دانلود رایگان مقاله یک بررسی بر پیشرفت های اخیر در پروتکل های لایه انتقال

چکیده 

            در طول سال ها، اینترنت با تکنولوژی‌های ارتباطی در دسترس جدید، برای شبکه‌ها و دستگاه‌های ثابت و سیار، رشد چشمگیر از نظر عملکرد، افزایش پایدار نرخ داده‌های دسترس غنی شده است. جامعه پژوهش اینترنت هنوز هم برای تکامل پروتکل‌های لایه انتقال از نظر تطبیق با قابلیت‌های شبکه‌های مدرن، به منظور بهره برداری کامل از مزایای تکنولوژی‌های ارتباطی جدید تلاش می کند. این مقاله بر نوآوری‌های اصلی مربوط به پروتکل‌های انتقال که اخیرا مطرح شده اند تمرکز میکند، و سه روند پژوهشی اصلی را شناسایی می کند: (1) تکامل الگوریتم‌های کنترل ازدحام، برای هدف قراردادن عملکرد بهینه در سناریوهای چالش برانگیز، با استفاده از تکنیک‌های یادگیری ماشین؛ (2) پیشنهاد پروتکل‌های انتقال جدید برند، که جایگزینی برای پروتکل کنترل انتقال (TCP) است و در یک فضای کاربری اجرا می شود؛ و (3) مقدمه ای بر قابلیت‌های چند مسیری در لایه انتقال.

1. مقدمه 

           تکنولوژی‌های ارتباطی که دسترسی و ارتباطات بک هال  را به اینترنت فراهم می کنند از دهه 1980 به بعد، از زمانی که پروتکل‌هایی که بخشی از پشته TCP/IP بوده اند برای اولین بار معرفی شدند، به صورت چشمگیری تغییر کردند [1]–[3]. انتظار می رود که در سال 2021 ترافیک تولید شده از دستگاه‌های موبایل از ترافیک تولید شده توسط دستگاه‌های دسکتاب و سرور‌ها پیشی بگیرد [4]. استانداردهای ارتباطی جدید مطرح شدند، و در طی چند سال گذشته به بازار وارد شدند. با افزایش تحریک آمیز تقاضای ترافیک وب و چند رسانه ای ها، شبکه‌های موبایل و ثابت به سرعت در حال تکامل هستند. 3GPP NR [5]، با نرخ داده به شدت بالا با تاخیر بسیار کم برای دستگاه‌های 5G آینده همراه است، و به طور مشابه، استاندارد IEEE 802.11 استقرارهای به شدت متراکم و توان عملیاتی چند گیگابایت در ثانیه را هدف قرار می دهد [8]. دستگاه‌های مدرن قابلیت ارتباط با شبکه‌های ناهمگن را دارا هستند [9]، و شبکه‌های ثابت از تکنولوژی‌های نوری و شبکه‌های نرم افزاری تعریف شده  (SDN) برای نرخ‌های بی سابقه و تاخیر کم استفاده می کنند [10].  

          قابلیت‌های در حال افزایش شبکه ایجاد نوع جدیدی از اپلیکیشن‌ها را امکان پذیر کرده است، رشد نمایی ترافیک چند رسانه ای یا بلادرنگ [4] بدون پیشرفت‌های تکنولوژیکال اخیر غیر ممکن بوده است. با پیشرفت شبکه به سمت 5G، نوع جدیدی از اپلیکیشن ها، مانند واقعیت افزوده  (AR) و واقعیت مجازی  (VR) یا رانندگی خودکار، نیازمند شبکه‌های بیشتر و محدودیت‌های کیفیت خدمات (QoS) سفت و سخت تر هستند. این، با افزایش ناهمگونی شبکه ها، نقش پروتکل انتقال را مهم تر، و چالش برانگیز تر کرده است. براستی، عملکرد انتها به انتها و کیفیت تجربه  (QoE) کاربران تا حد زیادی به تعامل میان اپلیکیشن ها، لایه انتقال و شبکه اصلی مربوط است [11]. به خصوص، لایه انتقال، که مسئول مدیریت ارتباطات انتها به انتها بر روی چند هاب شبکه است، باید به منظور بهره مندی کامل کاربران از نوآوری‌های فوق الذکر تکامل یابد. به هر حال، تعدادی از فاکتورها یا عامل‌ها مانع از این می شوند که راه حل‌های جدید در لایه انتقال، در سال‌های اخیر به صورت گسترده پذیرفته شوند، جامعه پژوهشی قصد دارد که با این محدودیت‌ها مقابله کند و راه حل‌های نوآورانه را به منظور تاثیر گذاری قابل توجه بر عملکرد اینترنت شناسایی کند.

          به طور خاص، استقرار لایه‌های انتقال جایگزین، مانند پروتکل انتقال کنترل جریان  (SCTP) [12]، با استفاده گسترده از جعبه‌های میانی  کاهش یافته است [13]، که اغلب بسته‌هایی که از بسته‌های پروتکل کنترل انتقال (TCP) و یا پروتکل دیتاگرام کاربر (UDP) [15] متفاوت هستند را دور می اندازند. علاوه بر این، سوکت واسط برنامه نویسی اپلیکیشن  (API) به صورت جهانی استفاده شده است [16]، بنابراین گزینه‌های رابط بین اپلیکیشن و لایه‌های انتقال را برای آنچه API پشتیبانی می کند تغییر میدهد. سرانجام، گسترده ترین سیستم‌های عملیاتی توابع انتقال (TCP&UDP) را در کرنل اجرا می کنند، و استقرار راه حل‌های جدید را سخت می سازد. این عناصر تعریف می کنند که چه چیزی مبنای لایه انتقال گفته می شود [16]، پدیده ای که محققین و توسعه دهندگان را به سمت استفاده از TCP قدیمی ( برای ترافیک قابل اعتماد و کنترل ازدحام) سوق میدهد، حتی اگر این بهترین پروتکل عملکردی برای مورد استفاده مطلوب نباشد. TCP در برخی از سناریوهای خاص با برخی از مشکلات عملکردی مواجه است، مانند لینک‌های بی سیم با تغییرپذیری بالا [17]، بلاکینگ Head of Line (HoL) با ترافیک وب، و bufferbloat [20]. 

          این بررسی بر سه جهت پژوهش لایه انتقال (پروتکل انتقال جدید، نوآوری‌های کنترل ازدحام، و رویکردهای چند مسیری) که در 15 سال اخیر برای کل مسائل فوق الذکر ظهور کرده اند، تمرکز میکند. پروتکل‌های ازدحام جدید برای هدف قراردادن تاخیر کم و استفاده کامل از پهنای باند پیشنهاد شدند. پروتکل‌های انتقال جدید توسط نیروی کار مهندسی اینترنت (IETF)، با نوآوری‌های فنی مانند قابلیت‌های چند مسیری، برای بررسی واسط‌های متعدد موجود در تلفن‌های هوشمند مدرن، کامپیوترها، و سرورها و اجرای فضای کاربر، برای غلبه بر آنچه که مانع از پذیرش کامل الگوریتم‌های جدید در لایه انتقال می شود، بحث کردند. بنابراین، در این بررسی، ابتدا پروتکل‌های انتقال جدید اصلی را که توسط IETF از سال 2006 پیشنهاد شدند و استاندارد سازی شدند را بررسی کردیم؛ ما یک بررسی مختصر بر SCTP و پروتکل کنترل ازدحام دیتاگرام (DCCP) ارائه دادیم، و سپس به مبحث‌های دیگر پرداختیم، مانند پروتکل ارتباطات اینترنتی UDP سریع (QUIC). سپس، ما بر پژوهش‌های انجام شده بر کنترل ازدحام نگاهی انداختیم. هر دو مکانیزم‌های جدید را با استفاده از رویکردهای کلاسیک تشریح می کنیم، مانند پهنای باند گلوگاه و زمان انتشار دور چرخشی  (BBR) و تاخیر کم (LoLa) برای TCP، و برخی از پیشنهادات جدید برای استفاده از تکنیک‌های یادگیری ماشین برای کنترل ازدحام. سرانجام، روند سومی که در این بررسی بحث شده است به پذیرش راه حل‌های چند مسیری در لایه انتقال، اساسا با TCP چند مسیره (MPTCP) [25], [26]، مربوط است اما به بسط‌های چند مسیره SCTP [27]، QUIC [28]، و با پروتکل تجمعی انتها به انتهای کنترل تاخیر (LEAP) مربوط است.

          هدف ما در این بررسی ارائه نقطه نظرهای جامع در پژوهش‌های به روز پروتکل‌های انتقال برای خواننده‌های علاقمند است، نقطه نظرهایی که در دیگر بررسی‌های اخیر که بر استخراج، انتقال‌های چند مسیره، یا الگوهای کنترل ازدحام برای MPTCP یا در مراکز داده تمرکز می کنند، دیده نمی شود. 

           باقی مقاله به شرح زیر سازمان یافته است. در بخش 2 مسائل و محدودیت‌های اصلی پروتکل‌های انتقال را در شبکه‌های مدرن تشریح کردیم. در بخش 3 سه پروتکل انتقال به تازگی پیشنهاد شده را تشریح کردیم. در بخش 4 آخرین پروپوزال‌ها از نظر الگوریتم‌های کنترل ازدحام را برای TCP و دیگر پروتکل‌های انتقال گزارش کردیم، و آن‌ها را به به عنوان الگوریتم‌های مبتنی بر گم شدن بسته، تاخیر یا ظرفیت دسته بندی کردیم. ما بر مکانیزم‌های ترکیبی، الگوریتم‌های مبتنی بر یادگیری ماشین و رویکردهای بین لایه ای بحث کردیم. در بخش 5 بر رویکردهای متفاوت برای پروتکل‌های انتقال چند مسیره اخیرا پیشنهاد شده بررسی‌هایی انجام دادیم. سرانجام بخش 6 نتیجه گیری مقاله است و جهات پژوهشی آینده را مطرح میکند. یک لیست جامع از کلمات اختصاری نیز در پایان مقاله آورده شده است. 

2. محدودیت‌های لایه انتقال در شبکه‌های مدرن 

         همانطور که در بخش 1 گفته شد، پروتکل‌های لایه انتقال یک دیدگاه ارتباطی انتها به انتها دارند؛ آن‌ها هر هاب را به صورت انفرادی در نظر نمی گیرند، اما تنها یک پیوند منطقی بین دو نقطه انتهایی در نظر می گیرند. به همین دلیل، مهم ترین لینک ها در ارتباط آهسته ترین لینک ها هستند، که اصطلاحا به آن‌ها گلوگاه گفته می شود. سرویس ارائه شده توسط TCP، پروتکل انتقال استاندارد بالفعل، می تواند به عنوان یک لوله واحد با ظرفیت لینک گلوگاه و یک زمان دور چرخشی (RTT) اصلی مدل شود، مانند زمان از لحظه ای که فرستنده یک بسته را ارسال میکند تا زمانی که تایید متناظر آن را دریافت کند است. 

          به هر حال، ویژگی‌های خاص لینک‌های منفرد و رفتار لایه‌های پایین تر بر رفتار TCP، و موارد دیگر پروتکل انتقال تاثیر دارد: چندین ویژگی‌ لینک شامل ارتباطات انتها به انتها (مانند تاخیر، گم شدن بسته، وضعیت بافر و اندازه، نوسانات ظرفیت است) که می تواند بر عملکرد لایه انتقال تاثیر گذارد [34]. به منظور غلبه بر این مسئله، مکانیزم‌های کنترل ازدحام پیچیده تری پیشنهاد شدند، که فراتر از اصل افزایش جمعی کاهش ضربی  (AIMD) ساده هستند. ما فلسفه‌های طرح اصلی را در بخش 4 به صورت دقیق تر توضیح می دهیم. در حقیقت، محققین در مورد استفاده گسترده از TCP به عنوان یک راه حل مناسب برای همه سوال پرسیدند، چرا که همه این فاکتورها باعث شوند که مسائل عملکردی بیشتری بروز کنند. برخی از این مسائل مسئله‌های اصلی انتزاع لایه انتقال هستند، در حالی که موارد دیگر به ویژگی‌های خاص پروتکل مربوط هستند و می توانند با طراحی درست پروتکل اجتناب شوند. این بخش یک دیدگاه مختصر بر مهم ترین مسائل ارائه داده است، باقی مقاله نیز به بحث بر راه حل‌های متعددی که برای بررسی این چالش‌ها پیشنهاد شدند تخصیص یافته است.

Bufferbloat .A 

         همانطور که در بخش 4 بحث خواهیم کرد، مکانیزم‌های کنترل ازدحام برای تنظیم مقدار داده ارسال شده از یک دیدگاه انتزاعی بر شبکه اصلی استفاده میکنند. همانطور که در [20] نشان داده شد، این انتزاع در برخی از نمونه در ارائه اطلاعات دقیق در مورد لینک‌های ارتباط دهنده دو هاست با شکست مواجه می شود و به کاهش عملکرد منجر می شود. به خصوص، زمانی که بافرهای بزرگ قبل از گلوگاه قرار گیرند، تا از گم شدن بسته‌ها جلوگیری شود، سپس مکانیزم‌های پروب TCP مبتنی بر گم شدن اشغال شدن صف را افزایش می دهند، بنابراین باعث تاخیر می شود. علاوه بر این، از انجا که نسخه‌های اجرایی فعلی TCP نرخ ارسال را تا زمانی که اولین بسته گم شود افزایش می دهند، آن‌ها اغلب ظرفیت کانال را تحت شعاع قرار میدهند، ازدحام را افزایش میدهند و در زمانی که صف پر می شود باعث انتقال‌های مجدد می شوند. دیگر پروتکل‌ها مانند QUIC, SCTP, and DCCP نیز با مسئله مشابهی مواجه هستند، چرا که مسئله کنترل ازدحام یک مشکل شایع بافرهای بزرگ است و مسئله ای نیست که به پروتکل مربوط باشد.  

         این پدیده، که به عنوان Bufferbloat شناخته شده است، QoS اپلیکیشن را کاهش می دهد، به خصوص زمانی که جریان انتقال ویدیو یا فایل بافر را با جریان‌های مرور وب به اشتراک بگذارند، و این مسئله در سال‌های اخیر با توجه به استراتژی‌های طراحی منع گم شدن بسته بدتر شده است، چرا که این استراتژی‌های بافرهای بزرگی را در ابتدای لینک‌های با ظرفیت دسترسی کم قرار میدهند [35].

Abstract

           Over the years, the Internet has been enriched with new available communication technologies, for both fixed and mobile networks and devices, exhibiting an impressive growth in terms of performance, with steadily increasing available data rates. The Internet research community has kept trying to evolve the transport layer protocols to match the capabilities of modern networks, in order to fully reap the benefits of the new communication technologies. This paper surveys the main novelties related to transport protocols that have been recently proposed, identifying three main research trends: (i) the evolution of congestion control algorithms, to target optimal performance in challenging scenarios, possibly with the application of machine learning techniques; (ii) the proposal of brand new transport protocols, alternative to the Transmission Control Protocol (TCP) and implemented in the user-space; and (iii) the introduction of multipath capabilities at the transport layer.

I. INTRODUCTION

          The communication technologies that provide access and backhaul connectivity to the Internet have dramatically changed since the 1980s, when the protocols that are part of today’s TCP/IP stack were first introduced [1]–[3]. Traffic generated on mobile devices is expected to exceed desktop and server traffic by 2021 [4]. New communication standards are being proposed and launched to market every few years. Driven by the increase in web and multimedia traffic demand, mobile and fixed networks are rapidly evolving. 3GPP NR [5], [6] will bring ultra-high data rates with low latency to future 5G devices, and, similarly, the IEEE 802.11 standard will target ultra-dense deployments [7] and multi-gigabit-per-second throughput [8]. Modern devices are capable of connecting to heterogeneous networks [9], and fixed networks are using new optical technologies and Software-Defined Networking (SDN) for unprecedented rates and low latency [10].

           The increasing capabilities of the network make new kinds of applications possible; the exponential growth of multimedia or real-time traffic [4] would have been impossible without the recent technological advances. As networks progress towards 5G, new kinds of applications, such as Augmented Reality (AR)1 and Virtual Reality (VR) or autonomous cooperative driving, are going to require more from the network and impose ever more stringent Quality of Service (QoS) constraints. This, along with the increasing heterogeneity of the network, makes the role of transport protocols more important, and, at the same time, more challenging. Indeed, the end-to-end performance and the Quality of Experience (QoE) of the users largely depend on the interaction among the applications, the transport layer and the underlying network [11]. In particular, the transport layer, which is responsible for the management of the end-to-end connection over any number of network hops, has to adapt and evolve in order to let users fully benefit from the aforementioned innovations. However, a number of factors prevent new solutions at the transport layer from being widely adopted, and, in recent years, the research community has been forced to cope with these limitations and identify innovative solutions in order to have significant effects on Internet performance.

           In particular, the deployment of alternative transport protocols, such as the Stream Control Transmission Protocol (SCTP) [12], is slowed down by the widespread use of middleboxes [13], [14], which often drop packets from protocols which are different from the Transmission Control Protocol (TCP) and/or the User Datagram Protocol (UDP) [15]. Moreover, the socket Application Programming Interface (API) (offered by the Operating System kernel and supported by TCP/UDP) is almost universally used [16], thus limiting the interfacing options between application and transport layers to what the API supports. Finally, the most widespread Operating Systems implement the transport functionalities (i.e., TCP and UDP) in the kernel, making the deployment of new solutions difficult. These elements define what is called transport layer ossification [16], a phenomenon which has pushed developers and researchers to only use legacy TCP (for reliable traffic and congestion control), even though it may not be the best performing protocol for the desired use case. TCP has indeed some performance issues in specific scenarios, e.g., on wireless links with high variability [17], [18], Head of Line (HoL) blocking with web traffic [19], and bufferbloat [20].

          This survey focuses on three directions in transport layer research (i.e., new transport protocols, congestion control innovations and multipath approaches) that have emerged in the last fifteen years to solve the aforementioned problems. New congestion protocols have been proposed to target low latency and full bandwidth utilization [21], [22]. Novel transport protocols have been discussed by the Internet Engineering Task Force (IETF), with technical novelties such as multipath capabilities, to exploit the multiple interfaces available in modern smartphones, computers and servers, and user space implementations, to overcome the ossification that prevents a widespread adoption of novel algorithms at the transport layer. Therefore, in this survey, we first review the main new transport protocols that have been proposed or standardized by the IETF since 2006: we provide a brief overview on SCTP and Datagram Congestion Control Protocol (DCCP) [23], and then delve into a more recent contribution, i.e., the Quick UDP Internet Connections (QUIC) [24] protocol. Then, we review the research on congestion control. We describe both new mechanisms using classic approaches, e.g., Bottleneck Bandwidth and Round-trip propagation time (BBR) and Low Latency (LoLa) for TCP, and some novel proposals for using machine learning techniques for congestion control. Finally, the third trend we discuss in this survey is related to the adoption of multipath solutions at the transport layer, mainly with Multipath TCP (MPTCP) [25], [26], but also with multipath extensions for SCTP [27], QUIC [28], [29], and with the Latency-controlled End-to-End Aggregation Protocol (LEAP) [30].

             Our goal in this survey is to offer the interested reader a comprehensive point of view on the up-to-date research on transport protocols, which is lacking in other recent surveys that separately focus on ossification [16], multipath transmissions [31], or congestion control schemes for MPTCP [32] or in data centers [33].

           The remainder of the paper is organized as follows. In Sec. II we describe the main issues and limitations of transport protocols in modern networks. Then, in Sec. III, we describe three recently proposed transport protocols, focusing in particular on QUIC. In Sec. IV we report the latest proposals in terms of congestion control algorithms for TCP and other transport protocols, classifying them as loss- , delay- or capacity-based. We also discuss hybrid mechanisms, machine-learning-based algorithms and cross-layer approaches. In Sec. V we investigate the different approaches to multipath transport protocols recently proposed. Finally, Sec. VI concludes the paper and summarizes the main future research directions. A comprehensive list of acronyms is also provided at the end of the paper.

II. TRANSPORT LAYER LIMITATIONS IN MODERN NETWORKS

          As mentioned in Sec. I, transport layer protocols have an end-to-end view of the connection: they do not consider each individual hop, but only a single logical link between the two endpoints. For this reason, the most important link in the connection is the slowest one, that is the so-called bottleneck. The service provided by TCP, the de facto standard transport protocol of the modern Internet, can then be roughly modeled as a single pipe with the capacity of the bottleneck link and a certain Round Trip Time (RTT), i.e., the time from the instant the sender transmits a packet to the instant it receives the corresponding acknowledgment.

          However, the particular features of the individual links and the behavior of lower layers do influence TCP’s behavior, as well as that of other transport protocols: several properties of the links composing the end-to-end connection (e.g.,latency, packet loss, buffer state and size, and volatility of the capacity) can affect the transport layer performance [34]. In order to overcome this problem, more and more complex congestion control mechanisms have been proposed, going far beyond the original simple Additive Increase Multiplicative Decrease (AIMD) principle. We will describe the main design philosophies in greater detail in Sec. IV. In fact, researchers are questioning TCP’s extensive use as a one-size-fits-all solution, because all these factors can cause performance issues that are becoming more and more apparent. Some of these issues are fundamental problems of the transport layer abstraction, while others depend on the specific features of the protocol and can be avoided by designing the protocol correctly. This section provides a short review of some of the most important issues, while the rest of the paper is dedicated to the discussion of the several solutions that have been proposed to address these challenges.

A. Bufferbloat

          As we will discuss in depth in Sec. IV, congestion control mechanisms exploit an abstract view of the underlying network to tune the amount of data to be sent. As shown in [20], however, this abstraction in some instances fails to provide accurate information on the links connecting the two hosts and leads to degraded performance. In particular, when large buffers are deployed before a bottleneck in order to prevent packet losses, then loss-based TCP probing mechanisms increase the queue occupancy, thus causing a spike in latency. Moreover, since the currently implemented versions of TCP will keep increasing the sending rate until the first packet loss, they will often overshoot the capacity of the channel, increasing congestion and causing multiple retransmissions when the queue is eventually filled. Other protocols such as QUIC, SCTP, and DCCP face the same issue, since it is a fundamental problem of congestion control with large buffers and not a protocol-specific problem.

         This phenomenon, known as bufferbloat, degrades the QoS of applications, in particular when video or file transfer flows share the buffer with web browsing flows, and it has worsened in recent years mainly due to loss-preventing design strategies that place large buffers in front of low capacity access links (either wired or wireless) [35].

چکیده 

1. مقدمه 

2. محدودیت‌ های لایه انتقال در شبکه‌ های مدرن 

Bufferbloat .A

B. مسئله Incast

C. تاخیر و بلاکینگ Head of Line

D. عملکرد در کانال‌ های بی سیم

3. پروتکل‌ های انتقال اخیر

A. یک ارتباط اینترنتی UDP سریع (QUIC)

B. پروتکل انتقال کنترل جریان (SCTP)

C. پروتکل کنترل ازدحام دیتاگرام (DCCP)

D. چالش ها و جهات پژوهشی

4. الگوریتم‌های کنترل ازدحام 

A. مکانیزم‌های مبتنی بر گم شدن بسته

B. مکانیزم‌های مبتنی بر تاخیر

C. مکانیزم مبتنی بر ظرفیت 

D. مکانیزم‌های ترکیبی 

E. رویکردهای یادگیری ماشین 

F. رویکردهای میان لایه‌ای 

G. شبکه مرکز داده و مسئله Incast

H. جهات پژوهشی و چالش‌های باز 

5. پروتکل‌های انتقال چند مسیره 

MPTCP .A    

منابع

Abstract

1. INTRODUCTION

2. TRANSPORT LAYER LIMITATIONS IN MODERN NETWORKS

A. Bufferbloat

B. The Incast issue

C. Latency and Head of Line Blocking

D. Performance on Wireless Channels

3. RECENT TRANSPORT PROTOCOLS

A. Quick UDP Internet Connections (QUIC)

B. Stream Control Transmission Protocol (SCTP)

C. Datagram Congestion Control Protocol (DCCP)

D. Open Challenges and Research Directions

4. CONGESTION CONTROL ALGORITHMS

A. Loss-based mechanisms

B. Delay-based mechanisms

C. Capacity-based mechanisms

D. Hybrid mechanisms

E. Machine learning approaches

F. Cross-layer approaches

G. Datacenter networks and the Incast issue

H. Open Challenges and Research Directions

5. MULTIPATH TRANSPORT PROTOCOLS

A. MPTCP

REFERENCES