Межуровневая работа стека сетевых протоколов повысит скорость беспроводного интернета
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.
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.
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.
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).
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.
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.
Telegram 
Дзен 
VK В Университете МИСИС усовершенствовали технологию нанесения защитных электропроводящих покрытий на медные изделия, широко используемые в качестве элементов скользящих электроконтактов, например, в токосъемниках. Метод увеличивает прочность соединения покрытий с подложкой на 17%.
Ученые нашли признак, который позволяет точно оценить пластичность органических кристаллов, востребованных в устройствах гибкой электроники и робототехнике. Ранее считалось, что хорошо гнутся материалы со слоистой структурой, где молекулы внутри слоя связаны крепко, а между слоями — слабо. Оказалось, что этих требований недостаточно и важно учитывать также энергию, которую нужно затратить на то, чтобы сдвинуть слои друг относительно друга — чем она ниже, тем материал более гибкий. Открытие упростит проектирование и создание органических кристаллов с заданными свойствами.
Нейробиологи СПбГУ продемонстрировали, что активация рецептора следовых аминов TAAR1 эффективно подавляет агрессивное поведение, вызванное полным отсутствием серотонина в мозге. В дальнейшем этот результат поможет в разработке лекарственных препаратов, направленных на коррекцию патологических форм агрессии, возникающих при посттравматическом стрессовом расстройстве (ПТСР) и шизофрении.
Метеорный поток Эта-Аквариды достигнет своего максимума в ночь с 5 на 6 мая. Его частицы — осколки самой знаменитой кометы в истории, которая появляется над Землей раз в 76 лет. Ученый Пермского Политеха рассказал, как этот звездопад связан с кометой Галлея, почему у него есть «брат-близнец» и где лучше всего за ним наблюдать.
В корпорациях, спорте и учебе люди часто сталкиваются с задачами, с которыми не справиться в одиночку. В таких случаях важную роль играет правильный подбор команды. Доцент факультета экономических наук НИУ ВШЭ Татьяна Майская вместе с коллегами из зарубежных университетов исследовала свойства команд и показала, что однородные команды лучше подходят для задач, где важен высокий средний результат, а разнообразные по составу — там, где критично избежать провала.
Ученые Санкт-Петербургского государственного университета уточнили описание вторично морских тихоходок. Удалось доказать существование двух видов организмов в Белом, Баренцевом, Карском морях и море Лаптевых, а также поставить под сомнение, что еще три вида того же семейства представляют собой разные.
В последнее время пуски с российских северных космодромов осуществляют без предварительного уведомления, чего не было в прошлом. Вероятно, дело в недавно упомянутых главой «Роскосмоса» атаках на Плесецк во время пуска. Сегодняшний запуск обеспечил вывод на орбиту космических аппаратов военного назначения.
Когда международная экспедиционная группа, исследующая море Уэдделла в Антарктиде на борту ледокола «Поларштерн», попыталась укрыться от шторма, ученые и экипаж судна удивились внезапному появлению острова, не обозначенного ни на одной морской карте.
Химические связи в материале, из которого сделана электроника, разрываются не из-за накопительного износа от протекания тока через них, а из-за электронов с конкретной энергией.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно