• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
10.08.2023
НИУ ВШЭ
372

Межуровневая работа стека сетевых протоколов повысит скорость беспроводного интернета

4.4

Международный коллектив исследователей с участием ИППИ РАН, НИУ ВШЭ и Шанхайского университета транспорта проанализировал существующие методы оптимизации скорости передачи данных протоколов TCP и QUIC в высокочастотных беспроводных сетях. Ученые считают, что наиболее эффективный способ увеличения скорости передачи данных — межуровневые решения.

Межуровневая работа стека сетевых протоколов повысит скорость беспроводного интернета
Межуровневая работа стека сетевых протоколов повысит скорость беспроводного интернета / ©Getty images / Автор: Ирина Мельникова

Статья опубликована в одном из самых влиятельных (ИФ — 35,6) международных журналов в области телекоммуникаций — IEEE Communications Surveys & Tutorials. Беспроводные технологии связи постоянно развиваются, обеспечивая все более высокие скорости передачи данных для пользователей. Современные Wi-Fi- и мобильные системы, работающие в традиционных низкочастотных диапазонах (то есть ниже шести ГГц), предоставляют пропускную способность до нескольких сотен мегабит в секунду на каждого пользователя. Следующий этап — достижение многогигабитных скоростей передачи данных. Такая пропускная способность позволит поддерживать облачные игры, виртуальную реальность и многие другие технологии.

Повысить скорость передачи данных в беспроводных сетях возможно многократно 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). Например, недавние изменения в стандартах Wi-Fi и сотовых систем пятого поколения (5G) уже используют диапазоны миллиметровых волн для передачи данных. Рабочая группа IEEE 802.11 завершает работу над стандартом IEEE 802.11bb, также известным как Li-Fi, который расширяет Wi-Fi на диапазон света (LW). Высокие частоты рассматриваются в качестве кандидатов для различных будущих беспроводных коммуникационных систем.

Cеть с двумя БС (базовыми станциями сети) на миллиметровых волнах, работающими в 1 ГГц канале на 28 ГГц, одна LTE/NR БС, работающая в 100 МГц канале на 3,6 ГГц / ©Пресс-служба НИУ ВШЭ

Сегодня используются два протокола, которые передают большие объемы данных в интернете: TCP (Transmission Control Protocol) и QUIC (Quick UDP Internet Connections). Они определяют, как данные разбиваются на пакеты, передаются и затем собираются обратно.

Эти протоколы устанавливают оптимальную скорость передачи данных между клиентом (пользователем) и сервером. На пропускную способность канала могут повлиять количество активных пользователей, качество сетевого оборудования, время суток и другие факторы. Протоколам TCP и QUIC при каждой новой передаче приходится «угадывать» оптимальную скорость соединения. Они могут делать это методом проб и ошибок или с помощью измерений: протокол анализирует текущее состояние сети и на основе этой информации определяет, насколько быстро можно передавать данные. Оба подхода требуют времени для нахождения оптимальной скорости.

Емкость канала по Шеннону (теоретическая максимальная скорость передачи данных) / ©Пресс-служба НИУ ВШЭ

По мнению ученых, здесь кроется ахиллесова пята 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», — объясняет один из авторов статьи, стажер-исследователь Научно-учебной лаборатории телекоммуникационных систем МИЭМ НИУ ВШЭ Максим Суслопаров.

Коллектив исследователей с участием ИППИ РАН, НИУ ВШЭ и Шанхайского университета транспорта рассмотрел предложенные решения проблем, связанных с низкой надежностью высокочастотного диапазона. Все проанализированные подходы они разделили на семь групп на основе двух основных критериев: подхода, используемого для улучшения производительности, и уровня стека протоколов, где выполняется модификация. Наиболее многообещающими ученые считают межуровневые решения (cross-layer solutions).

Рассмотренные решения, повышающие производительность TCP и QUIC в высокочастотных беспроводных сетях / ©Пресс-служба НИУ ВШЭ

Простые действия в интернете, например видеозвонок, требуют работы большого количества протоколов, которые находятся на разном уровне сетевого взаимодействия. На физическом уровне биты преобразуются в электромагнитные волны. На следующем уровне подключается протокол доступа к каналу, который определяет, когда устройство может передавать данные, а когда нет.

Дальше, чтобы информация не остановилась на точке доступа, необходим протокол сетевого уровня и маршрутизация, определяющая путь, по которому данные должны быть отправлены от источника к пункту назначения. Потом информация добирается до протокола транспортного уровня, например TCP, и уже оттуда вверх по уровню информация попадает в приложения пользователя.

«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», — объясняет один из авторов статьи, заведующий Научно-учебной лабораторией телекоммуникационных систем МИЭМ НИУ ВШЭ и Лабораторией беспроводных сетей ИППИ РАН Евгений Хоров.

Скорость загрузки файла при использовании разных решений / ©Пресс-служба НИУ ВШЭ

Благодаря использованию межуровневых решений возможно успешно решить множество проблем, связанных с ненадежными высокочастотными соединениями. При таком подходе разные уровни смогут «общаться» напрямую друг с другом. Информация о физическом уровне (такая, как пропускная способность канала) может быть использована протоколами транспортного уровня (TCP, QUIP) для лучшего управления передачей данных.

Результаты эксперимента 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 (см. рисунок 4).

«При должном развертывании и настройке рассмотренные нами решения могут значительно улучшить производительность протоколов TCP&QUIC в высокочастотных беспроводных системах. Они различаются по стоимости и сложности реализации. Мы считаем, что самые эффективные из них — межуровневые решения, которые могут применяться как самостоятельно, так и совместно с другими решениями для достижения наилучших результатов», — резюмирует соавтор работы, старший научный сотрудник Научно-учебной лаборатории телекоммуникационных систем МИЭМ НИУ ВШЭ Артем Красилов.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» — один из крупнейших и самых востребованных вузов России. В университете учится 54 тысячи студентов и работает почти 4,5 тысячи учёных и преподавателей. НИУ ВШЭ ведёт фундаментальные и прикладные исследования в области социально-экономических, гуманитарных, юридических, инженерных, компьютерных, физико-математических наук, а также креативных индустрий. В университете действуют 47 центров превосходства, или международных лабораторий. Вышка объединяет ведущих мировых исследователей в области изучения мозга, нейротехнологий, биоинформатики и искусственного интеллекта. Университет входит в первую группу программы «Приоритет-2030» в направлении «Исследовательское лидерство». Кампусы НИУ ВШЭ расположены в четырех городах — Москве, Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде и Перми, а также в цифровом пространстве — «Вышка Онлайн».
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
Позавчера, 20:04
Юлия Трепалина

Для профилактики алкоголизма среди молодежи важно не только понимать, что побуждает употреблять спиртное, но и знать, почему молодые люди могут отказываться от выпивки. Более десятка таких причин в недавнем исследовании привели ученые из Соединенных Штатов. Комплексный учет мотивов позволит предупреждать развитие пагубной привычки, отметили специалисты.

Вчера, 11:39
Александр Березин

Традиционное представление о роли человека в земных экосистемах известно: он нарушает их нормальную работу и снижает биоразнообразие. Однако первая попытка изучить следы пыльцы за последние 12 тысяч лет принесла скорее противоположные данные — как минимум для континентов, полностью расположенных в Северном полушарии.

Вчера, 17:59
Татьяна

Аппарат «Кассини», работавший на орбите Сатурна с 2004 по 2017 год, детально картировал его крупнейший спутник — Титан. Выяснилось, что ближе к полярным областям на поверхности есть моря и озера с жидкими углеводородами, куда впадают пополняемые атмосферными осадками реки. По мере изучения этой информации у исследователей возникло все больше вопросов. Каков состав жидкости и что определило очертания береговых линий? Воспользовавшись данными радарной съемки, американские ученые уточнили состав морей Кракена, Лигеи и Пунги и описали свойства их поверхностей.

Позавчера, 18:00
Александр Березин

Авторы нового исследования впервые показали, что круглые провалы в лунной поверхности не просто близки к многокилометровым пещерам на естественном спутнике Земли, но и располагают тоннелями, ведущими в глубину.

12 июля
Александр Березин

Falcon 9 Block 5 впервые за три сотни запусков дал частично неудачный полет. Ракета выводила 20 спутников компании SpaceX, с 15 связь уже пропала, еще пять могут быть потеряны в ближайшее время.

13 июля
Татьяна

Все клеточные организмы ученые ведут от гипотетического предка — LUCA. Существует масса предположений и расчетов о том, как он был устроен, где и когда возник. В новой работе исследователи из Великобритании попытались ответить на эти вопросы.

25 июня
Игорь Байдов

Ученые из Китая и Бельгии воссоздали в лаборатории условия, существовавшие на Меркурии четыре миллиарда лет назад, и выяснили, что они были идеальными для образования слоя алмазов, который с течением времени становился лишь толще.

21 июня
Nadya

Земля начала формироваться примерно 4,5 миллиарда лет назад. Чтобы понять, как это происходило в ранние периоды развития нашей планеты, ученые ищут образцы древних горных пород. Одну из таких, возрастом почти 3,5 миллиарда лет, обнаружили рядом с городом Колли в Австралии.

1 июля
Александр Березин

Необычный биологический вид, по оценке авторов новой научной работы, пригоден для заселения четвертой планеты без каких-либо предварительных условий — уже в том виде, в котором он существует сейчас. Поскольку речь идет о фотосинтетическом организме, он способен нарабатывать существенное количество кислорода. Интересно, что кандидат на терраформирование Марса сохранил жизнеспособность после месяца в жидком азоте.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно