سلام وعرض ادب محققان در دانشگاه آلبرگ، MIT و کلتک موفق به توسعه‌ی یک تکنیک مبتنی بر ریاضیات شده‌اند که می‌تواند سرعت انتقال داده‌های اینترنتی را تا ده برابر افزایش دهد. این شیوه بر هوشمندسازی چشمگیر گره‌های (نودهای) شبکه و نیز افزایش قابلیت انطباق آن‌ها متکی است.

این پیشرفت همچنین موجب افزایش قابل توجه و گسترده‌ی امنیت انتقال داده‌ها در مسیر شبکه شده و می‌تواند راه خود را به شبکه‌ی مخابراتی 5G، ارتباطات ماهواره‌ای و اینترنت اشیا باز نماید. در ادامه‌ی این مقاله تلاش می‌شود ضمن نگاهی به مشکلات پروتکل فعلی اینترنت، با بیانی ساده، به توضیح راه‌حل جایگزین و دستاورد تیم تحقیقاتی دانشگاه آلبرگ بپردازیم.

مشکل TCP/IP چیست؟

قرارداد هدایت انتقال، یا Transmission Control Protocol که همچنین قرارداد کنترل انتقال و یا پروتکل کنترل انتقال نیز گفته می‌شود؛ مجموعه‌ای از پروتکل‌های قراردادی است که پایه و اساس اینترنت را تشکیل می‌دهند. برای برقراری یک ارتباط گفتاری بوسیله اینترنت، در لایه انتقال از دو پروتکل TCP و UDP استفاده می‌شود. پروتکل TCP انتقال داده را با دقت و امنیت بالا انجام می‌دهد در حالیکه ویژگی پروتکل UDP انتقال سریع اطلاعات، بدون در نظر گرفتن مسائل امنیتی برای انتقال داده است. در این میان اما، راه سومی نیز وجود دارد که محققان به تازگی بصورت عملی به پیاده‌سازی آن پرداخته‌اند.

داده‌ها بر بستر اینترنت در قالب بسته‌هایی که Packet خوانده می‌شود ارسال می‌گردد که قسمت کوچکی از اطلاعات دیجیتال هستند. شیوه‌ی دقیق ساختاردهی و فرآیند تحویل این بسته‌ها به مقصد توسط دنباله‌ای از پروتکل‌ها که TCP/IP نامیده می‌شود تعریف می‌گردد که مجموعه‌ی پروتکل اینترنت خوانده شده و در اوایل دهه‌ی 70 میلادی طراحی شده است.

در زمان معرفی، دنباله پروتکل اینترنت یک پیشرفت عظیم رو به جلو شناخته شد که شیوه‌ی و سنت انتقال اطلاعات دیجیتال را متحول کرد. شایان ذکر است که این پروتکل با گذشت چهل سال از نخستین به کار گیری همچنان ستون فقرات اینترنت را تشکیل می‌دهد. با وجود تمام این شایستگی‌ها، این پروتکل نیز از نظر کارایی، بهینه بودن، امنیت و انعطاف‌پذیری بی‌نقص نیست. برای نمونه، به منظور موفق بودن یک تراکنش اطلاعات بر بستر TCP، دریافت کننده ملزم است که بسته‌های ارسال شده را دقیقا به همان ترتیب ارسال، دریافت نماید. در این حالت حتی اگر یک بسته به هر دلیلی از دست برود، پروتکل مربوطه این رخداد را بعنوان انباشت و ترافیک سنگین شبکه در نظر خواهد گرفت، سرعت تراکنش به شدت افت خواهد کرد و پس از آن فرآیند بازآوری با سرعت پایینی آغاز خواهد شد. این فرآیند برای برخی شرایط خاص ایده‌آل بوده و برای بسیاری از موقعیت‌ها نیز به شکل قابل توجهی ناکارآمد است. مشکل از آنجا ناشی می‌شود که پروتکل، به اندازه‌ای هوشمند نیست که بتواند اقدام صحیح مورد نیاز را شناسایی کرده و بر اساس شرایط بهترین حالت را به خود بگیرد.

همچنین اگرچه بسته‌ها می‌توانند از نظر تئوری تعداد نامحدودی از مسیرها را برای حرکت بین نقطه‌ی «الف» و «ب» در بستر شبکه به خود بگیرند اما مشخص شده است که داده‌ها در یک ارتباط TCP همیشه از یک مسیر واحد حرکت می‌کنند. چنین مساله‌ای فرآیند شنود ارتباط شما توسط جاسوسان و هکرها را به شدت ساده می‌سازد.

اما راه‌حل چیست؟

یک پیشنهاد که در نهایت موجب حل شدن این معضل شود، طرحی است که کدگذاری شبکه خوانده می‌شود. این طرح تلاش دارد گره‌های موجود در شبکه را نسبت به حالت فعلی به مقدار قابل توجهی هوشمندتر سازد. در پروتکل TCP/IP، گره‌های موجود در شبکه تنها سوئیچ‌های ساده‌ای هستند که تنها قادرند بسته‌های اطلاعاتی را دریافت کرده، آن‌ها را ذخیره کنند و در مسیر از پیش‌ تعیین شده‌ی شبکه به گره بعدی ارسال کنند. در نقطه‌ی مقابل، در شیوه‌ی کدگذاری شبکه، هر گره می‌تواند در صورت نیاز از طریق مسیردهی مجدد یا رمزگشایی مجدد به دستکاری و تنظیم بسته‌ها بپردازد.

افزودن هوشمندی به شبکه در سطح گره‌ها می‌تواند به واقع یک تغییر تمرکز زدا باشد چراکه چنین مساله‌ای می‌تواند یکپارچگی و روال ساده‌ی شبکه را با تغییر مواجه کند. چنین روشی می‌تواند انعطاف‌پذیری بی‌نظیری را به شیوه‌ی مدیریت اطلاعات انتقالی اضافه کند. بعنوان نمونه، این طرح قادر است از مزیت TCP چندمسیری (Multipath TCP) بهره برده و ضمن افزودن یک مکانیسم رمزنگاری به افزایش امنیت و سرعت منجر شده و حتی امکان ذخیره‌ی اطلاعات در خود نودهای شبکه را هم فراهم کند.

در مطالعاتی که اخیرا صورت گرفته، محققان دانشگاه آلبرگ دانمارک با همکاری MIT و کلتک موفق شده‌اند نمونه‌ای از این پروتکل جدید که ذکر آن رفت را پیاده‌سازی کنند که نمایانگر دستاوردهای تاثیر برانگیزی در سرعت انتقال داده‌ها بود. در پیش‌نمایش ارائه شده، یک ویدیوی چهار دقیقه‌ای موبایل، در مدت زمانی پنج برابر سریع‌تر از شیوه‌ی سنتی دانلود شد و سپس بدون هیچ وقفه‌ای فرآیند استریم آن آغاز شد. محقق ارشد این پروژه می‌گوید:

در آزمایش‌های ما بر روی کدگذاری شبکه‌ی ترافیک اینترنت، تولیدکنندگان تجهیزات سرعتی را تجربه نمودند که بین پنج تا ده برابر سریع‌تر از حالت عادی است. و این تکنولوژی می‌تواند در ارتباطات ماهواره‌ای، ارتباطات موبایل و نیز اتصالات اینترنت عادی بر روی سیستم‌ها مورد استفاده قرار گیرد.

این پروتکل به چه شکل عمل می‌کند؟

محتوای یک بسته‌ی انتقالی هرچه که باشد، خواه بخشی از یک ویدیوی یوتیوب بوده یا متن و ترانه‌ای را تشکیل دهد، در هر حالت بر اساس زنجیره‌ای از صفرها و یک‌ها کدگذاری خواهند شد که می‌تواند بعنوان یک عدد در ساختار دودویی در نظر گرفته شود.

در پروتکل TCP/IP، تمام کاری که گره‌های شبکه انجام می‌دهد ذخیره‌ی محتوای تک تک بسته‌های داده و سپس ارائه‌ی آن‌ها به گره بعدی است. اما در پروتکل توسعه داده شده توسط این محققان، محتوای هر بسته بعنوان یک عدد واقعی در نظر گرفته می‌شود و بسته‌ها در دسته‌های مشخصی پردازش خواهند شد. در این حالت، هر گره با استفاده از عددهای استخراج شده از محتوای بسته‌ها و نیز مجموعه‌ای از ضریب‌هایی که بصورت تصادفی تولید می‌شوند به تولید مجموعه‌ای از معادلات خطی خواهد پرداخت.

هر معادله‌ی خطی، یک بسته‌ی کدگذاری شده را ایجاد خواهد کرد که ضریب‌های تصادفی در قسمت Header بسته‌ی گدگذاری شده ذخیره خواهند شد. در این حالت متغیرهای ناشناخته، همان محتوای اصلی بسته هستند که بشکل عدد با آن‌ها رفتار می‌شود. به بیان دیگر، هر بسته‌ی کدگذاری شده بصورت همزمان در بر گیرنده‌ی بخشی از اطلاعات چندین بسته‌ی استاندارد است که در ضرایب متفاوتی ضرب خواهد شد.

همانگونه که احتمالا از ریاضیات دبیرستان به خاطر دارید، برای حل یک معادله با N مجهول، به N معادله‌ی خطی نیز نیاز خواهید داشت. بنابراین هر بسته‌ی کدگذاری شده، در بر دارنده‌ی یک معادله بوده که در نتیجه‌ی آن، دریافت کننده‌ی بسته به N بسته با ضریب‌های متفاوت نیاز خواهد داشت تا بتواند داده‌ها را رمزگشایی کند.

بنابراین شخصی که قصد شنود ارتباط را داشته باشد ملزم خواهد بود که تمامی بسته‌های داده را با هم رمزگشایی کند تا به اطلاعات رد و بدل شده دست یابد. نتیجه آنکه، پروتکل جدید ساختاری بسیار ایمن‌تر از پروتکل‌های فعلی اینترنت خواهد داشت.

اما سوالی که مطرح می‌شود این خواهد بود که چه نیازی است که تا این حد مسائل را پیچیده کنیم؟ پاسخ این است که در این شیوه، برخلاف TCP/IP، دریافت‌کننده ملزم به دریافت بسته‌ها در ترتیب مشخص نیست. در حقیقت ترتیب دریافت بسته‌ها در این شیوه کاملا بی‌اهمیت است.تمام آنچه که اهمیت خواهد داشت این است که دریافت‌کننده، تعداد N بسته‌ی کدگذاری شده را بدست آورده که همگی ضریب‌های متفاوتی داشته باشند. در صورت صحت این روال، گره دریافت کننده می‌تواند به سادگی به حل معادله پرداخته و محتوای اصلی را بدست آورد.

این سطح از انعطاف‌پذیری در ترتیب بسته‌ها به معنی سطح بهره‌وری بسیار بالاتر سیستم خواهد بود چرا که تمامی بسته‌ها قابل جایگذاری خواهند بود. در این پروتکل دیگر همانند TCP/IP شاهد تاخیر در ارتباطات سرور، آن‌ هم تنها به دلیل یک بسته‌ی مفقود شده نخواهیم بود. نتیجه آنکه، اکنون بدلیل بی اهمیت بودن ترتیب دریافت بسته‌ها، این تکه‌های کوچک داده می‌توانند از مسیرهای مختلفی برای رسیدن به مقصد عبور کرده که ضمن افزایش چشمگیر سرعت، باعث تقویت قابل توجه امنیت شبکه نیز خواهد شد. در چنین حالتی، ایجاد اخلال و شنود در ارتباط تنها با وارد شدن به یک مسیر تقریبا غیرممکن خواهد بود.

مرحله‌ی بعدی چیست؟

این تکنولوژی می‌تواند بصورت مستقیم در ارتباطات شبکه‌ی 5G کاربرد داشته باشد. اینترنت اشیا و شبکه‌های تعریف شده بر مبنای نرم‌افزار نیز از دیگر زمینه‌های کاربردی خواهند بود. دیگر اینکه، هوشمندی این شبکه می‌تواند امکاناتی را برای ارائه‌ی راهکارهای ذخیره‌سازی گسترده‌ای را در دل خود شبکه فراهم کند. محقق ارشد این پروژه چنین ادامه می‌دهد:

من فکر می‌کنم که این تکنولوژی در اغلب محصولات دیجیتال ادغام خواهد شد چراکه ارائه کننده‌ی برخی عملکردهای بسیار ضروری و حیاتی است. [متاسفانه] تنها چیزی که می‌تواند موجب توقف توسعه‌ی این پروژه شود پتنت‌ها خواهند بود. پیش از این، کمپانی‌های متعددی پتنت‌های قاطعی را در زمینه‌ی رمزنگاری بدست آورده‌اند. اما رویکرد ما این است که این پروتکل را تا حد امکان برای افراد بیشتری قابل دسترس کنیم.