Модернізація стеку протоколів TCP/IP для роботи у мережах з низькою пропускною здатністю

Размещено на http://www.allbest.ru/

Модернізація стеку протоколів TCP/IP для роботи у мережах з низькою пропускною здатністю

Айзенберг Євген Аркадійович магістр кафедри комп'ютерної інженерії факультету радіофізики, електроніки та комп'ютерних систем, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, професійна кваліфікація: молодший науковий співробітник (обчислювальні системи), інженер з комп'ютерних систем

Анотація

Наведено короткий опис реалізації комунікаційної системи з використанням технології зв'язку LoRa для обміну інформацією у надзвичайних ситуаціях, окрім цього, ще одним її призначенням є збільшення зони роботи численних IoT-пристроїв. Описано два варіанти організації мережевої взаємодії простроїв системи, розглянуто переваги кожного варіанту та труднощі, які виникають при імплементації стеку протоколів TCP/IP у мережах з низькою пропускною здатністю. Висловлено припущення, що шляхом деяких замін протоколів на більш прості, спрощень, можна зробити стек придатним для роботи у вищезгаданих мережах. На основі статистики щодо розподілу типу Інтернет-трафіку в світі зроблено висновок щодо необхідності дослідження проблеми на прикладі реалізації HTTP API-сервера. Для визначення найбільш ефективного алгоритму стиснення проведене невелике дослідження з різними комбінаціями "представлення - алгоритм стиснення", способи представлення даних були наступні: JSON, CBOR, Msgpack, а алгоритми стиснення - Deflate, Bzip2, Zstd, Lzma, на основі результатів якого була обрана комбінація, яка застовувалася у перевірці. Запропоновано стек протоколів, придатний для мереж з низькою пропускною здатністю, який включає такі протоколи та алгоритми як JSON, Deflate, CoAP, Noise, UDP. Наведено детальний опис переваг кожної складової в порівнянні з відповідником у стеці TCP/IP, недоліків останніх. Наведено опис замін та особливостей запропонованого стеку. Проведено порівняння об'ємів передаваних даних при реалізації одного запиту за допомогою ПЗ Wireshark. Написано допоміжне програмне забезпечення для оцінки і порівняння стеків протоколів, яке працює у двох режимах, наведено опис файлів програм. В ході тестування отримано результат економії від 20% до 86.5% в залежності від режиму роботи.

Ключові слова: комунікаційна система, пристрій, LoRa, стек протоколів, TCP/IP, UDP, CoAP, HTTP, Noise, TLS, Deflate, JSON, API.

Aizenberh Yevhen Arkadiiovych Master's Degree at Computer Engineering department, Faculty of Radio physics, Electronics and Computer Systems, Taras Shevchenko National University of Kyiv, Professional Qualification: Junior Research Fellow (computing systems), Engineer in Computer Systems

TCP/IP PROTOCOL STACK UPGRADE FOR LOW BANDWIDTH NETWORKS

A brief description of the implementation of a communication system using LoRa communication technology for information exchange in emergency situations is provided. Additionally, another purpose of this system is to expand the coverage area for numerous IoT devices. Two variants of network interaction organization for system devices are described, advantages of each variant are considered, and challenges arising from implementing the TCP/IP protocol stack in low-bandwidth networks are discussed. An assumption is made that by replacing certain protocols with simpler, streamlined alternatives, the protocol stack can be made suitable for operation in the aforementioned networks. Based on statistics regarding the distribution of Internet traffic types worldwide, a conclusion is drawn about the need to study the problem through the implementation of an HTTP API server. A small study was conducted to determine the most effective compression algorithm through various combinations of "representation - compression algorithm," with the following data representations: JSON, CBOR, Msgpack, and compression algorithms: Deflate, Bzip2, Zstd, Lzma. A combination was selected based on the results and applied in the evaluation. A protocol stack suitable for low-bandwidth networks is proposed, which includes protocols and algorithms such as JSON, Deflate, CoAP, Noise, UDP. Detailed descriptions of the advantages of each component in comparison to its counterpart in the TCP/IP stack and their shortcomings are provided. Descriptions of substitutions and features of the proposed stack are given. A comparison of data transmission volumes for implementing a single request using Wireshark software is conducted. Auxiliary software for assessing and comparing protocol stacks was developed, functioning in two modes, and descriptions of the program files are provided. During testing, results showed savings ranging from 20%ЃZ to 86.5%ЃZ, depending on the operational mode. стек пропускний мережевий

Keywords: communication system, device, LoRa, protocol stack, TCP/IP, UDP, CoAP, HTTP, Noise, TLS, Deflate, JSON, API.

Постановка задачі. В рамках виконання дипломної роботи магістра було досліджено технологію зв'язку LoRa та використано її для комунікації користувачів. Був розроблений пристрій, маючи який користувачі можуть надсилати один одному текст та медіа подібно до того, як це відбувається в месенджерах Telegram, Viber, WhatsApp тощо. Також архітектурно закладалася можливість, щоб пристрій окрім функції месенджера міг бути одноканальним LoRaWAN-шлюзом для різноманітних кінцевих пристроїв з модуляцією LoRa. Проект отримав назву LoRaMobGate (Мобільний LoRa-шлюз).

В подальшому з'явилося більш детальне бачення того, що цей пристрій буде з себе представляти. Для максимального здешевлення та спрощення конструкції обробка даних відбувається не на самому пристрої, а на головній ЕОМ (далі - "хост"), хост - це обчислювальна потужність, що використовується пристроєм. Отже, пристрій виконано у форматі приставки до смартфона/ноутбука/комп'ютера. Спеціальне програмне забезпечення на хості містить всю логіку роботи та опрацьовує дані - обчислювальні потужності сучасних смартфонів та ноутбуків значно перевищують ті, що необхідні для роботи створеного ПЗ. Схематично складові частини системи та їх взаємодія показані на рис. 1.

Оскільки тематика цієї статті пов'язана з подальшими дослідженнями створеної системи, більш детальну інформацію про хід процесу реалізації пристрою, задачі та способи їх розв'язання, схему, друковану плату та ПЗ пристрою, ПЗ хоста, опис та програмну реалізацію протоколу прикладного рівня взаємодії пристрою та хоста наведені за посиланнями [1] та [2].

Рис.1 Основні компоненти системи та їх взаємодія

Одним з векторів подальшого розвитку вищезгаданої системи є інтеграція Мережі з мережею Інтернет. Це може надати нові можливості та підвищити значимість системи у надзвичайних ситуаціях, наприклад, у випадку відсутності доступу до мережі Інтернет можна буде отримати його за допомогою Мережі системи. Враховуючи великий радіус дії модуляції LoRa, це можна буде зробити на великих відстанях, використовуючи радіорелейний зв'язок пристроїв. З технічної точки зору це може бути реалізовано шляхом інкапсуляції пакетів TCP/IP у пакет Мережі, проте цей варіант створює завади подальшої інтеграції з мережею Інтернет та передачу зайвих, дубльованих за типом даних.

Альтернативним варіантом інтеграції є приведення мережевого стеку системи до стану сумісності з TCP/IP або заміна окремих його компонентів на аналогічні з цього стеку. Проте використання стеку TCP/IP з його стандартним набором протоколів у мережах з низькою пропускною здатністю є нераціональним та важким завданням через великі обсяги передаваних його складовими даних. Для вирішення цієї проблеми постала необхідність модернізації стеку TCP/IP для роботи у мережах з низькою пропускною здатністю та з високим відсотком втрат.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Проблематика використання стеку протоколів TCP/IP у мережах з обмеженими ресурсами (зокрема для потреб ЮТ) широко висвітлена у літературі. Авторами пропонуються різні способи адаптації цього стеку, які умовно можна поділити на три категорії. Кожен підхід до вирішення проблеми має свої переваги, свою складність імплементації та кінцеву ефективність.

Перша з цих категорій є найбільш поширеною серед публікацій і включає різноманітні техніки стиснення заголовків протоколів та їх спрощення шляхом виключення певних полів. Такий підхід, наприклад, описується у роботі Mikael Degermarkt, Mathias Engant Bjorn Nordgren та Stephen Pinkt "Low-loss TCP/IP Header Compression for Wireless Networks".

У публікаціях другої категорії пропонується замінити окремі протоколи на більш економічні і таким чином зекономити на передаваних даних. Наприклад, Manveer Joshi, Bikram Pal Kaur у своїй статті "CoAP Protocol for Constrained Networks" пропонують замінити протокол передачі даних HTTP на CoAP, а транспортний протокол з гарантованою доставкою TCP замінити на UDP.

Автори третьої категорії публікацій пропонують глибокі модифікації складових стеку або навіть заміну самого стеку в цілому. Так, у статті "Improvement of TCP Performance based on Characteristics of Private LoRa Interface" Jumpei Sakamoto та інші дослідники висувають ідею суттєвої трансформації TCP-протоколу з огляду на мережі з низькою пропускною здатністю (на прикладі модуляції LoRa). А у статті "Challenges in IoT Networking via TCP/IP Architecture" Wentao Shang, Yingdi Yu, Ralph Droms та Lixia Zhang порушують питання суттєвого переосмислення стеку та підходів, що використовуються в IOT.

Мета статті - модернізація стеку мережевих протоколів TCP/IP шляхом заміни протоколів на більш сумісні для роботи у мережах з низькою пропускною здатністю та подальшого його використання для організації обміну даними між терміналами комунікаційної системи.

Пропонований стек протоколів для мереж з низькою пропускною здатністю. Під час проектування архітектури системи LoRaMobGate розглядалися два можливих варіанти організації обміну даними між терміналами: розробка власного стеку протоколів з використанням інкапсуляції пакетів мережі Інтернет або адаптація широко використовуваного стеку протоколів TCP/IP для взаємодії з модуляцією LoRa. Був обраний перший варіант, оскільки на той момент функціональні вимоги не включали інтеграцію з мережею Інтернет. З іншого боку вибір другого варіанту спростив би реалізацію такого завдання. Типовий пакет Ethernet займає близько 1500 байтів і для модуляції LoRa це нераціонального багато. Але тим не менш з деякими спрощеннями та замінами, про які далі піде мова, все ж можна адаптувати вищезгаданий стек протоколів для ефективної роботи у мережах з низькою пропускною здатністю, використовуючи стек протоколів, складові якого наведені у таблиці 1.

В останні роки стпостерігається швидке поширення та інтенсивний розвиток Інтернет-пов'язаних додатків. Незалежно від їх призначення повсякденне життя стає все тісніше пов'язаним з системами, підключеними до глобальної мережі. Разом з тим значного поширення набули API-сервіси - за даними Cloudflare у 2021-ому році (перший тиждень грудня) трафік API-сервісів склав 54% від загального трафіку, ставши до того ж найбільш швидкозростаючим типом трафіку (+21% за рік) [3]. Така популярність API- інтерфейсів пов'язана зі зручністю у проектуванні систем (через розділення серверної та зовнішньої частин) та великими можливостями інтеграції. З огляду на вищесказане, у порівнянні мережевих стеків буде розглядатися емуляція роботи API-сервера, який використовує HTTP+JSON для обміну даними.

Порівняння протоколів у стеках

Таблиця 1

У таблиці 1 наведене порівняня протоколів, що застосовуються у стеках відповідно до рівнів моделі OSI [4]. У обох варіантах на прикладному рівні фігурує формат обміну даними JSON з єдиним нюансом, що у запропонованому стеку для економії даних при конвертації (дампі) у байтовий рядок з кодуванням UTF-8 вилучаються символи пробілу, які покращують читабельність даних. Для цього, наприклад, у мові програмування Python вказують такий додатковий аргумент: json.dumps(data, separators=(^,,',

Представлення та стиснення даних. Для визначення найбільш ефективного алгоритму стиснення було проведене невелике дослідження з різними комбінаціями "представлення - алгоритм стиснення", способи представлення даних були обрані наступні: JSON, CBOR, Msgpack, а алгоритми стиснення - Deflate, Bzip2, Zstd, Lzma [5]. Був обрахований відсоток "економії" - відсоткова різниця розміру оригінальних даних та стиснених. В ролі останніх виступали 150 відформатованих файлів JSON розміром від 15 до 2650 байтів, згенеровані випадковим чином за допомогою сервісу codebeautify.org. Ці ж файли будуть використані далі у тестуванні запропонованого стеку як дані, що надаються АРІ-сервером.

Рис. 2 Порівняння різних комбінацій представлення та стиснення

Отримані результати показані на рис. 2. Вісь абсцис - розмір оригінальних даних у байтах, вісь ординат - відсоток економії. Ліва частина рисунку показує загальну картину, а права частина деталізує результати у діапазоні розмірів даних до 150 байтів. Попри очікування найкращих результатів у комбінацій з новим алгоритмом стиснення Zstd, найкращою виявилася пара "JSON+Deflate". З отриманих результатів видно, що на вкрай малих об'ємах даних усі розглянуті алгоритми стиснення не працюють ("економія" від'ємна), особливо погано спрацював алгоритм Lzma (-400%, тобто стиснуті дані займають у 5 разів більше місця, ніж нестиснуті). Але така поведінка спостерігається тільки до 40 байтів - після цієї відмітки алгоритми Deflate та Zstd починають стискати, а після 250 байтів - усі. В цілому після 1200 байтів усі досліджені алгоритми стискають з економією у проміжку 40-50%. Зважаючи на результати дослідження, було прийнято рішення використовувати формат даних JSON та алгоритм стиснення Deflate.

Протокол прикладного рівня передачі даних. CoAP (Constrained Application Protocol) - спеціалізований протокол інтернет-додатків для пристроїв з обмеженими ресурсами, як визначено в RFC 7252, і дозволяє пристроям спілкуватися через Інтернет. Протокол особливо орієнтований на обладнання з обмеженими ресурсами, таке як 8-бітні мікроконтролери, датчики низької потужності та аналогічні пристрої, які не можуть працювати з HTTP або TLS. Це спрощення протоколу HTTP, що працює через UDP, що допомагає зберегти пропускну здатність. Він призначений для використання у пристроях в межах однієї обмеженої мережі (наприклад, малопотужної або мережі з великим відсотком втрат), між пристроями та загальними вузлами в Інтернеті, а також між пристроями у різних обмежених мережах, які об'єднані мережею Інтернет. CoAP надає модель взаємодії "запит/відповідь" між кінцевими точками застосувань, підтримує вбудоване виявлення сервісів і ресурсів, і включає ключові концепції Web, такі як URI та MIME-типи. CoAP призначений для зручної взаємодії з HTTP для інтеграції з Web, задовольняючи спеціалізованим вимогам, таким як підтримка multicast, дуже низькі накладні витрати та простота для обмежених середовищ [6].

Формат повідомлення CoAP

Таблиця 2