Wpływ mechanizmów protokołu TCP oraz algorytmów kolejkowania na transmisję danych w sieci Internet

Abstract

At the beginning of the Internet, the speed transmission does not allow to predict that it will ever be possible to transfer audio, video and other multimedia content. Consequences of the project, which was characterized by reliability and low cost of the connections proved to be a barrier at a time when the Internet became available in almost every home and in every place on the globe. Scientists developing in the 70s the base of the family of  TCP/IP protocols not predicted the challenges for these protocols which bring technologies and solutions created several decades later.The most serious barrier appeared to be an Internet Protocol IP (Based on the connectionless datagram model). This model is not a good solution for the data bandwidth, delay or loosing packets sensitive transmissions. Fortunately, the structure of the Internet allowed to make changes, which initially can be implemented in a small area and then eventually  spread to the larger areas. For adapt the network possibilities to the needs of its users a number of network mechanisms were created. The mission of this mechanisms is the best possible performance of the network links ensuring.The most important elements of the network traffic control are: the packets incoming management,  the packets rejection in the queue, and  the transmitter sending packets speed control at the transport protocol level.The standard queue behavior handle different streams according to the rule "best effort" (FIFO queue).  Nowadays, the queuing algorithms that divide a link between parallel transmissions were introduced. This algorithms rank the packets preserving a queuing discipline (e.g. WFQ, WRR, DRR, CBQ).A major problem, which appeared with the development of the Internet was the network overload. They manifested by a lack of space in the   routers queues. Queue overflow causes packet losses and consequently, the data retransmissions. The traditional approach implied rejection of incoming packets from the queue only after overflow. Mechanisms of active queue management introduced a new approach to this issue.According to the rules AQM earlier, preventive packet rejection is possible. These mechanisms depend on monitoring link status by monitoring the number of data in the queue. On this basis, the decision to remove the incoming packet is taken.In addition, AQM mechanisms use some TCP feature (congestion window mechanism). A congestion control method mechanism is simple, and therefore very efficient. Congestion window size is dependent on the number of received acknowledgments and grows until the sent data is accepted. Rejection of the incoming packet in the router is also an information for the sender suggesting a transmission speed reduction.The most popular AQM mechanisms increase the dropping packet probability with the queue length.In the Internet layer model there are two transport protocols UDP and TCP. TCP is incomparably more complex than UDP. The better part of Internet traffic uses the TCP protocol.TCP has  the control data flow and control the correctness of the transmitted data mechanisms. Also congestion control mechanisms have been introduced in this protocol. With the development of the Internet the better congestion control  mechanisms were created.Currently, there are dozens  adapted to a variety of network conditions mechanisms. The control of the speed generation, acting efficiently under all reasonable network conditions is not a trivial problem. This feature of the transport protocol is extremely important in the era of heterogeneous network consisting of various transmission media (wireless, satellite, optical, or simply cable).Na początku istnienia Internetu, przy ówczesnych prędkościach transmisji, nikt nie był w stanie przewidzieć, że kiedyś będzie możliwy przesył dźwięku, obrazu oraz innych treści multimedialnych. Konsekwencje wynikające z projektu, który cechowała niezawodność i niski koszt połączenia, okazały się barierą, w~momencie kiedy sieć Internet stała się dostępna niemal w każdym domu i w każdym miejscu na kuli ziemskiej.  Naukowcy opracowujący w połowie lat 70. zeszłego wieku podstawy rodziny protokołów TCP/IP nie przewidzieli, jakie wyzwania dla tych protokołów przyniosą technologie i rozwiązania powstałe kilkanaście czy nawet kilkadziesiąt lat później.Najpoważniejszą aktualnie barierą okazał się być protokół internetowy IP (oparty na bezpołączeniowym modelu datagramowym). Model ten nie jest dobrym rozwiązaniem dla przesyłu danych wrażliwych na przepustowość, opóźnienie czy też gubienie pakietów. Na szczęście struktura Internetu pozwalała na wprowadzanie zmian, które początkowo można implementować na niewielkim obszarze, a potem ewentualnie dane rozwiązania rozprzestrzenić. W celu dostosowania sieci do dzisiejszych potrzeb jej użytkowników stworzono wiele mechanizmów sieciowych, których zadaniem jest zapewnienie możliwie najlepszych parametrów połączeń w sieci. Najważniejsze elementy sterowania strumieniami ruchu sieciowego to: zarządzanie pakietami nadchodzącymi do węzła transmisyjnego, zarządzanie odrzucaniem pakietów w kolejce oraz zarządzane prędkością wysyłania pakietów przez nadajnik na poziomie protokołu transportowego.W miejsce standardowego podejścia do obsługi różnych strumieni według reguły "best effort" (kolejka FIFO), zaczęto wprowadzać algorytmy kolejkowania, umożliwiające podział łącza między równolegle odbywające się transmisje. Algorytmy te szeregują pakiety i wysyłają, zachowując pewną dyscyplinę kolejkowania (np. algorytmy WFQ, WRR, DRR, CBQ i inne). Poważnym problemem, który pojawił się wraz z rozwojem sieci Internet, były przeciążenia sieci. Objawiały się one brakiem miejsca w buforach wyjściowych routerów. Przepełnienie kolejek powoduje straty pakietów, a w następstwie retransmisję danych. Tradycyjne podejście zakładało odrzucanie nadchodzących pakietów z kolejki dopiero po przepełnieniu bufora. Zastosowanie mechanizmów aktywnego zarządzania wprowadziło nowy sposób podejścia do tego zagadnienia. Zgodnie z regułami AQM możliwe jest wcześniejsze, prewencyjne odrzucanie pakietów. Mechanizmy te polegają na monitorowaniu stanu łącza poprzez śledzenie liczby danych w kolejce. Na tej podstawie podejmuje się decyzję o ewentualnym usunięciu nadchodzącego pakietu.Dodatkowo mechanizmy AQM wykorzystują pewne cechy protokołu TCP (mechanizm okna przeciążeniowego). Sposób działania mechanizmu kontroli przeciążeń jest prosty, a przez to bardzo skuteczny.  Rozmiar okna przeciążenia zależny jest od liczby uzyskanych zwrotnych potwierdzeń i rośnie aż do momentu, gdy pewna porcja danych nie zostanie zaakceptowana. Odrzucenie w routerze nadchodzącego pakietu jest jednocześnie informacją dla nadawcy sugerującą zmniejszenie prędkości nadawania. W najpopularniejszych mechanizmach AQM prawdopodobieństwo odrzucenia pakietu rośnie wraz z zapełnieniem bufora. Na poziomie warstwy transportowej modelu warstwowego sieci Internet istnieją dwa protokoły -- UDP i TCP.  Protokół TCP jest nieporównywalnie bardziej złożony niż UDP. Większość internetowego ruchu odbywa się z wykorzystaniem protokołu TCP. Został on wyposażony m.in. w mechanizmy sterowania przepływem danych i pewnego dostarczania przesyłki do adresata.  W protokół ten wbudowano również mechanizmy kontroli przeciążeń. Wraz z rozwojem Internetu mechanizmy te rozbudowywano o kolejne, coraz sprawniej przesyłające dane mechanizmy. Mechanizmów takich, dostosowanych do różnorodnych warunków sieciowych, jest kilkadziesiąt, z czego kilkanaście znalazło już swoje stałe miejsce w systemach operacyjnych komputerów