RESEARCH AND OPTIMIZATION TCP/IP FOR DATA TRANSFER PERFORMANCE

Abstract

In this work is considered the practical research of influence settings tcp / ip on the data rate. Received during the research results show the influence of the packet fragmentation on the speed of data transmission. Developed method allowing fix the effect of the packet fragmentation and thereby increase the data rate.

Full Text

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 «Инфокоммуникационные технологии» Том 11, № 2, 2013 40 Тимошина М. М. ных отправок пакетов, поэтому на сегодняшним 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^ 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 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/передачи данных (без учета служебной информации, заголовков) можно представить в виде: ν3φ = каг(т~1) Кер+<фт где Lno]ie3Hoe - количество бит информации в пакете, полезная составляющая; L - количество «Инфокоммуникационные технологии» Том 11, № 2, 2013 Тимошина М. М. 41 бит заголовка в пакете, служебная информация; tnep - время передачи одного пакета, в одну сторону; ίφ - 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 L3as —> 0 и lim Ьф —> 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. Получатель MTU=1500 Фрагментация пакетов при передаче 1000 500+40 800 700 600 200+40 100+40 100+40 540 240 140 540 240 540 MTU=1500 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.