CC BY
86
Метод быстрой передачи большого объема данных с гарантированной доставкой множеству устройств, находящихся в одной локальной сети
Федоров П.В., Корниенко В.В., Бородин Д.С. МГТУ им. Н.Э.Баумана dafferrus@gmail.com, demansen@yandex.ru
Аннотация
Описан метод передачи большого объема (от 1 гигабайта) данных множеству устройств (от 6 ЭВМ) с гарантированной доставкой передаваемой информации. Поэтапно рассмотрены особенности серверной и клиентской части способа трансляции трафика в локальных сетях. Представлены схемы работы метода относительно клиентской и серверной реализации. Данная архитектура обусловлена использованием двух методов передачи: групповая передача и передача данных в одноранговых сетях с использованием протокола ВйТоггеШ. Выполнен расчет времени доставки данных всем компьютерам ЛВС предложенным способом. Получена экспериментальным путем практическая скорость передачи трафика. Проведено исследование предложенного метода с существующими решениями. В ходе экспериментов получено, что решение обладает преимуществами в случае, когда в передачи данных участвуют от 5-6 клиентов. Из исследований получено, что количество недошедших пакетов данных до клиентов, составляет всего 20% от общего объема данных.
1 Введение
В офисах, учебных заведения и в большинстве компаний присутствует большое количество компьютеров. Все эти устройства необходимо обслуживать: обновлять при необходимости, восстанавливать после технического сбоя. Однако при увеличении числа вычислительных машин, задача обслуживания становится довольно затратной. В качестве решения предлагаются системы резервного копирования и восстановления. Последние позволяют создать и записать на носитель одного устройства образ жесткого диска, раздела или операционной системы с последующей установкой на другие. Такой подход позволяет уменьшить затраты на обслуживание компьютеров, благодаря копированию информации с одного устройства на множество других,
находящихся с ним в одной локальной сети. Системы резервного копирования и восстановления передают данные в сети различными способами. К методам передачи данных множеству устройств предъявляется ряд требования: быстрая передача данных всем участникам сети, гарантированная доставка информации каждому конечному узлу, большой объем передаваемых данных (от 1 гигабайта). Существующие решения не учитывают специализацию систем. Передача данных с помощью TCP/IP соединения приводит к последовательной трансляции информации с одного устройства на другое, что ведет к увеличению времени работы системы пропорционально количеству клиентов. Использование протокола UDP обеспечит высокую скорость передачи данных, однако не гарантирует доставку информации до клиента.
Целью данной работы является разработка метода обеспечивающего гарантированную доставку большого объема данных (от 1 гигабайта) при сохранении высокой скорости передачи устройствам, находящимся в одной локальной сети. Предлагаемое решение позволит системам резервного копирования и восстановления передавать образы операционных систем или дисков с минимальными временными затратами. Для достижения цели необходимо решить задачу объединения существующих методов доставки данных для уменьшения времени передачи данных.
2 Описание разработанного метода
Для решения поставленной задачи, предлагается использовать два метода передачи: групповое вещание и использование одноранговых сетей. Групповое вещание обеспечивает быструю передачу данных в сети, так как использует протокол UDP [Laxman, 2018]. Одноранговая сеть позволяет гарантированно передавать данные между всеми участниками передачи с помощью протокола BitTorrent. Рассмотрим архитектуры клиентской и серверной части метода и их этапы.
Рис. 1. Схема работы метода передачи данных
2.1 Архитектура серверной части
На сервер возлагается основная часть передачи данных. Процесс передачи данных осуществляется в несколько этапов (рисунок 2):
Рис. 2. Алгоритм работы серверной части
1. Подготовка сервера
На данном этапе необходимо задать настройки сервера, файл который будет передан участникам. Для отправляемых данных подсчитываются контрольная сумма, и производится фрагментация. На основе настроек сервера и фрагментации формируются метаданные для клиентов.
2. Подключение клиентов
Сервер ожидает подключение клиентов, которые заинтересованы в получение информации. При подключении нового клиента, сервер отправляет сообщение с метаданными и заносит клиента в список участников передачи информации. По истечению времени сервер начинает трансляцию трафика в сеть по групповому каналу.
3. Передача по групповому каналу
Сервер передает фрагменты файла с помощью Multicast. Под фрагментом понимается пакет, внутри которого имеется номер блока и сам блок данных. Когда все фрагменты переданы по выделенному каналу, сервер оповещает о прекращении трансляции трафика с помощью групповой рассылки.
4. Переход к передаче данных в одноранговой сети
На текущем этапе необходимо предусмотреть проблему отсутствия одного и того же фрагмента у всех участников приема-передачи данных. В качестве решения, предлагается использовать сервер в качестве полноценного участника и организатора передачи данных одновременно. Для того чтобы сервер являлся полноценным участником передачи, достаточно включить адрес в список клиентов. После подготовки сервер переходит в режим передачи данных в одноранговой сети сервер.
5. Передача данных в одноранговой сети
При успешном переходе к передаче данных в одноранговой сети сервер работает в двух режимах: трекер и клиент. Клиенты запрашивают у организатора список других участников передачи. Все участники передачи используют протокол ВйТоггеп! Благодаря поддержке множественного соединения, согласно установленному правилу гарантирует доставку данных между участниками. Когда участник завершает загрузку файла, то клиент производит оповещение трекера о статусе загрузке. Сервер в зависимости от текущего состояния передачи и от статуса загрузки клиентом данных информирует клиента о дальнейших действиях. После того, как все клиенты загрузят файл, сервер переходи в режим "завершение работы".
6. Завершение работы
Сервер освобождает все ресурсы, которые использовал и оповещает всех участников о завершении работы и закрывает все соединения.
2.2 Архитектура клиентской части
Рассмотрим клиентскую часть работы метода. Алгоритм представлен схемой на рисунке 3. Процесс передачи данных осуществляется в несколько этапов:
Рис. 3. Алгоритм работы клиентской части
1. Подготовка клиента
Задается адрес для информирования и адрес сервера для установки соединения.
2. Получение метаданных
Клиент получает метаданные от сервера, обрабатывает их и создает файл для записи данных загружаемых из сети. В зависимости
от состояния сервера клиент переходит к одному из способов получения информации.
3. Получение данных по групповому адресу
Клиент подписывается на получение информации из группового канала указанного в метаданных. Полученные фрагменты обрабатываются, выделяется позиция блока данных и записывается в файл. Прием данных осуществляется до тех пор, пока отправитель не сообщит клиентам о переходе сервера в новый режим.
4. Подготовка для обмена фрагментами в одноранговой сети
На текущей стадии клиент отписывается от данных передаваемых по групповому каналу и производит настройку торрент клиента, для обмена фрагментами.
5. Обмен фрагментами между участниками
Клиент использует список участников передачи данных для обмена фрагментами по протоколу BitTorrent. После получения всех фрагментов клиент сообщает серверу о статусе загрузки данных. Трекер присылает указание о дальнейшей работе клиента: продолжить работу, либо завершить. В случае продолжения функционирования клиент завершит работу, когда получит соответствующее сообщение от сервера.
6. Завершение работы
На текущей стадии клиент выполняет освобождение ресурсов. Все соединения закрываются.
3 Исследование разработанного метода
3.1 Расчет времени работы
Использование группового вещания позволит передать основной объем данных всем клиентам. Однако, использование Multicast-трансляции не гарантирует доставку информации конечному абоненту [Олифер В., Оли-фер Н., 2010].Это связано с тем, что при передачи используется протокол UDP [CISCO Multicast, 2017]. Согласно статистике, потери информации при передаче могут достигать 50% от передаваемого объема, при коррект-
ной и работоспособной сети [Тамософт, 2018].
Для того, чтобы конечные пользователи получили файл без потерь, применяется передача данных в одноранговой сети. Контроль доставки осуществляется за счет использования множественного подключения между пользователями [Cohen, 2018]. При передаче в одноранговой сети используется протокол BitTorrent [SoftStorage, 2017].
Полное время доставки информации в таком случае определяется затратами времени на групповую рассылку и временем передачи половины данных в одноранговых сетей.
^ — ^imilticast + 0. 5 ■ Г,
fOt'i'Uiif
ipgz(n) S
_ logatnX
? J
s s
v v
3.2 Сравнение с существующими аналогами
Для сравнения работоспособности проведем несколько экспериментов по передаче 1.2 гигабайта данных различными методами: unicast(протокол FTP), multicast (UDP), broadcast(UDP), одноранговые се-ти(BitTorrent).
Сеть в каждом эксперименте будем изменять, путем добавления нового участника передачи данных.
По итогам проведенных экспериментов можно оценить работоспособность системы. Представим полученные результаты в графиках, для выявления зависимостей и оценки систем в различных условиях.
На рисунке 4 отображена зависимость времени работы системы от количества участников.
Рис. 4. Зависимость времени работы от количества участников в сравнении с аналогами
Из рисунка 4 следует, что при малых количествах участников FTP работает быстрее, чем разработанная система. Однако, если в передаче информации участвует от 5 клиентов, то предлагаемый метод работает на 2.2511 сек. быстрее, где n-количество участников. Заметим, что система, использующая multicast в некоторых экспериментах показал результат лучше, чем предлагаемое решение. Данный эффект связан с количеством потерянных данных с помощью multicast и предлагаемого метода. Увеличение процента объема недошедшей информации до пользователей, значительно увеличивает время работы multicast . Метод одноранговых сетей работает быстрее с участниками до 5 клиентов включительно. Если клиентов больше 5, то предлагаемый метод работает в раз быстрее 7 lgi где n-количество устройств.
Одноранговые сети, обладали преимуществом времени работы системы при малом количестве клиентов (до 5 клиентов). Увеличение количества клиентов при использовании предлагаемого метода, положительно влияет на время работы в режиме передачи данных в одноранговых сетях, при этом не зависит в режиме работы multicast.
3.3 Оценка характеристик метода
Сравним теоретическую и практическую оценку работоспособности системы. Из экспериментов выяснилось, что при использовании multicast, около 80 % передаваемого объема данных гарантировано доставляется конечному узлу. Остальные 20% загружаются с помощью одноранговых сетей. Таким образом, можно произвести расчет времени работы системы.
^ ^mif/tirast 2 TtorrBitt ^
то предлагаемый метод работает в раз быст-
п , , ,
рее - * ig
где n-количество устройств.
Рис. 5. Сравнение теоретической и практической оценок работы метода
Таким образом, полученная система отличается от теоретического расчета, так как процент потерянных фрагментов меньше чем предполагаемые потери.
4 Заключение
С учетом определенных в работе методов и средств, а также при учете наложенных ограничений, было выявлено, что Разработанная система уступает unicast-методу с использованием FTP только при количестве клиентов меньше 5. Однако, если в передаче информации участвует от 5 клиентов, то предлагаемый метод работает на 2.2511 сек. быстрее, где n-количество участников. В сравнении с multicast способом отличия незначительны из-за процента недошедших фрагментов до пользователей. Метод одноранговых сетей работает быстрее с участниками до 5 клиентов включительно. Если клиентов больше 5,
Список литературы
Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы - учебное пособие. // СПБ: Питер, 2010, 918 с/
Тамософт Входящие и исходящие потери UDP [Электронный ресурс] URL:
http://www.tamos.ru/htmlhelp/tg/udp loss incomi ng outgoing.htm (дата обращения 01.03.2018).
íSCO. Introduction to IP Multicast. [Электронный ресурс] URL :
http: //www. cisco. com/c/dam/en/us/products/collat eral/ios-nx-os-software/ip-multicast/prod presentation0900aecd80310883.pdf (дата обращения 01.02.2018).
Cohen, B. The BitTorrent Protocol Specification. [Электронный ресурс]. URL : http://www.bittorrent.org/beps/bep 0003.html (дата обращения 01.02.2018).
Laxman H. Sahasrabuddhe and Biswanath Mukherjee. Multicast Routing Algorithms and Protocols [Электронный ресурс] URL : http://cs.unibg.it/elias/documenti/architetture/Tuto rial-Multicast.pdf (дата обращения 01.03.2018).
Postel J., Reynolds J. FILE TRANSFER PROTOCOL (FTP) [ Электронный ресурс] URL : https://tools.ietf.org/html/rfc959 (дата обращения 01.03.2018).
Soft-Storage протокол BitTorrent и о торрентах в целом [Электронный ресурс] URL : http://soft-storage.ru/stati/spravochnye-publikacii/protokol-bittorrent-i-o-torrentah-v-celom (дата обращения 27.12.2017).
