Оптимізація стеку TCP для підвищення продуктивності мережі в хмарній інфраструктурі
Автор: Шеремета Олександр Віталійович
Кваліфікаційний рівень: магістр (ОНП)
Спеціальність: Телекомунікації та радіотехніка (освітньо-наукова програма)
Інститут: Інститут телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2022-2023 н.р.
Мова захисту: українська
Анотація: Хмарні інфраструктури є дуже важливими для бізнесу та організацій у наш час. Вони дозволяють зберігати та обробляти великі обсяги даних, забезпечуючи доступність та ефективність роботи. Вони повинні забезпечувати високий рівень продуктивності та ефективності для забезпечення швидкого та безперебійного доступу до даних та сервісів. З кожним роком обсяги даних, що обробляються в хмарних мережах, зростають, що призводить до збільшення використовуваних ресурсів. Окрім того, з’являється багато нових додатків та сервісів, які вимагають мінімальних затримок при передачі даних. Саме тому мережевий стек є одним з ключових компонентів хмарної інфраструктури, що відповідає за передачу даних по мережі [1]. Його оптимізація є необхідною для забезпечення високого рівня продуктивності. Оптимізації стеку TCP в хмарних інфраструктурах дає змогу добитись зменшення ризику атак на мережу, таких як DDoS-атаки, та забезпечити кращий захист від зловмисників. А також може допомогти знизити вартість розгортання та підтримки хмарної інфраструктури, зменшивши навантаження на мережу та підвищивши її продуктивність [2]. Існує велика кількість різноманітних метотів оптимізації стеку протоколів TCP/IP. Однак не достатня увага приділяється питанню дослідження оптимізації стеку в хмарній інфраструктурі з застосування автоматичного розгортання конфігурації, яке розглядається в даній роботі. Об’єкт дослідження – мережевий стек TCP в хмарних інфраструктурах, з автоматичним розгортанням конфігурації на віртуальних машинах для дослідження. Предмет дослідження – оптимізація мережевого стеку TCP з метою підвищення продуктивності мережі в хмарних інфраструктурах. Мета роботи та завдання дослідження. Метою магістерської кваліфікаційної роботи є аналіз проблем, що впливають на продуктивність мережі в хмарних інфраструктурах та оптимізація мережевого стеку TCP для підвищення продуктивності мережі. Для того щоб досягнути мети роботи, потрібно виконати наступні завдання: 1. Здійснити аналіз мережевого стеку TCP в хманій інфраструктурі, та проблем які впливають на продуктивність мережі. 2. Дослідити різні варіанти оптимізації мережевого стеку TCP та надати оптимальні налаштування для покращення роботи. 3. Дослідити вплив методів обробки черг на оптимізацію мережевого стеку TCP 4. Експериментально перевірити ефективність методів оптимізації стеку на реальних хмарних інфраструктурах. Методи дослідження. У ході виконання роботи проведено аналіз наукової літератури, проведедено експериментальні дослідження на робочому стенді, З метою визначення оптимальних параметрів мережевого стеку для хмарної інфраструктури будуть проведені експериментальні тести при різних умовах. Наукова новизна дослідження полягає в тому, що воно спрямоване на вирішення актуальної проблеми оптимізації мережевого стеку TCP в хмарній інфраструктурі з метою підвищення продуктивності мережі. В роботі будуть використані сучасні методи дослідження, зокрема експериментальні дослідження, методи автоматичного розгортання та методи статистичних експериментів. Отримання результатів дослідження дозволить запропонувати рекомендації щодо оптимального налаштування мережевого стеку TCP в хмарних інфраструктурах, що забезпечить підвищення продуктивності надання послуг та ефективного використання ресурсів хмарної інфраструктури. Таким чином, дослідження є важливим кроком у розвитку хмарних технологій та підвищенні ефективності їх використання в сучасних умовах. У першому розділі роботи розглянуто історію розвитку стеку протоколу TCP/IP, що дозволяє зрозуміти важливість цього протоколу та його вплив на сучасні мережі. Також надано огляд TCP/IP стеку протоколів та їх функціональні особливості, зокрема аналіз алгоритмів керування перевантаженням в TCP- протоколах та механізмів керування транспортними з’єднанями. Також було здійснено огляд мережевих технологій та протоколів в операційній системі на базі ядра Linux. У другому розділі дипломної роботи розглянуто хмарні інфраструктури [3] та їх моделі обчислень, включаючи переваги використання хмарних інфраструктур. Проведено порівняльний аналіз методів обробки черг [4] в мережевому стеку хмарних інфраструктур. Також описано роль віртуалізації в хмарних інфраструктурах, зокрема її особливості та забезпечення цілісності даних при передачі. У третьому розділі розглянуто набір програмних засобів які викорисовуються для проведення дослідження. Описано Proxmox як хмарне середовище, а також утиліти командного рядка які дозволяють провести тестування пропускної здатності мережі, завантаженості операційної системи та допомагають виявити несправності в роботі системи. Розглянуто протокол WireGuard як реалізації технології VPN. Який в подальшій роботі буде використаний як приклад сервісу для оптимізації. Також описано оптимізацію мережевих ресурсів за допомогою інструментів traffic control та зміни параметрів ядра операційної системи, а також вибору максимального пакету передачі (MTU). У четвертому розділі проведено дослідження пропускної здатності операційної системи на базі ядра Linux (Debian 11), при встановлених параметри за замовчуванням. Встановлені часові проміжки, коли найбільше навантаження припадає на хмарну інфраструктуру, що має вплив на швидкість передачі даних.. Також визначено вплив різних типів черг на трафік пакетів з різним контентом. Обгрунтовано рішення використання оптимізації мережевих ресурсів за допомогою інструментів traffic control з використанням типу черги HTB та зміни параметрів ядра операційної системи, а також вибору оптимального розміру пакету передачі (MTU).