эффект отдельных задержек на сквозном сетевом пути. Ниже перечислены некоторые типичные компоненты задержки от рабочей станции до серверов:

Сетевые маршрутизаторы – это устройства, которые создают наибольшую задержку среди любых устройств на сквозном пути. Маршрутизаторы можно найти в каждом из указанных выше сегментов сети. Очередь пакетов из-за перегрузки канала чаще всего является причиной больших задержек через маршрутизатор. Некоторые типы сетевых технологий, такие как спутниковая связь, добавляют большую задержку из-за времени, которое требуется пакету для прохождения через канал. Поскольку задержка является кумулятивной, чем больше ссылок и прыжков маршрутизатора, тем больше будет сквозная задержка.

4.3 Как измеряется задержка

Для измерения задержки передачи данных нужно проделать ряд простых шагов[10]. Вам потребуется замерять время отправки пакета и время прибытия ответа, затем нужно вычесть из времени прибытия, время отправки. Это и будет значение задержки в миллисекундах.

4.4 Эффекты задержки UDP

UDP – это протокол, который определяет, как формировать сообщения, отправляемые по IP. Устройство, которое отправляет UDP-пакеты, предполагает, что они достигают пункта назначения, поэтому отсутствует механизм для оповещения отправителей о том, что пакет прибыл. UDP-трафик обычно используется для потоковых мультимедийных приложений, где случайный потерянный пакет не имеет значения.

Поскольку отправителю пакетов UDP не требуется никаких сведений о том, что получатель получил пакеты, UDP относительно не подвержен задержкам. Единственный эффект, который задержка оказывает на поток UDP, – это увеличенная задержка всего потока. Эффекты второго порядка, такие как дрожание, могут негативно повлиять на некоторые приложения UDP, но эти проблемы выходят за рамки этого документа.

Важно отметить, что задержка и пропускная способность полностью независимы, от трафика UDP. Другими словами, если задержка увеличивается или уменьшается, пропускная способность UDP остается неизменной. Эта концепция имеет большее значение для влияния задержки на трафик TCP.

На отправляющем устройстве с UDP-трафиком задержки не влияют. Приемному устройству может потребоваться более длительная буферизация пакетов UDP с большим количеством дрожания, чтобы приложение работало лучше.

4.5 Эффекты задержки TCP

TCP сложнее, чем UDP[10]. TCP – это протокол гарантированной доставки, который означает, что устройству, которое отправляет пакеты, сообщается, что пакет поступил или не прибыл в хост назначения. Чтобы это работало, устройство, которому нужно отправлять пакеты в хост назначения, должно установить сеанс с хост назначения. Как только этот сеанс был настроен, получатель сообщает отправителю, какие пакеты были получены, отправляя пакет подтверждения отправителю. Если отправитель не получает пакет подтверждения для некоторых пакетов через некоторое время, пакеты отправляются повторно.

Помимо обеспечения гарантированной доставки пакетов, TCP имеет возможность настраиваться на пропускную способность сети, регулируя «размер окна». Окно TCP – это количество пакетов, которые отправитель передаст до ожидания подтверждения. Когда приходят подтверждения, размер окна увеличивается. При увеличении размера окна отправитель может начать отправлять трафик со скоростью, которую сквозной путь не может обработать, что приводит к потере пакета. Как только потеря пакета обнаружена, отправитель отреагирует, урезав скорость передачи пакета в два раза. Затем процесс увеличения размера окна начинается снова по мере получения большего количества подтверждений.

По мере увеличения сквозной задержки отправитель может тратить много времени на ожидание подтверждений, а не на отправку пакетов. Кроме того, процесс настройки размера окна становится медленнее, поскольку этот процесс зависит от получения подтверждений.

Учитывая эту неэффективность, задержка оказывает глубокое влияние на пропускную способность TCP. В отличие от UDP, TCP имеет прямую обратную зависимость между задержкой и пропускной способностью. По мере увеличения сквозной задержки пропускная способность TCP уменьшается. На рисунке 1 показано, что происходит с пропускной способностью TCP при увеличении задержки в обоих направлениях. Эти данные были получены с помощью генератора задержки между двумя ПК, подключенными через быстрый Ethernet (100 mb/s). Обратите внимание на резкое снижение пропускной способности TCP по мере увеличения задержки.

Диаграмма пропускной способности

Рисунок 1 – Диаграмма зависимости пропускной способности сети(Мбит/с), от задержки, без учёта потерь пакетов

По мере увеличения задержки отправитель может бездействовать, ожидая подтверждения от получателя. Однако получатель должен буферизовать пакеты до тех пор, пока все пакеты не будут собраны в полное TCP-сообщение. Если получатель является сервером, этот эффект буферизации может быть осложнен большим количеством сеансов, которые сервер может завершить. Такое расширенное использование буферной памяти может привести к снижению производительности на сервере.

Со всеми проблемами, которые латентность создает для TCP, потеря пакетов усугубляет эти проблемы. Потеря пакетов приводит к уменьшению размера окна TCP, что может привести к тому, что отправитель будет дольше бездействовать, ожидая подтверждения с высокой задержкой. Кроме того, подтверждения могут быть потеряны, что заставляет отправителя ждать, пока не истечет время ожидания для потерянного подтверждения. Если это произойдет, связанные пакеты будут повторно переданы, даже если они могли быть переданы должным образом. В результате потеря пакетов может еще больше снизить пропускную способность TCP.

На риcунке 2 показано влияние задержки и потери пакетов на пропускную способность TCP. Коэффициент потери пакетов был 2%. Обратите внимание, что значения пропускной способности TCP намного ниже при потере пакетов.

Диаграмма пропускной способности

Рисунок 2 – Диаграмма зависимости пропускной способности сети(Мбит/с), от потерь пакетов и задержки
(анимация: 8 кадров, 6 циклов повторения, 120 килобайт)

Некоторая потеря пакета неизбежна. Если сеть работает отлично и не отбрасывает какие-либо пакеты, нельзя предположить, что другие сети также работают.

Независимо от ситуации, имейте в виду, что потеря пакетов и задержка оказывают крайне негативное влияние на пропускную способность TCP и должны быть максимально сведены к минимуму.

5. Медленный старт

Медленный запуск TCP – это алгоритм, который уравновешивает скорость сетевого соединения.[11, 12] Медленный запуск постепенно увеличивает объем передаваемых данных, пока не будет найдена максимальная пропускная способность сети.

Медленный запуск TCP является одним из первых шагов в процессе контроля перегрузки. Он уравновешивает объем данных, которые может передать отправитель (известный как окно перегрузки ), с объемом данных, которые может принять получатель (известный как окно получателя ). Нижнее из двух значений становится максимальным объемом данных, которые отправителю разрешено передавать до получения подтверждения от получателя.

Шаг за шагом, вот как работает медленный запуск:

Отправитель пытается связаться с получателем. Исходный пакет отправителя содержит небольшое окно перегрузки, которое определяется на основе максимального окна отправителя.

Получатель подтверждает пакет и отвечает своим собственным размером окна.

После получения подтверждения, отправитель увеличивает размер окна следующего пакета. Размер окна постепенно увеличивается до тех пор, пока получатель, не сможет больше подтверждать каждый пакет, или пока не будет достигнут предел, окна отправителя или получателя.

Как только лимит был определен, работа медленного старта завершена. Другие алгоритмы управления перегрузкой вступают во владение, чтобы поддержать скорость соединения.

Выводы

Уменьшение задержек в компьютерных сетях в протоколах передачи данных, является крайне важным воросом. Продвижение в котором не только сделает жизнь современного человека более комфортной, но и откроет новые возможности в развитии сетевых технологий.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: май 2020 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. N. Dukkipati, M. Mathis, Y. Cheng, M. Ghobadi – Proportional Rate Reduction for TCP [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ai.google...
  2. G. Huston – Latency and IP [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.potaroo.net...
  3. T. M. Tukade – Data transfer protocols in IoT-an overview [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.researchgate.net...
  4. A. I. Мiночкiн, В. А. Романюк, О. Я. Сова – Шляхи вдосконалення TCP-протоколiв у мережах MANET [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.viti.edu.ua...
  5. Сирант Андрей Васильевич – Исследование эффективности сетевых протоколов в клиент-серверных приложениях [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://masters.donntu.ru/2017/fknt/sirant/
  6. Щитникова Анастасия Николаевна – Разработка метода оценки параметров трафика мультисервисной сети [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://masters.donntu.ru/2004/kita/schitnikova/
  7. Кузнецов Алексей Дмитриевич – Исследование передачи видеопотока по сетям передачи данных [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://masters.donntu.ru/2005/kita/kuznetsov/
  8. Кравчук Василий Анатольевич – Исследование и усовершенствование протокола передачи данных по линиям электроснабжения 220В, 50Гц для SCADA-систем [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://masters.donntu.ru/2008/kita/kravchuk/
  9. Steve – TCP vs UDP – What’s The Difference? [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.steves-internet-guide.com...
  10. Boris Rogier – Measuring Network Performance: Links Between Latency, Throughput and Packet Loss [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://accedian.com...
  11. Ilya Grigorik – Внутренние механизмы ТСР, влияющие на скорость загрузки [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://habr.com...
  12. Robert Gibb – What is TCP Slow Start? [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://blog.stackpath.com...