A high-performance implementation of a stochastic TCP model in C++/AVX for performance analysis of distributed systems

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The reliability of modern distributed systems directly depends on the stability of network connections; however, traditional monitoring methods are unable to adequately assess the stochastic nature of failures at the TCP transport protocol level. This paper proposes an approach based on Stochastic Differential Equations (SDEs) to model packet loss probability as a continuous random process, accounting for mean reversion and random fluctuations. A practical implementation of the model is presented in C++ using AVX-512 vector instructions for the numerical solution of the SDE via the Euler–Maruyama method. Experimental evaluation on an Intel Xeon Silver 4410Y server platform demonstrated that the module’s performance reaches 30.1 million estimations per second, which is nearly 9 times faster than reference scalar implementations. The results prove that the proposed stochastic approach is computationally efficient and can serve as a foundation for creating real-time monitoring and adaptive control systems capable of predicting TCP performance.

About the authors

Danil I. Sukhoplyuev

MIREA – Russian Technological University

Author for correspondence.
Email: sukhoplyuev.d.i@edu.mirea.ru
SPIN-code: 3931-0217

postgraduate student

Russian Federation, Moscow

Alexey N. Nazarov

Federal Research Center Computer Science and Control of Russian Academy of Sciences

Email: a.nazarov06@bk.ru
ORCID iD: 0000-0002-0497-0296
SPIN-code: 6032-5302
Scopus Author ID: 7201780424

Dr. Sci. (Eng.), Professor

Russian Federation, Moscow

References

  1. Allakin V.V., Budko N.P., Vasiliev N.V. A general approach to building advanced monitoring systems for distributed information and telecommunication networks. Control, Communications and Security Systems. 2021. No. 4. Pp. 125–227. (In Rus.). doi: 10.24412/2410-9916-2021-4-125-227.
  2. Sopin E.S., Talanova M.O., Gaidamaka Yu.V. Analysis of quality of service indicators for cloud computing systems with hysteresis control. T-Comm: Telecommunications and Transport. 2015. Vol. 9. No. 9. 54–60. (In Rus.). EDN: UMMUWN.
  3. Olifer V.G., Olifer N.A. Computer networks. Principles, technologies, protocols. 4th ed. Moscow: Piter, 2010. ISBN: 978-5-498-07389-7.
  4. Tawfeeg T.M., Yousif A., Hassan A. et al. Cloud dynamic load balancing and reactive fault tolerance techniques: A Systematic Literature Review (SLR). IEEE Access. 2022. No. 10. Pp. 71853–71873. doi: 10.1109/access.2022.3188645.
  5. Ilie S., Jackson K.R., Enright W.H. Adaptive time-stepping for the strong numerical solution of stochastic differential equations. Numerical Algorithms. 2015. Vol. 68. No. 4. Pp. 791–812. doi: 10.1007/s11075-014-9872-6. EDN: JYNZUT.
  6. Basynya E.A., Frantsuzova G.A., Gunko A.V. A self-organizing traffic control system for a computer network. Proceedings of Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics. 2014. No. 1(31). Pp. 179–184. (In Rus.). EDN: SFKPGZ.
  7. Cormen T.H., Leiserson C.E., Rivest R.L., Stein C. Introduction to algorithms. 2nd ed.). Moscow: Williams, 2009. ISBN: 978-5-8459-0857-5.
  8. Barabanova E.A., Vishnevskiy V.M., Vytovtov K.A., Semenova O.V. Methods for performance analysis of information-measuring systems under fault conditions. Journal of Instrument Engineering. 2022. Vol. 11. No. 4 (46). Pp. 49–59. (In Rus.). doi: 10.25210/jfop-2204-MA.
  9. Buslaev A.P., Kuchelev D.A., Yashina M.V. Dynamic systems and mathematical models of information traffic. T-Comm: Telecommunications and Transport. 2018. Vol. 12. No. 3. Pp. 22–38. (In Rus.). doi: 10.24411/2072-8735-2018-10049.
  10. Sukhoplyuev D.I., Nazarov A.N. Stochastic approaches to ensuring the stability of distributed replication systems. IT-Standart. 2025. No. 2 (43). Pp. 78–92. (In Rus.). EDN: RQBGUU.
  11. Sukhoplyuev D.I., Nazarov A.N. Modeling of stability in distributed systems based on the generalized Erdős–Rényi model and the Gilbert–Elliott model. Computational Nanotechnology. 2025. Vol. 12. No. 1. Pp. 79–88. (In Rus.). doi: 10.33693/2313-223X-2025-12-1-79-88.
  12. Shelukhin O.I., Tenyakshev A.M., Osin A.V. Fractal Processes in Telecommunications. Moscow: Radiotekhnika, 2003. ISBN: 5-93108-030-9.
  13. Padhye J., Firoiu V., Towsley D., Kurose J. Modeling TCP Reno performance: a simple model and its empirical validation. IEEE/ACM Transactions on Networking. 2000. Vol. 8. No. 2. Pp. 133–145. doi: 10.1109/90.842137.
  14. Li W., Liu J., Wang S. et al. Survey on traffic management in data center network: From link layer to application layer. IEEE Access. 2021. Vol. 9. Pp. 38427–8456. doi: 10.1109/ACCESS.2021.3064008. EDN: RMEAJI.
  15. Kim B., Kim J., Lee S. Exploring security enhancements in Kubernetes CNI: A deep dive into network policies. IEEE Access. 2025. Vol. 13. Pp. 35322–35338. doi: 10.1109/access.2025.3543841. EDN: RVUJWM.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Performance comparison of implementations

Download (113KB)
3. Fig. 2. Scalability assessment (speedup)

Download (107KB)


License URL: https://www.urvak.ru/contacts/

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».