Исследование и оптимизация настройки протокола TCP/IP в сетях передачи данных

Возрастающее число сетевых сервисов ведет к интенсивному трафику с ретрансляциями, что значительно снижает пропускную способность [1-2]. Кроме того, известно, что изменения, касающиеся протоколов и стандартов, на физическом уровне обходится достаточно дорого и внедряются медленно, что повышает востребованность программных способов оптимизации [3]. Современные алгоритмы коррекции ошибок в TCP-сетях предполагают избыточность информации как способ предотвращения большого числа повтор- ных отправок пакетов, поэтому на сегодняшний день задача увеличения пропускной способности и скорости каналов передачи данных не утратила своей актуальности. В связи с этим требуется точная методика определения скорости канала передачи данных и разработка методов ее увеличения. Среди наиболее важных факторов на компьютере пользователя, влияющих на скорость приема-передачи данных, можно выделить производительность центрального процессора, графической подсистемы и фрагментацию дискового пространства.

При большом количестве одновременно установленных соединений загрузка центрального процессора может существенно возрастать за счет того, что подсчет контрольных сумм пакетов реализован на программном, а не на аппаратном уровне. Скорость приема данных при большой загрузке процессора может значительно снизиться. Видеокарта может существенно нагружать системную шину, снижая тем самым пропускную способность между чипсетом и центральным про- цессором. Фрагментация дискового пространства замедляет скорость чтения/ записи файлов, что является одной из причин снижения скорости обмена данными при работе в сети Internet.

Тестирование канала передачи данных согласно ГОСТ Р 53632-2009 «Показатели качества услуг доступа в Интернет» (далее ГОСТ) обнаруживает еще одну причину падения скорости – фрагментацию на IP-уровне TCP/IP дейтаграмм.Согласно Приложению Б к ГОСТ тестовый сервер,находящийся в сети Оператора за граничным маршрутизатором,и компьютер пользователя должны иметь максимальный размер сегмента (Maximum Segment Size), (далее MSS)в пределах от 1380 до 1460 байт [4].При изменении MSS в указанных пределах тестирование скорости приема данных выявило большой разброс в скорости. Результаты исследования приведены на рис. 1.

Анализ зависимости скорости передачи от размера пакета данных выявил причины разброса скорости - дело в том, что с ростом размера

70 ч

Размер сегмента, байт

Рис. 1. Зависимость скорости доступа от размера сегмента

пакетов увеличивается и время, необходимое для их повторной передачи в том случае, если пакет потерян или искажен. К тому же промежуточные узлы имеют свои собственные настройки, и если размер передаваемого пакета, превышает текущий размер пакета Maximum Transmission Unit, далее MTU (MTU = MSS + 40 байт заголовка), пакет фрагментируется, и эти фрагменты дефрагментируются только на узле-приемнике, в результате чего пропускная способность уменьшается. Причем если MTU узла отправителя немногим превышает MTU промежуточного узла, то второй пакет состоит практически из одного заголовка, в результате чего зависимость скорости передачи от размера пакета превращается в характерную пилообразную кривую (см. рис. 1). Проблемы, связанные с применением транспортных протоколов, обусловлены главным образом тем, что во времена их разработки разброс скоростей сетевых каналов, встречающихся при передаче тра- фика от одного конца маршрута до другого, был не столь значителен, как сегодня.

Например, просто не могли возникнуть такие проблемы, как буферизация-фрагментация-отбра-сывание пакетов трафика при переходе между сетями с полосой пропускания 1 Гбит и 10 Гбит через канал связи со скоростью 100 Мбит/с. Протоколы разрабатывались для удовлетворения требованиям какого-либо потока данных без учета условий работы сети в целом. [5-6]. Оптимизируем настройки TCP/IP для увеличения скорости приема/передачи данных. Так, эффективную скорость приема/пере-дачи данных (без учета служебной информации, заголовков) можно представить в виде:

_ ^1тез1юе ^загф1 1)

"^ t +t, т пер ф где ^полезное – количество бит информации в пакете, полезная составляющая; L – количество бит заголовка в пакете, служебная информация; ^ nep – время передачи одного пакета, в одну сторону; ^ Ф – время, затрачиваемое на фрагментацию-дефрагментацию одного пакета; m – количество пакетов на приемной стороне, получившихся из одного пакета. Понятно, что для достижения максимальной скорости должны выполняться условия: lim Азаг —> О и limA^ —> 0.

Пример прохождения пакета через несколько маршрутизаторов, имеющих разные настройки MTU, представлен на рис. 2. В процессе фор- мирования соединения выбирается наименьший размер MTU, поддерживаемый отправителем и получателем, для ограничения размера TCP сегмента в попытке избежать его фрагментации при трансляции. Однако на промежуточных узлах пакет может фрагментироваться, при условии если текущая настройка MTU на узле меньше, чем MTU передаваемого пакета. Пример прохождения пакета данных с размером MTU = 1500 через четыре узла с MTU, равными 1000; 800; 700 и 600 соответственно, представлен на рис. 2.

Отравитель                                            Получатель

Фрагментация пакетов при        woo    800       700       600

передаче           500+40  200+40     I00+40 I00+40

540        240        140

540       240

Рис. 2. Путь прохождения пакетов по сети

В данном случае отправитель и получатель имеют одинаковый размер сегмента MTU, равный 1500 байт, поэтому передача начинается пакетами данного размера. Однако на пути от отправителя к получателю встречаются четыре узла, имеющих MTU меньший, чем передаваемый пакет. В данном случае пакет делится на два пакета и добавляется еще один заголовок (40 байт). На приемной стороне имеется пять пакетов вместо одного (четыре лишних заголовка и увеличение времени на фрагментацию пакета в пять раз).

Можно сформулировать метод увеличения скорости передачи данных: приемник извещает источник о максимальном размере полученного от него пакета в одном окне передачи, устанавливая для него минимальный MTU из всех входящих в канал. Предложенная методика определения оптимального размера пакета увеличивает эффективность передачи данных в сети. Для анализа эффективности данного метода произведено моделирование данного процесса с помощью сетевого эмулятора NS-3, подтверждающее увеличение скорости при использовании данной методики. В таблице 1 представлены результаты эксперимента по определению скорости передачи данных при обычных условиях и при использовании метода увеличения скорости передачи и приема данных, а также приведены сведения по количеству переданных байт при обычных условиях и использовании метода увеличения скорости.

Как видно из таблицы 1, с помощью разработанных рекомендаций и метода увеличения скорости удается получить значительный выигрыш за счет увеличения полезной составляющей трафика и уменьшения времени на фрагментацию-дефрагментацию пакетов.