Межуровневые протоколы ускорят передачу данных
Российские ученые вместе с зарубежными коллегами исследовали методы оптимизации скорости передачи данных протоколов TCP и QUIC в высокочастотных беспроводных сетях. Специалисты считают, что лучше всего скорость передачи данных увеличивают межуровневые решения. Работа опубликована в журнале IEEE Communications Surveys & Tutorials.
Технологии беспроводной связи стремительно развиваются. Они обеспечивают все более высокие скорости передачи данных для пользователей: например, современные Wi-Fi- и мобильные системы могут иметь пропускную способность до нескольких сотен мегабит в секунду на каждого пользователя. Теперь ученые хотят достигнуть многогигабитных скоростей передачи данных. Благодаря такому подходу можно будет поддерживать такие технологии, как облачные игры, VR и так далее.
Сделать это можно за счет использования высокочастотных диапазонов: миллиметровых волн (от 30 ГГц до 300 ГГц), терагерцовых (от 300 ГГц до 3 ТГц), инфракрасных (от 300 ТГц до 420 ТГц) и видимого света (от 420 ТГц до 750 ТГц). Диапазон миллиметровых волн уже используют последние сотовые системы 5G.
Сегодня большие данные передают два протокола: TCP и QUIC. Они разделяют информацию на пакеты, передаются, потом собирают данные обратно. Эти протоколы устанавливают оптимальную скорость передачи данных между клиентом и сервером. Некоторые факторы могут помешать этому: количество активных пользователей, качество оборудования, время суток и так далее. При каждой новой передаче TCP и QUIC должны «угадывать» оптимальную скорость соединения либо методом проб и ошибок, либо с помощью измерений. Во втором случае протокол анализирует состояние сети и определяет, как быстро можно передавать данные. Оба подхода занимают время.
Ученые отмечают, что именно здесь кроется главная слабость будущих поколений беспроводной связи. Чем выше частота, тем больше сложностей с передачей информации. «Если радиоволны традиционного диапазона легко обходят преграды в виде людей и объектов, то появление препятствия между передатчиком и приемником на частотах миллиметровых волн может мгновенно снизить скорость передачи данных с нескольких гигабит в секунду до десятков мегабит в секунду. Терагерцовый диапазон и выше можно просто заслонить рукой, что резко ухудшит скорость канала. В результате высокочастотные соединения скоростные, но крайне ненадежные, что приводит к большим проблемам при угадывании пропускной способности», — поделился Максим Суслопаров, стажер-исследователь Научно-учебной лаборатории телекоммуникационных систем МИЭМ НИУ ВШЭ.
Исследователи проанализировали подходы к решению этой проблемы и разделили их на семь групп на основе двух критериев: подхода, используемого для улучшения производительности, и уровня стека протоколов, где выполняется модификация. Наиболее многообещающими ученые считают межуровневые решения.
Простые действия в Интернете требуют большого количества протоколов на разных уровнях. На физическом — биты преобразуются в электромагнитные волны, на следующем — протокол доступа к каналу определяет, когда устройство может передавать данные, а когда нет. Дальше работает протокол сетевого уровня и маршрутизация, которая определяет путь данных. После информация попадает к протоколу транспортного уровня и, наконец, к пользователю в приложение.
«Сейчас каждый протокол, находясь на своем уровне, решает лишь свои уникальные задачи. Например, TCP стремится определить пропускную способность канала, в то время как алгоритм на канальном уровне, отвечающий за скорость передачи данных, не думает о наличии TCP или любого другого протокола на другом уровне. Это приводит к ситуации, когда вместо совместной работы каждый протокол действует в отрыве от других, подобно персонажам басни "Лебедь, рак и щука". Этот подход крайне неэффективен», — отметил Евгений Хоров, автор статьи, заведующий Научно-учебной лабораторией телекоммуникационных систем МИЭМ НИУ ВШЭ и Лабораторией беспроводных сетей ИППИ РАН.
Протоколы межуровневых решений могут успешно решить проблемы ненадежных высокочастотных соединений. Информация с разных уровней может использоваться самыми различными протоколами.
Специалисты провели эксперимент и показали, что использование протокола межуровневого взаимодействия xStream значительно увеличивает скорость загрузки файлов, приближая ее к верхней границе — максимально возможной скорости загрузки файла в идеальных условиях.