في وقت سابق ، درسنا بالفعل تقنيات تخزين المعلومات الجديدة. بالإضافة إلى أهمية تخزين البيانات ، لا يزال بإمكانك نقلها. سمح تطور التكنولوجيا بإنشاء العديد من طرق نقل المعلومات. ويبدو أن هناك بالفعل كل ما تحتاجه ، يمكنك ببساطة تحسينه. ومع ذلك ، لن يكون العلماء علماء حقيقيين إذا لم يسعوا لاختراع شيء جديد. وهكذا حصلنا على تقنية VLC (اتصالات الضوء المرئي) - نقل البيانات عن طريق الضوء المرئي. تتميز هذه الطريقة بمزايا مثيرة للإعجاب وعيوب مخيبة للآمال. تمكن علماء من جامعة العلوم والتكنولوجيا الصينية من تحسين نظام VLC بفضل بروتوكول TCP الجديد الذي طوروه. كيف يعمل النظام الجديد ، وما هي إيجابياته وسلبياته ، وأيضاً مستقبله؟ سنحاول العثور على إجابات لهذه الأسئلة وغيرها. دعنا نذهب.
باختصار: ما هو VLC؟
VLC (Visible Light Communicatio) هي تقنية لنقل الضوء المرئي وهي جزء من OWC (الاتصالات اللاسلكية الضوئية). يبدو مثيرًا للإعجاب ومستقبليًا وحتى غير واقعي إلى حد ما. تحتوي جميع المنازل على مصابيح تضيء الغرف. تسمح هذه التقنية باستخدام هذا الضوء كقنوات نقل البيانات. لهذا ، يتم استخدام مجموعة معينة من الضوء المرئي - من 400 إلى 800 THz. اعتمادًا على نوع المصباح ، تتغير سرعة نقل البيانات أيضًا: مصباح فلورسنت - 10 كيلوبت / ثانية ، و LED - يصل إلى 500 ميجابت / ثانية. من أجل استقبال البيانات ، يجب أن يحتوي الجهاز على صمام ضوئي يلتقط الإشارات الضوئية. في بعض الحالات ، قد تكون كاميرا الهاتف الذكي كافية لذلك.
VLC هي تقنية واعدة للغاية. تطبيقه الأكثر وضوحا هو الحياة اليومية. يمكن أن تكون الأجهزة المزودة بهذه التقنية في المنازل الخاصة والشقق والأماكن العامة وما إلى ذلك. ومع ذلك ، هناك بعض العيوب التي تبطئ عملية تعميم تكنولوجيا VLC. هناك مهمة صعبة - "إجبار" نظام VLC على توفير ارتباط جيد (Uplink). لماذا هو صعب؟ أولاً ، الأجهزة المحمولة محدودة من حيث استهلاك الطاقة ولا يمكن تجهيزها بمصادر ضوئية كثيفة الطاقة. ثانياً ، لتشغيل نظام VLC يتطلب شعاع موجه "بوضوح". وفقًا لذلك ، لا تستطيع الأجهزة المحمولة التي نقوم بنقلها وتدويرها طوال الوقت استخدام تقنية VLC بالكامل.
تمثيل رسومي تقريبي لنظام VLC في الحياة اليوميةبالطبع ، في السنوات الأخيرة ، اقترحت مجموعات بحثية مختلفة استخدام الترددات الراديوية والأشعة تحت الحمراء وأجهزة الإرسال والاستقبال العاكسة لحل مشكلة الوصلة الصاعدة VLC على المستوى المادي. ومع ذلك ، بسبب النموذج غير المتماثل المستخدم في بناء أنظمة VLC باستخدام المناهج المذكورة أعلاه ، تنشأ مشاكل جديدة ، وهذه المرة مع توافق بروتوكولات المستوى الأعلى.
للقضاء على كل هذه العيوب والمشكلات ، كان على الباحثين إنشاء نظام VLC / Wi-Fi هجين: VLC downlink (downlink) و Wi-Fi uplink. هذا سمح باستخدام بروتوكول TCP القياسي. كل شيء يعمل كما هو متوقع ، ولكن لا تزال هناك مشكلة - الراحة والبساطة ، أو بالأحرى غيابها. مثل هذا النظام الهجين يتطلب معدات إضافية ، توجيه معقد ، ناهيك عن إعادة برمجة مأخذ خاص. كل هذا بالطبع سيصد المستخدم الذي يريد استخدام نظام فعال وسهل الاستخدام.
Detcقرر الباحثون البحث عن حلول لجميع المشاكل في بروتوكولات طبقة النقل. وفقا للعلماء ، فإن استخدام بروتوكول TCP القياسي غير فعال في نظام VLC الهجين. يقترحون استخدام DETCP (بروتوكول TCP المشترك المفصول) ، والذي يشارك في إرسال TCP ثنائي الاتجاه. أي أن دفق TCP واحد يمكن أن يستخدم اتصالين في وقت واحد: الاتصال الرئيسي كوصلة هابطة والاتصال الإضافي كوصلة صاعدة. وبالتالي ، سيسمح DETCP للمستخدم باستخدام VLC مع خط اتصال آخر لتشكيل نظام ثنائي الاتجاه هجين دون النظر إلى عدم التماثل. والبرمجة الإضافية للمآخذ والتوجيه الصعب ستغرق في النسيان.
اليوم ، تحتوي معظم المحطات الطرفية على عدة واجهات. لحل مشكلة الإرسال المتعدد ، اقترح فريق هندسة الإنترنت (IETF / Internet Engineering Council) تعديلًا لبروتوكول TCP يسمى
MPTCP - TCP متعدد المسارات (TCP متعدد المسارات). يسمح باتصال واحد لإرسال الحزم على مسارات متعددة في وقت واحد. قرر الباحثون في تقنية VLC تطبيق هذا التعديل على بروتوكولهم. كانت النتيجة
بروتوكول MP-DETCP .
أساسيات مفهوم بروتوكول DETCPبروتوكول بروتوكول النقل الأكثر شيوعًا هو بروتوكول TCP على وجه التحديد ، لأنه يسمح بنقل البيانات بشكل ثابت وموثوق. ومع ذلك ، هناك قيود - لن تتحقق جميع مزايا TCP بالكامل إلا إذا كان الاتصال المادي يجعل من الممكن استخدام نقل البيانات ثنائية الاتجاه بالكامل. في حالة VLC ، يمكن للنظام توفير ارتباط هابط فقط يؤدي إلى واجهة شبكة أحادية الاتجاه. لذلك ، لا يمكن لـ TCP الاستفادة الكاملة من جميع إمكانيات نقل البيانات.
تم إنشاء بروتوكول DETCP خصيصًا لحل هذه المشكلة ، أي لتنفيذ نقل البيانات على نظام هجين يتكون من اتصالين مستقلين ، سواء أحادي الاتجاه أو ثنائي الاتجاه أو مختلط.
وفقا للباحثين ، فإن أهم أهداف بروتوكول DETCP هي:
- فصل إرسالات TCP ثنائية الاتجاه إلى إرسالين أحادي الاتجاه يتمان على اتصالين ماديين مستقلين ووفقًا لإعدادات المستخدم ؛
- جعل البروتوكول قابلاً للتطبيق دون الحاجة إلى إجراء تغييرات على التطبيقات الموجودة التي تستخدم بروتوكول TCP القياسي.
هندسة الاتصاليتم استخدام المقبس بواسطة بروتوكول TCP القياسي لتحديد زوج من نقاط النهاية لكل مضيف. وبالتالي ، فإن الاتصال مرتبط باتصال مادي محدد ، يشير إليه المقبس. ومع ذلك ، في نظام أحادي الاتجاه مثل VLC ، لا يمكن لبنية اتصال TCP الحالية توفير نقل البيانات في كل اتجاه بين المضيفين بسبب حقيقة أن الاتصال أحادي الاتجاه لا يمكن أن يشكل تبادل / إرسال لبيانات الدائرة.
لحل هذه المشكلة ، يستخدم بروتوكول DETCP بنية اتصال مختلفة عن TCP. هناك اتصالان ماديان في هذا النظام مسؤولان عن TCP ، وهما مسؤولان بشكل مشترك عن الإرسال.
بنية DETCP (يمين) و TCP (يسار):- SIP (عنوان IP المصدر) - عنوان IP المصدر ؛
- OSIP (عنوان IP المصدر الأصلي) - عنوان IP المصدر الأساسي ؛
- CSIP (عنوان IP المصدر التكميلي) - عنوان IP المصدر الإضافي ؛
- DIP (عنوان IP للوجهة) - عنوان IP للوجهة ؛
- ODIP (عنوان IP للوجهة الأصلية) - عنوان IP للوجهة الأساسية ؛
- CDIP (عنوان IP للوجهة التكميلية) - عنوان IP للوجهة إضافي.
على مستوى الاتصال ، لا يزال نقل البيانات ثنائي الاتجاه ، ولكن على مستوى القناة يوجد إرسالان منفصلان موجهان في اتجاهات مختلفة.
تعريف الاتصالفي بروتوكول TCP القياسي ، يتم تحديد كل اتصال بواسطة 4 صفوف (عنوان المصدر ، منفذ المصدر ، عنوان الوجهة ومنفذ الوجهة). جوهر آلية التحكم هذه هو أنه يتم إنشاء اتصال TCP على اتصال واحد. وبما أن DETCP عبارة عن مزيج من اتصالين ، فإن هناك حاجة إلى مجموعة من 6 أبعاد (عنوان المصدر الأساسي وعنوان المصدر الإضافي ومنفذ المصدر وعنوان الوجهة الأساسي وعنوان الوجهة الإضافي ومنفذ الوجهة).
لكي يتوافق النظام مع المهمة الثانية التي حددها الباحثون لأنفسهم ، ظل هيكل المقابس دون تغيير. لذلك ، كان من الضروري إيجاد طريقة أخرى لتضمين عنوان إضافي على مكدس البروتوكول. لذلك ، تقرر استخدام ملف تكوين kernel. يمكن للمستخدم تحديد عناوين إضافية فيه ، والتي نفذت tuple 6-الأبعاد مع الزوج القياسي الرئيسي من المقابس والعناوين الإضافية. وبهذه الطريقة ، ضمنت DETCP التوافق مع بروتوكولات طبقة التطبيق.
بدء فتح وإغلاق اتصالعمليات بدء وإغلاق اتصال DETCP و TCP متشابهة جدًا. تم استخدام آلية "المصافحة" ، لأنها الأكثر فعالية. ومع ذلك ، تم إدخال تغييرين مهمين يميزان DETCP عن TCP:
- نظرًا لأن العنوان الثانوي المحلي غير معروف للمضيف البعيد قبل إنشاء الاتصال ، ولكل مضيف معلومات العنوان الكاملة مطلوبة لإجراء نقل مقسم ، تمت إضافة معلمة TCP لإعلام المضيف البعيد بالعناوين الإضافية أثناء عملية بدء الاتصال.
- يتم عرض خاصية الفصل في كل من مرحلة بدء الفتح وفي مرحلة إغلاق الاتصال. تُظهر الصورة أدناه عملية المصافحة ثلاثية الاتجاهات ، المنسقة بواسطة مجموعة ثلاثية الأبعاد.
مصافحة ثلاثية الاتجاه ، منسقة بواسطة tuple 6-الأبعاد ، في مرحلة بدء فتح الاتصالنقل البياناتللتأكد من صحة عملية الفصل أثناء نقل البيانات ، عندما تكون الحزمة التالية جاهزة للإرسال ، يجب تغيير اتجاه الاتصال الحالي. إذا كان هذا الاتجاه من مضيف بعيد إلى مضيف محلي ، فسيتم الإرسال عبر اتصال إضافي.
في عملية الحصول على البيانات ، هناك مشكلة يجب معالجتها. إذا كانت النواة تستخدم العنوان الذي تم تلقيه عن طريق التحليل من رأس IP مباشرة على الحزم الواردة لإزالة تعدد الإرسال ، فقد تكون مرتبطة باتصال DETCP خاطئ.
على سبيل المثال ، يرسل الخادم حزمة بيانات إلى العميل من خلال الوصلة الهابطة ، ويرسل العميل الاستجابة عبر الوصلة الصاعدة. في مثل هذه الحالة ، تكون العناوين المتلقاة من الاستجابة هي عناوين الوصلة الصاعدة ، وبالنسبة للخادم ، يتم توصيل الاتصال بعناوين الوصلة الهابطة. يؤدي عدم التطابق هذا إلى أخطاء في الحزمة. ولتجنب مثل هذه المشاكل ، أضاف الباحثون خيار TCP.
تشغيل بروتوكول DETCPتحتاج أولاً إلى تكوين الواجهة. يسمح بروتوكول DETCP للمستخدم بتعيين اتجاه لواجهة محددة ("Out" ، "In" ، "Two-Way") من خلال ملف التكوين. عندما يتم إعداد الواجهة المرتبطة بالمقبس كواجهة أحادية الاتجاه ، يحتاج المستخدم إلى تعيين واجهة أخرى كواجهة إضافية. يحدد الجمع بين جميع الواجهات الأربعة عملية الاتصال بأكملها.
مخطط حالة DETCP (باستخدام اتصال إضافي على اليسار لإرسال الحزم ، على اليمين - الاتصال الرئيسي لإرسال الحزم)في نهاية الفقرة السابقة ، نتحدث عن استخدام خيار TCP معين. هذا الخيار هو CPT_ADDR ، تم إنشاؤه خصيصًا لضمان عملية نقل البيانات الصحيحة.
تتكون كل رزمة مرسلة من:
- SYN (العميل إلى الخادم) - عنوان IP إضافي للعميل ؛
- SYN / ACK (خادم إلى عميل) - عنوان IP الإضافي للخادم.
يعمل مبدأ الفصل في جميع مراحل نقل البيانات (بدء فتح اتصال ونقل البيانات وبدء إغلاق اتصال).
بدء فتح اتصال:- SYN (العميل إلى الخادم) - الاتصال الرئيسي ؛
- SYN / ACK (خادم إلى عميل) - اتصال إضافي ؛
- ACK (العميل بالخادم) هو الاتصال الرئيسي.
نقل البيانات:- الحزم من العميل إلى الخادم - الاتصال الرئيسي ؛
- الحزم من الخادم إلى العميل - اتصال إضافي.
إغلاق الاتصال:- FIN (العميل إلى الخادم) - الاتصال الرئيسي ؛
- ACK (خادم إلى عميل) - اتصال إضافي ؛
- FIN (خادم إلى عميل) - اتصال إضافي ؛
- ACK (العميل بالخادم) هو الاتصال الرئيسي.
الاختبار التجريبي وتقييم النتائج
مظهر تنفيذ النظام الهجينبالنسبة لاختبارات بروتوكول DETCP و MP-DETCP ، تم تنفيذها في نواة Linux. يتكون النظام الهجين من VLC (كوصلة هابطة ، 20 م) واتصال إيثرنت (كوصلة صاعدة ، 100 م). تم تعيين عرض النطاق الترددي لجميع القنوات المتصلة بجهاز التوجيه ونظام VLC على 100 ميغابت في الثانية.
طوبولوجيا شبكة DETCP: في الأعلى هو ارتباط إضافي ، في الأسفل هو ارتباط VLC هابط.
طوبولوجيا شبكة MP-DETCP:- المركبات A و D - الوصلة الهابطة VLC ؛
- المركبات B و E هي مركبات إضافية ؛
- التوصيلات C و F عبارة عن تدفق فرعي لشبكة Ethernet.
اختبار الإتاحةأولاً ، كان من الضروري التحقق مما إذا كان بإمكان DETCP استخدام النطاق المتاح بشكل فعال في بيئة نظام هجين. من أجل اختبار استقرار DETCP مقابل الأداء الضعيف للاتصالات الإضافية ، تم تكوين الوصلة الصاعدة للعميل بحيث فقدت بعض حزم البيانات. هذا نوع من اختبار الضغط.
يوضح الرسم البياني أعلاه الأداء العالي والكفاءة لـ DETCP في النظام الهجين. تم استخدام سعة القناة بنسبة 95٪ ، في حين لم يتم الكشف عن فقدان الحزمة. عندما كانت النسبة المئوية لفقدان الرزمة من 0.5 إلى 2.0 ، انخفضت درجة استخدام القناة إلى 92٪. ومع ذلك ، ظلت DETCP مستقرة وفعالة. فقط مع زيادة نسبة فقدان الحزمة إلى 5 ، بدأ أداء DETCP في الانخفاض بشكل كبير.
استنتاج الاختبار هو أن استخدام DETCP فعال في الأنظمة الهجينة ، وأن التوصيلات الإضافية ، على الرغم من أنها تؤثر على صورة الأداء العام ، غير مهمة للغاية. مع زيادة تحسين النظام ، يمكن تقليل هذه الآثار السلبية إلى الحد الأدنى.
عوامل الأداءلاختبار النظام و DETCP ، من الضروري ، أولاً وقبل كل شيء ، تحديد العوامل التي ستؤثر على أدائهم. باستخدام هذه العوامل ، يمكنك أن ترى كيف ستتغير الإنتاجية.
العامل رقم 1: فقدان الحزمتم تكوين الواجهة بحيث يتم فقدان من 0٪ إلى 4٪ من حزم البيانات بشكل عشوائي.
كما يتضح من الرسم البياني أعلاه ، ينخفض معدل النقل بشكل خطي مع زيادة في النسبة المئوية للحزم المفقودة. وكشف أيضًا أنه مع معدل فقدان الحزمة الكبير ، تزداد درجة التباين في قراءات القياسات المتكررة ، ويصبح متوسط معدل الإرسال غير مستقر.
العامل رقم 2: تأخير نقل البياناتللتحقق من تأثير هذا العامل ، تم تعيين التأخير من 0 إلى 100 مللي ثانية.
يوضح الرسم البياني أعلاه العلاقة بين عرض النطاق الترددي وتأخير نقل البيانات. عندما يكون الأخير أقل من 20 مللي ثانية ، يكون عرض النطاق ثابتًا ويتم استخدام عرض النطاق بالكامل. إذا وصل التأخير إلى 50 مللي ثانية ، فسيتم تقليل متوسط الإنتاجية بشكل كبير. مع تأخير قدره 100 مللي ثانية ، ينخفض معدل النقل بنسبة تصل إلى 35٪ ، ويصبح إرسال الرزم غير مستقر.
العامل 3: إعادة ترتيب الحزمعامل التحقق النهائي هو إعادة ترتيب الحزم: سيتم تأجيل بعض الحزم ، والبعض الآخر ، إذا جاز التعبير ، في الوقت المناسب.
يوضح الرسم البياني أعلاه العلاقة الصريحة بين عرض النطاق الترددي وإعادة ترتيب الحزم. أظهرت جميع الاختبارات انخفاضًا كبيرًا في الإنتاجية. ومع ذلك ، مع زيادة التأخير ، لم يحدث الانخفاض خطيًا. لذلك مع تأخير قدره 10 مللي ثانية ، ونسبة الحزم المعاد ترتيبها هي 5٪ ، يحدث انخفاض في الإنتاجية بشكل تدريجي وغير ذي أهمية. ومع ذلك ، انهارت المؤشرات ببساطة عند 10٪ أو 20٪.
تتوافق معدلات الخرج عند 5٪ من الحزم المعاد ترتيبها مع تأخير 10 مللي ثانية تقريبًا للمؤشرات عند 10٪ وتأخيرًا يبلغ 5 مللي ثانية أو 20٪ وتأخيرًا يبلغ 2 مللي ثانية.
في الختام ، من أجل تشغيل مستقر وفعال للنظام ، يحتاج إلى التحكم في عدد الحزم المعاد ترتيبها ووقت التأخير.
إذا ساء أداء VLC للوصلة الهابطة في نظام حيث يتم تقديم الارتباط العلوي كاتصال ثنائي الاتجاه ، مثل البيع بالجملة أو Wi-Fi ، فمن الجدير التفكير في إمكانية العودة إلى استخدام TCP القياسي أحادي الاتجاه الذي يعمل على الوصلة الصاعدة. يمكن أن يكون هذا طريقة فعالة لتحسين موثوقية النظام عندما ينخفض أداء VLC للوصلة الهابطة بشكل كبير.
مقارنة الأداءتتمثل إحدى المهام الرئيسية للتعددية في زيادة الإنتاجية. يختبر هذا الاختبار MP-DETCP و DETCP تحت نفس ظروف الاتصال. يتم تسجيل النتائج عندما يختلف معدل فقدان البيانات من 0٪ إلى 4٪.
يوضح الرسم البياني أعلاه أنه على الرغم من أن أداء VLC أقل من DETCP ، إلا أن MP-DETCP لا يزال يظهر معدل استخدام مرتفع. عند إرسال البيانات دون فقدان الحزمة ، يتم تحقيق معدل 115 ميجابت في الثانية ، مما يؤكد قدرة MP-DETCP على توفير اتصال يتسم بالكفاءة والفعالية. مع زيادة معدل فقدان الحزمة ، يتم تقليل إنتاجية VLC بشكل كبير. في هذا الوقت ، ينخفض اتصال Ethernet نفسه بشكل طفيف. ومع ذلك ، ظلت الإنتاجية الإجمالية عند مستوى مرتفع إلى حد ما. هذا يعني أنه في حالة تلف اتصال VLC وحظره ، سيتم إكمال نقل البيانات على اتصال آخر.
نتائج الباحثينلحل مشكلة نقل البيانات في نظام VLC ، اقترح الباحثون استخدام بروتوكول DETCP لفصل الإرسال ثنائي الاتجاه. وبناءً على ذلك ، يمكن القول أن استخدام MP-DETCP سيحسن أداء نظام VLC الهجين.
اجتاز بروتوكولي DETCP و MP-DETCP بنجاح اختبارات الأداء والموثوقية ، مما يدل على فعالية فصل الاتصال.سيكون تنفيذ البروتوكولات الجديدة بمثابة الأساس لمزيد من البحث حول تقنيات الشبكة. بما في ذلك البحث في مجال تهجين المركبات المادية المختلفة للحصول على أنظمة ذات درجة عالية من الأداء والإنتاجية.مطلعون على تفاصيل الأبحاث، يمكنك الإبلاغ عبر هذا الرابطخاتمةتتطلب أي تقنية "تلميع" قبل أن يمكن تسميتها فعالة. في حالة البروتوكولات الجديدة DETCP و MP-DETCP ، لا يزال العمل كثيرًا. ومع ذلك ، يمكن بالفعل أن تسمى النتائج التجريبية مثيرة للإعجاب. يحظى نظام VLC الآن بشعبية كبيرة بين الباحثين ، ولكن ليس بين المستخدمين. قد يتغير ترتيب الأشياء هذا في السنوات القادمة. ومن ثم لن يعني المصباح المنفوخ ليس فقط نقص الإضاءة ، ولكن أيضًا الإنترنت.شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ هل تريد رؤية مواد أكثر إثارة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ،
خصم 30 ٪ لمستخدمي Habr على نظير فريد من خوادم مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 نوى) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر الخيارات مع RAID1 و RAID10 ، حتى 24 مركزًا وحتى 40 جيجابايت DDR4).
ديل R730xd أرخص مرتين؟ فقط لدينا
2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV من 249 دولارًا في هولندا والولايات المتحدة! اقرأ عن
كيفية بناء مبنى البنية التحتية الطبقة باستخدام خوادم Dell R730xd E5-2650 v4 بتكلفة 9000 يورو مقابل سنت واحد؟