ازدحام المخزن المؤقت

يُعرف ازدحام المخزن المؤقت بأنه زمن استجابة غير مرغوب فيه ينتج عن قيام جهاز التوجيه أو أي جهاز شبكة آخر بتخزين عدد كبير جدًا من حزم البيانات مؤقتًا . كما يمكن أن يتسبب ازدحام المخزن المؤقت في تباين تأخير الحزم (المعروف أيضًا باسم الارتعاش)، بالإضافة إلى تقليل إنتاجية الشبكة الإجمالية . عندما يتم تكوين جهاز التوجيه أو المحول لاستخدام مخازن مؤقتة كبيرة جدًا، حتى الشبكات عالية السرعة جدًا قد تصبح غير قابلة للاستخدام عمليًا للعديد من التطبيقات التفاعلية مثل الصوت عبر بروتوكول الإنترنت (VoIP)، وبث الصوت ، والألعاب عبر الإنترنت ، وحتى تصفح الإنترنت العادي .

قام بعض مصنعي معدات الاتصالات بتصميم مخازن مؤقتة كبيرة بشكل غير ضروري في بعض منتجاتهم الشبكية . في هذه المعدات، يحدث تضخم المخزن المؤقت عندما يصبح رابط الشبكة مزدحمًا ، مما يؤدي إلى تراكم الحزم لفترات طويلة في هذه المخازن المؤقتة الضخمة. في نظام طوابير "الوارد أولاً يُصرف أولاً" ، تؤدي المخازن المؤقتة الكبيرة جدًا إلى طوابير أطول وزمن استجابة أعلى، ولا تُحسّن إنتاجية الشبكة. كما يمكن أن يحدث ذلك أيضًا بسبب اتصالات بطيئة السرعة تعيق تسليم الحزم الأخرى في الوقت المحدد.

تم وصف ظاهرة تضخم المخزن المؤقت في وقت مبكر من عام 1985. ^{[ 1 ]} وقد حظيت باهتمام أوسع نطاقًا بدءًا من عام 2009. ^{[ 2 ]}

بحسب بعض المصادر، فإن السبب الأكثر شيوعًا لارتفاع زمن الاستجابة ("التأخير") في ألعاب الفيديو عبر الإنترنت هو ازدحام مخزن البيانات المؤقت في الشبكة المنزلية المحلية. وقد يؤدي ارتفاع زمن الاستجابة إلى جعل الألعاب الحديثة عبر الإنترنت مستحيلة. ^{[ 3 ]}

كان من القواعد الأساسية المتبعة لدى مصنعي معدات الشبكات توفير مخازن مؤقتة كبيرة بما يكفي لاستيعاب ما لا يقل عن 250 مللي ثانية من التخزين المؤقت لتدفق البيانات المارة عبر الجهاز. على سبيل المثال، تتطلب واجهة جيجابت إيثرنت في جهاز التوجيه مخزنًا مؤقتًا كبيرًا نسبيًا بسعة 32 ميجابايت . ^{[ 4 ]} قد يؤدي هذا الحجم للمخازن المؤقتة إلى فشل خوارزمية التحكم في ازدحام بروتوكول TCP . يستغرق تفريغ المخازن المؤقتة بعض الوقت قبل إعادة ضبط التحكم في الازدحام وعودة اتصال TCP إلى سرعته الطبيعية، مما يؤدي إلى امتلاء المخازن المؤقتة مرة أخرى. ^{[ 5 ]} وبالتالي، يتسبب امتلاء المخزن المؤقت في مشاكل مثل زمن استجابة مرتفع ومتغير، واختناقات في الشبكة لجميع التدفقات الأخرى، حيث يمتلئ المخزن المؤقت بحزم بيانات تدفق TCP واحد، ثم يتم إسقاط الحزم الأخرى. ^{[ 6 ]}  

لا يؤثر تضخم المخزن المؤقت إلا عند استخدامه فعليًا. بعبارة أخرى، لا تُسبب المخازن المؤقتة ذات الأحجام الكبيرة ضررًا إلا عندما يُصبح الرابط الذي تُخزنه عنق زجاجة. يُمكن قياس حجم المخزن المؤقت الذي يخدم عنق الزجاجة باستخدام أداة ping المتوفرة في معظم أنظمة التشغيل. أولًا، يجب إرسال طلبات ping إلى المضيف الآخر بشكل مستمر؛ ثم، يجب بدء عملية تنزيل تستغرق عدة ثوانٍ منه وإيقافها عدة مرات. بحسب التصميم، ستملأ خوارزمية تجنب ازدحام TCP عنق الزجاجة على المسار بسرعة. إذا ارتبط التنزيل (والتحميل، على التوالي) بزيادة مباشرة وكبيرة في زمن الاستجابة ذهابًا وإيابًا الذي يُبلغه ping، فهذا يُشير إلى أن المخزن المؤقت لعنق الزجاجة الحالي في اتجاه التنزيل (والتحميل، على التوالي) مُتضخم. بما أن الزيادة في زمن الاستجابة ذهابًا وإيابًا ناتجة عن المخزن المؤقت الموجود على عنق الزجاجة، فإن أقصى زيادة تُعطي تقديرًا تقريبيًا لحجمه بالمللي ثانية.

في المثال السابق، استخدام أداة تتبع المسار المتقدمة بدلاً من اختبار الاتصال البسيط (مثل MTR ) لا يُظهر فقط وجود مخزن مؤقت مُتضخم عند نقطة الاختناق، بل يُحدد موقعه بدقة في الشبكة. تُحقق أداة تتبع المسار ذلك من خلال عرض المسار وقياس زمن انتقال الحزم عبر الشبكة. يُسجل تاريخ المسار كزمن ذهاب وإياب للحزم المُستلمة من كل مضيف (عقدة بعيدة) على التوالي في المسار. ^{[ 7 ]}

تعتمد معظم خوارزميات التحكم في ازدحام بروتوكول TCP على قياس معدل فقدان الحزم لتحديد عرض النطاق الترددي المتاح بين طرفي الاتصال. تعمل هذه الخوارزميات على تسريع نقل البيانات حتى تبدأ الحزم بالفقدان، ثم تُبطئ معدل الإرسال. ومن الناحية المثالية، تستمر في تعديل معدل الإرسال حتى يصل إلى سرعة توازن للرابط. ولكي تتمكن الخوارزميات من اختيار سرعة نقل مناسبة، يجب أن تصل معلومات فقدان الحزم في الوقت المناسب. مع وجود مخزن مؤقت كبير ممتلئ، ستصل الحزم إلى وجهتها، ولكن بزمن استجابة أطول. لم تُفقد الحزم، لذا لا يُبطئ بروتوكول TCP بمجرد تشبع وصلة الإرسال، مما يزيد من امتلاء المخزن المؤقت. تُفقد الحزم الوافدة حديثًا فقط عندما يمتلئ المخزن المؤقت تمامًا. عندئذٍ، قد يقرر بروتوكول TCP أن مسار الاتصال قد تغير، ويبدأ مجددًا في البحث بشكل أكثر فعالية عن نقطة تشغيل جديدة. ^{[ 8 ]}

تُخزَّن الحزم في مخزن مؤقت للشبكة قبل إرسالها؛ وفي الحالات التي تُسبب مشاكل، لا تُفقد الحزم إلا إذا امتلأ المخزن. في أجهزة التوجيه القديمة، كانت المخازن صغيرة نسبيًا، لذا كانت تمتلئ بسرعة، وبالتالي تبدأ الحزم بالفقدان بعد فترة وجيزة من وصول الشبكة إلى أقصى طاقتها، مما يسمح لبروتوكول TCP بالتكيف، ولا تظهر المشكلة. أما في أجهزة التوجيه الحديثة، فقد أصبحت المخازن كبيرة بما يكفي لاستيعاب بيانات مخزنة لعدة ثوانٍ. بالنسبة لبروتوكول TCP، قد يبدو أن الشبكة المزدحمة تعمل بشكل طبيعي أثناء امتلاء المخزن. لا يدرك بروتوكول TCP أن الشبكة مزدحمة، ولا يبدأ باتخاذ إجراءات تصحيحية إلا بعد امتلاء المخزن تمامًا وفقدان الحزم.

ستواجه جميع الحزم التي تمر عبر مخزن مؤقت بسيط مُنفذ كطابور واحد تأخيرًا مماثلًا، وبالتالي سيتأثر زمن استجابة أي اتصال يمر عبر مخزن مؤقت ممتلئ. وقد ينتهي الأمر أيضًا بعدم استخدام عرض النطاق الترددي المتاح للقناة، حيث قد لا يتم الوصول إلى بعض الوجهات السريعة على الفور بسبب امتلاء المخازن المؤقتة بالبيانات التي تنتظر التسليم إلى الوجهات البطيئة. تُعيق هذه التأثيرات تفاعلية التطبيقات التي تستخدم بروتوكولات شبكة أخرى ، بما في ذلك بروتوكول UDP المستخدم في التطبيقات الحساسة لزمن الاستجابة مثل VoIP والألعاب عبر الإنترنت. ^{[ 9 ]}

بغض النظر عن متطلبات عرض النطاق الترددي، فإن أي نوع من الخدمات التي تتطلب زمن استجابة منخفضًا باستمرار أو نقلًا خاليًا من التذبذب قد يتأثر بظاهرة ازدحام المخزن المؤقت. تشمل هذه الخدمات المكالمات الصوتية الرقمية (VoIP)، والألعاب عبر الإنترنت، ومحادثات الفيديو ، وغيرها من التطبيقات التفاعلية مثل بث الراديو ، والفيديو حسب الطلب ، وتسجيل الدخول عن بُعد .

عند حدوث ظاهرة امتلاء المخزن المؤقت (Bufferbloat) وازدياد الضغط على الشبكة، قد يستغرق تحميل صفحات الويب العادية عدة ثوانٍ، أو قد تفشل استعلامات نظام أسماء النطاقات (DNS) البسيطة بسبب انتهاء المهلة. ^{[ 10 ]} في الواقع، قد ينقطع أي اتصال TCP بسبب انتهاء المهلة، وقد تُهمل حزم UDP . وبما أن استمرار تدفق تنزيل TCP يعتمد على حزم تأكيد الاستلام (ACK) في تدفق التحميل، فإن مشكلة امتلاء المخزن المؤقت في التحميل قد تتسبب في فشل تطبيقات التنزيل الأخرى غير ذات الصلة، لأن حزم تأكيد الاستلام من العميل لا تصل إلى خادم الإنترنت في الوقت المناسب.

كان اختبار سرعة DSLReports [ ^{11 ] اختبارًا} سهل الاستخدام يتضمن تقييمًا لازدحام المخزن المؤقت. توقف موقع DSLReports عن العمل نهائيًا في 26 مارس 2025. وكان ICSI Netalyzr ^{[ 12 ]} أداة أخرى متاحة عبر الإنترنت تُستخدم لفحص الشبكات بحثًا عن ازدحام المخزن المؤقت، بالإضافة إلى فحص العديد من مشكلات التكوين الشائعة الأخرى. ^{[ 13 ]} أُغلقت الخدمة في مارس 2019. في غياب DSLReports وNetalyzr، تشمل اختبارات ازدحام المخزن المؤقت الحالية المستندة إلى المتصفح اختبار Waveform Bufferbloat Test ^{[ 14 ]} وY2KDASH، الذي يأخذ عينات من زمن الاستجابة المحمّل بشكل مستمر بدلًا من اختبار اللقطة الواحدة. ^{[ 15 ]} يسرد موقع bufferbloat.net الإلكتروني الأدوات والإجراءات اللازمة لتحديد ما إذا كان الاتصال يعاني من تخزين مؤقت زائد يُبطئه. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

توجد حلول تقنية متعددة يمكن تصنيفها بشكل عام إلى فئتين: حلول تستهدف الشبكة وحلول تستهدف نقاط النهاية. غالبًا ما يكون هذان النوعان من الحلول متكاملين. أحيانًا تنشأ المشكلة نتيجةً لتداخل مسارات الشبكة السريعة والبطيئة.

تتخذ حلول الشبكات عمومًا شكل خوارزميات إدارة قوائم الانتظار. وقد ركز فريق عمل إدارة قوائم الانتظار التابع لـ IETF على هذا النوع من الحلول . ^{[ 18 ]} ومن الأمثلة البارزة على ذلك:

• لتقليل طول قائمة انتظار بروتوكول الإنترنت، راجع ضبط بروتوكول TCP
• خوارزميات إدارة الجودة المتقدمة مثل CoDel و PIE . ^{[ 19 ]}
• خوارزميات إدارة الازدحام الهجينة وجدولة الحزم مثل FQ-CoDel . ^{[ 20 ]}
• تعديلات على معيار DOCSIS ^{[ 21 ]} لتمكين التحكم الذكي في المخزن المؤقت في أجهزة مودم الكابل . ^{[ 10 ]}
• دمج إدارة قائمة الانتظار ( FQ-CoDel ) في النظام الفرعي للواي فاي لنظام التشغيل لينكس ، حيث أن لينكس يستخدم بشكل شائع في نقاط الوصول اللاسلكية . ^{[ 22 ]}

من الأمثلة البارزة على الحلول التي تستهدف نقاط النهاية ما يلي:

• خوارزمية التحكم في الازدحام BBR لبروتوكول TCP.
• بروتوكول النقل المصغر المستخدم من قبل العديد من عملاء BitTorrent .
• تقنيات استخدام عدد أقل من الاتصالات، مثل تقنية تجميع البيانات في HTTP أو HTTP/2 بدلاً من بروتوكول HTTP العادي. ^{[ 10 ]}

يمكن أيضًا التخفيف من حدة المشكلة عن طريق تقليل حجم المخزن المؤقت على نظام التشغيل ^{[ 10 ]} وأجهزة الشبكة؛ ومع ذلك، غالبًا ما يكون هذا غير قابل للتكوين، ويعتمد حجم المخزن المؤقت الأمثل على معدل الخط، والذي قد يختلف باختلاف الوجهات.

يساعد استخدام DiffServ (واستخدام قوائم انتظار متعددة قائمة على الأولوية) في إعطاء الأولوية لنقل البيانات ذات زمن الاستجابة المنخفض (مثل VoIP، ومؤتمرات الفيديو، والألعاب)، مما يؤدي إلى ترك معالجة الازدحام وتضخم المخزن المؤقت لحركة البيانات غير ذات الأولوية. ^{[ 23 ]}

لضمان حصول اتصالات TCP ذات التأخير الأطول على حصتها العادلة من عرض النطاق الترددي، يجب أن يكون حجم المخزن المؤقت على الأقل حاصل ضرب عرض النطاق الترددي في التأخير مقسومًا على الجذر التربيعي لعدد التدفقات المتزامنة. ^{[ 24 ] [ 4 ]} القاعدة العامة هي 50 مللي ثانية لبيانات معدل الخط، ^{[ 25 ]} ولكن بعض محولات الشبكة الشائعة للاستخدام المنزلي لا تتجاوز 1 مللي ثانية، ^{[ 26 ]} مما قد يؤدي إلى فقدان إضافي لعرض النطاق الترددي على الاتصالات ذات التأخير الأطول في حالة التنافس المحلي مع اتصالات أخرى.

• ناتج عرض النطاق الترددي والتأخير
• نافذة الازدحام
• إشعار صريح بالازدحام
• حجب رأس الصف
• L4S ، حل شامل لمشكلة تضخم المخزن المؤقت
• فقدان الحزمة

• مشكلة امتلاء المخزن المؤقت: ما هي مشكلة الإنترنت؟ نقاش مع فينت سيرف ، وفان جاكوبسون ، ونيك ويفر، وجيم جيتيس
• محاضرة جوجل التقنية على يوتيوب ، أبريل 2011، من تقديم جيم جيتيس، ومقدمة من فينت سيرف
• مشكلة ازدحام المخازن المؤقتة: المخازن المؤقتة المظلمة في الإنترنت  - عروض توضيحية فقط على يوتيوب ، أبريل 2011، بقلم جيم جيتيس ، مقدمة بقلم فينت سيرف
• مشكلة تضخم المخزن المؤقت: المخازن المؤقتة المظلمة في الإنترنت  - عروض توضيحية ومناقشات على يوتيوب. عرض توضيحي وشرح لمدة 21 دقيقة لمشكلة تضخم المخزن المؤقت في النطاق العريض.
• LACNIC - BufferBloat على يوتيوب، مايو 2012، من تقديم فريد بيكر (رئيس IETF)، باللغة الإسبانية، والشرائح متوفرة باللغة الإنجليزية
• تحديد حجم TSO وجدولة FQ (جوناثان كوربيت، LWN.net )
• كذبة اختبار السرعة: لماذا لا يزال اتصالك بسرعة 300 ميجابت في الثانية يبدو بطيئًا؟ - دليل عملي لتضخم المخزن المؤقت، وزمن الاستجابة عند التحميل، وقياس بدء تشغيل TCP البطيء