Алгоритм динамической адаптивной буферизации пакетов (DAPB) для повышения производительности Service Mesh на основе eBPF

Данная статья представляет алгоритм динамической адаптивной буферизации пакетов (Dynamic Adaptive Packet Buffering, DAPB). Разработанный для повышения эффективности передачи данных в современных сетевых средах, алгоритм основан на принципах алгоритма Нейгла. DAPB преодолевает ограничения существующих методов буферизации за счет динамической адаптации поведения на основе текущих сетевых условий, требований приложений и чувствительности к задержкам. Алгоритм сочетает контекстно-зависимую буферизацию, адаптивные механизмы таймаутов и прогнозирование на основе машинного обучения для оптимального баланса между эффективностью, задержкой и энергопотреблением. Контекстно-ориентированная буферизация адаптирует стратегию под конкретные приложения: минимизирует буферизацию для чувствительных к задержкам сервисов (VoIP, онлайн-игры) и максимизирует для throughput-ориентированных задач (передача файлов). Адаптивный механизм таймаутов динамически регулирует период ожидания с учетом времени кругового обхода (RTT), потерь пакетов и джиттера, обеспечивая оптимальную производительность при изменяющейся нагрузке. Модели машинного обучения предсказывают оптимальные размеры буфера и значения таймаутов, используя исторические данные и метрики реального времени. Алгоритм реализует селективную агрегацию пакетов, интеллектуально определяя какие пакеты следует агрегировать, а какие передавать немедленно. DAPB уделяет особое внимание энергоэффективности за счет оптимизации параметров буферизации, что делает его применимым в энергоограниченных средах (edge computing, IoT устройства). По сравнению со стандартным алгоритмом Нейгла, DAPB демонстрирует снижение задержек, увеличение пропускной способности и улучшение энергоэффективности. Исследование выполнено в рамках Программы фундаментальных исследований Национального исследовательского университета "Высшая школа экономики" (НИУ ВШЭ).

1. J. Nagle, Congestion control in IP/TCP internetworks, RFC Editor, RFC 896, Jan. 1984, Obsoleted by RFC 1122, but foundational to Nagle’s algorithm. [Online]. Available: https: //tools.ietf.org/html/rfc896.

2. J. Nagle, “Congestion control in IP/TCP internetworks,” RFC Editor, RFC 896, (Jan. 1984), Obsoleted by RFC 1122, but foundational to Nagle’s algorithm. [Online]. Available: https: //tools.ietf.org/html/rfc896.

3. TCP/IP Illustrated, Volume 1: The Protocols ([1994]), W. R. Stevens, Addison-Wesley Professional, isbn: 978-0201633467.

4. “The BSD packet filter: a new architecture for user-level packet capture” ([1993]), S. McCanne et al., (In: Proceedings of the USENIX Winter 1993 Conference), pp. 259–270.

5. “BPF: In-kernel Virtual Machine” ([2015]), A. Starovoitov, (In: Linux Plumbers Conference).

6. “The eXpress Data Path: Fast Programmable Packet Processing in the Operating System Kernel” ([2018]), T. Hoiland-Jorgensen et al., (In: Proceedings of the 14th International Conference on Emerging Networking Experiments and Technologies), pp. 54–66, doi: 10.1145/3281411.3281443.

7. Computer Networks ([2011]), A. S. Tanenbaum et al., Pearson.

8. “BBR: Congestion-based congestion control” ([2016]), N. Cardwell, Y. Cheng, C. S. Gunn, et al., ACM Queue, 14, 5, pp. 20–53, doi: 10.1145/3012426.3022184.

9. N. Cardwell, Y. Cheng, S. H. Yeganeh, et al., “Tcp bbr v2 alpha/release history,” IETF, RFC 8962, (2021). [Online]. Available: https://tools.ietf.org/html/rfc8962.

10. Understanding Linux Network Internals ([2005]), C. Benvenuti, O’Reilly, isbn: 9780596002558.

11. “Efficient data transfer through zero copy” ([2006]), W. Ma et al., (In: Proceedings of the 2006 ACM/IEEE Conference on Supercomputing), pp. 1–12, doi: 10.1145/1188455.1188583.

12. “Differential evolution optimization for constrained routing in Wireless Mesh Networks” ([2014]), M. Sanni et al., (In: International Conference on Frontiers of Communications, Networks and Applications (ICFCNA 2014 - Malaysia)), pp. 1–6, doi: 10.1049/cp.2014.1397.

13. Istio, Istio: A service mesh for microservices, Official documentation, (2023). [Online]. Available: https://istio.io/latest/docs/concepts/what-is-istio/.

14. “Congestion control in IP/TCP internetworks” ([1984]), J. Nagle, ACM SIGCOMM Computer Communication Review, 14, 4, pp. 11–17, doi: 10.1145/1024908.1024910.

15. “Congestion avoidance and control” ([1988]), V. Jacobson, ACM SIGCOMM Computer Communication Review, 18, 4, pp. 314–329, doi: 10.1145/52325.52341.

16. R. Braden, “Requirements for internet hosts—communication layers,” IETF, RFC 1122, (1989). [Online]. Available: https://tools.ietf.org/html/rfc1122.

17. “Reducing web latency: the virtue of gentle aggression” ([2013]), T. Flach et al., (In: Proceedings of the ACM SIGCOMM 2013 Conference), pp. 159–170, doi: 10.1145/2486001.2486030.

18. “Evaluating the impacts of alternative TCP congestion control algorithms” ([2008]), S. Ha et al., (In: IEEE International Conference on Network Protocols), pp. 49–58, doi: 10.1109/ICNP. 2008.4697036.

19. “TCP Vegas: End to end congestion avoidance on a global internet” ([1995]), L. S. Brakmo et al., IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 13, 8, pp. 1465–1480, doi: 10.1109/ 49.464716.

20. Computer Networking: A Top-Down Approach ([2021]), J. F. Kurose et al., Pearson, isbn: 9780135928615.

21. Learning eBPF ([Mar. 2023]), L. Rice, O’Reilly, isbn: 978-1-098-13887-5.

22. T. Graf et al., “Cilium: eBPF-based networking, security, and observability,” Isovalent, Tech. Rep., (2023), Official documentation. [Online]. Available: https://docs.cilium.io/en/stable/index.html.

23. “Network Shortcut in Data Plane of Service Mesh with eBPF” ([Jan. 2024]), W. Yang et al., Journal of Network and Computer Applications, 222, 1, p. 103805, doi: 10.1016/j.jnca. 2023.103805.

24. A. Cutler et al., “Random forests,” in Research Gate, (Jan. 2011), vol. 45, pp. 157–176, isbn:978-1-4419-9325-0. doi: 10.1007/978-1-4419-9326-7_5.

25. “Reaching Consensus in the Byzantine Empire: A Comprehensive Review of BFT Consensus Algorithms” ([Jan. 2024]), G. Zhang et al., ACM Comput. Surv., 56, 5, doi: 10.1145/3636553.

26. Gui774ume, eBPFKit: A rootkit and intrusion detection system based on ebpf, https:// github.com/Gui774ume/ebpfkit, GitHub repository, (2021). [Online]. Available: https://github.com/Gui774ume/ebpfkit.