← Публікації

Малонавантажені розподілені мережі передачі даних: поняття, градація та порівняльний аналіз

Автор поняття: Колпаков Андрій Валерійович

Версія: 30 вересня 2026 р.

Пов'язані матеріали: Маніфест Zero Knowledge Infrastructure, порівняння мереж.

---

Анотація

У статті вводиться поняття малонавантаженої розподіленої мережі передачі даних — мережі, у якій навантаження на кожен вузол (трафік, зберігання, службовий стан) обмежене колом учасників цього вузла й не зростає зі зростанням мережі загалом. Показано, що наявні в теорії зв'язку градації навантаження (коефіцієнт завантаження, ерланги, точки «коліна» (knee) та «обриву» (cliff) на кривій залежності пропускної здатності від навантаження, класи якості обслуговування) описують стан мережі в певний момент, а не властивість її архітектури, і тому не розрізняють мережі за цією ознакою. Запропоновано шість ознак малонавантаженої мережі та градацію класів LL-0…LL-3 (від англ. low-load — малонавантажена) за асимптотикою навантаження на вузол. Виконано порівняльний аналіз п'ятнадцяти мереж — від FidoNet (1984) до Nevod (2026) — із зазначенням їхніх попередників у літературі: мереж довірених вузлів (F2F), мереж, стійких до затримок (DTN), розподілених геш-таблиць, локально-орієнтованого ПЗ (local-first) і громадських мереж (community networks).

Ключові слова: розподілені мережі, децентралізація, навантаження на вузол, масштабованість, F2F, DTN, однорангові мережі, месенджери, Zero Knowledge Infrastructure.

---

1. Вступ

Більшість сучасних сервісів обміну повідомленнями централізовані: усю мережу обслуговують сервери однієї компанії, і навантаження на ці сервери зростає разом із кількістю користувачів. Децентралізовані альтернативи — федеративні мережі, однорангові оверлеї, анонімізувальні мережі — розподіляють володіння інфраструктурою, але, як буде показано нижче, зазвичай не розподіляють навантаження: вузол федерації чи оверлея несе трафік, історію й службовий стан, породжені чужими користувачами, і його навантаження знову зростає з розміром мережі або її популярної частини.

Мета роботи — виокремити клас мереж, у яких навантаження вузла визначається лише його власним колом: користувачами та програмними агентами (ботами, ШІ-агентами, службами), для яких він є домашнім вузлом, — дати йому визначення, запропонувати вимірювану градацію та зіставити наявні мережі за цією ознакою.

2. Навантаження в мережах передачі даних: наявні поняття

2.1 Коефіцієнт завантаження

У теорії масового обслуговування навантаження каналу чи вузла характеризується коефіцієнтом завантаження ρ = λ/μ — відношенням інтенсивності надходження заявок до інтенсивності їх обслуговування [1]. При ρ → 1 довжина черги й затримка необмежено зростають; при ρ > 1 система перевантажена. На практиці виділяють орієнтовні рівні: низьке завантаження (ρ < ~0,3), помірне (0,3–0,7), високе (0,7–0,9), насичення й перевантаження; канали операторів зазвичай планують із запасом до ~70–80 % у годину пік. Ці пороги — інженерні орієнтири, а не єдиний стандарт.

2.2 Телетрафік: ерланги та година найбільшого навантаження

У телефонії інтенсивність навантаження вимірюється в ерлангах (1 Ерл — один канал, зайнятий безперервно) [2]; розрахунок ведеться за годиною найбільшого навантаження (ГНН), розрізняють навантаження, що надходить, обслужене й втрачене, а якість обслуговування задають як допустиму частку відмов (формули Ерланга B і C) [1, 2].

2.3 Реакція мережі на зростання навантаження: «коліно» та «обрив»

Джейн, Рамакрішнан і Чіу [3] описали три області роботи мережі: до «коліна» (knee) пропускна здатність зростає разом із навантаженням за малої затримки; між «коліном» і «обривом» (cliff) пропускна здатність майже не зростає, а затримка швидко збільшується; за «обривом» настає затор і колапс. У точці «коліна» досягається максимум відношення пропускної здатності до затримки («потужності» мережі); на цьому розрізненні ґрунтуються уникнення перевантаження (congestion avoidance: утримання роботи біля «коліна») і керування перевантаженням (congestion control: недопущення «обриву»). На цих ідеях побудовано керування перевантаженням у TCP [4].

2.4 Класи трафіку та якості обслуговування

Архітектура диференційованого обслуговування DiffServ [5] вводить класи обробки трафіку (термінове пересилання EF, гарантоване AF, «за можливості» BE); рекомендація ITU-T Y.1541 [6] задає класи якості IP-мереж 0–5 за затримкою, джитером і втратами. Це градації вимог до доставки, а не навантаження.

2.5 Режими навантаження: від недовантаження до колапсу

Режими роботи мережі за навантаженням описано в стандартах і класичних працях:

Терміна «довантажена мережа» у стандартах і літературі немає; рівню, на який розрахована мережа, відповідає «нормальне навантаження» за E.500.

Усі ці режими — стани мережі в конкретний момент: та сама мережа вранці недовантажена, увечері працює за нормального навантаження, під час аварії перевантажена. Вісь режимів і вісь архітектурних класів, що вводиться нижче, незалежні: мережа класу LL-0 теж може виявитися перевантаженою, наприклад якщо вузол працює на слабкому каналі.

2.6 Масштабування навантаження на вузол

У літературі з розподілених систем витрати вузла оцінюють асимптотично залежно від кількості учасників N: розсилання всім вузлам — O(N) на повідомлення; розподілені геш-таблиці (Chord [7], Kademlia [8]) — O(log N) на маршрутизацію й таблицю сусідів. Трапляється й твердження, що в однорангових системах максимальне навантаження на вузол не зростає з кількістю вузлів, оскільки нові вузли приносять ресурсів більше, ніж споживають [9], — але йдеться про статистичне вирівнювання навантаження, що складається з чужих запитів.

2.7 Висновок

Градації 2.1–2.5 відповідають на питання «наскільки мережа завантажена зараз»; за ними та сама мережа буває то мало, то сильно навантаженою. Російське словосполучення «малонагруженная сеть» («малонавантажена мережа») на практиці вживається саме в цьому описовому значенні (мережа чи машина з малим завантаженням) і не є терміном, що позначає клас архітектури. У кабельній телефонії слово «навантаження» має й третє значення — «навантажена лінія» з котушками індуктивності (пупінізація). Лише вісь 2.6 стосується властивості архітектури, але стандартної градації мереж за нею немає.

3. Розподілені мережі: огляд підходів

Централізовані сервіси (WhatsApp, 2009; Telegram, 2013; Signal, 2014 [10]) — наскрізне шифрування вмісту може бути сильним, але сервери, облікові записи й метадані перебувають в однієї організації; навантаження серверів зростає з усією аудиторією.

Федеративні мережі — електронна пошта, Matrix (2014) [11], ActivityPub/Mastodon (2016; рекомендація W3C 2018) [12]. Володіння розподілене між серверами, але навантаження сервера зростає з його зовнішніми зв'язками: у Matrix історія великої кімнати реплікується на кожен сервер-учасник, в ActivityPub розсилання зростає з кількістю підписників.

Однорангові оверлеї та розподілені геш-таблиці — Freenet (2001) [13], Chord [7], Kademlia [8]. Вузли рівноправні, навантаження O(log N), але вузол зберігає й маршрутизує дані незнайомих учасників.

Мережі довірених вузлів (F2F, від англ. friend-to-friend). Термін запропонував Д. Бріклін 2000 р. [14]: вузол встановлює з'єднання лише з вузлами своїх знайомих. Приклади: Turtle (Попеску, Кріспо, Таненбаум, 2004) [15], OneSwarm [16], «темний» режим Freenet, RetroShare, GNUnet; сюди ж належать сховища на довірених вузлах [17]. Кількість з'єднань вузла обмежена кількістю його друзів [18, 19], однак повідомлення ланцюжками друзів проходять через незацікавлені вузли, а маршрутизація в таких мережах лишається складним завданням [18, 19, 20]. F2F-мережі — найближчий попередник запропонованого поняття: вони першими обмежили вузол колом його знайомих — але за кількістю з'єднань, а не за навантаженням.

Анонімізувальні оверлейні мережі (цибулева маршрутизація) — розвиток ідеї мереж змішування Д. Чаума (1981) [40] та цибулевої маршрутизації Д. Ґолдшлаґа, М. Ріда й П. Сіверсона (1996) [41]; реалізації — Tor (2002–2004) [21], Session (2020) [22]. Вузли-ретранслятори, які тримають волонтери чи оператори, несуть чужий транзит пропорційно своїй пропускній здатності.

Мережі, стійкі до затримок (DTN) — архітектура Фолла (2003) [23], RFC 4838 [24], Bundle Protocol v7, RFC 9171 [25]: «зберегти й переслати» за розривів зв'язку. Історична реалізація того самого принципу — FidoNet (1984) [26], сучасна — NNCP (2016) [27].

Стеки для будь-яких каналів і радіомережі — Reticulum (протокол опубліковано 2016 р.) та месенджер LXMF [28]: робота від одиниць біт за секунду (LoRa, пакетне радіо) до інтернету, шифрування за замовчуванням; Meshtastic (2020) [29] — текстовий зв'язок через радіомодулі LoRa.

Громадські мережі (community networks) — Freifunk, Guifi.net [30]: мережі, які створюють і обслуговують самі користувачі.

Локально-орієнтоване ПЗ (local-first) [31] і Secure Scuttlebutt (2014) [32]: дані живуть у користувача; у SSB вузол зберігає стрічки своїх друзів і друзів друзів, а синхронізація відбувається під час зустрічі вузлів.

Ретранслятори — Nostr (2020) [33]: прості сервери-ретранслятори, популярні з яких навантажені всією аудиторією.

4. Поняття малонавантаженої розподіленої мережі

4.1 Визначення

Малонавантажена розподілена мережа передачі даних — мережа, у якій кожен вузол обслуговує невелике, природно обмежене коло учасників і пропускає переважно їхній власний трафік. Вузли рівноправні й працюють на звичайному обладнанні. Мережа передає мінімально необхідне, допускає затримки й розриви зв'язку та не має центру, вимкнення чи вилучення якого зупинить її роботу.

Поняття стосується устрою мережі, а не її завантаження в певний момент (п. 2.5, 2.7).

4.2 Ознаки

1. Своє коло — навантаження вузла зростає з його колом: людьми та програмними агентами, яких він обслуговує, а не з розміром усієї мережі. Головна ознака.
2. Звичайне обладнання — домашній комп'ютер, міні-сервер, маршрутизатор; центр обробки даних не потрібен.
3. Економія передачі — спершу текст і сигнали, об'ємні дані за запитом.
4. Стійкість до затримок — за відсутності зв'язку повідомлення чекає й передається пізніше, зокрема повільним каналом.
5. Відсутність центру — немає єдиної точки відмови, блокування чи вилучення.
6. Сліпота вузла — вузол переносить лише шифротекст і не може його прочитати (принцип Zero Knowledge Infrastructure).

4.3 Відмінність від попередників

5. Градація: класи LL

Клас навантаження вузла визначається найшвидше зростаючою з трьох його складових: трафіку, що пропускається, даних, що зберігаються, службового стану, що підтримується. N — кількість учасників мережі, k — розмір кола вузла: кількість його користувачів і програмних агентів. Запис O(x) («O велике від x»; запроваджений П. Бахманом 1894 р. [42] і поширений Е. Ландау 1909 р. [43]) означає, що величина зростає не швидше, ніж x, помножене на сталу; для класу LL-0 в оцінці навантаження немає N, лише k.

Малонавантаженою мережею в строгому сенсі називається мережа класу LL-0; LL-1 — майже малонавантаженою.

6. Порівняльний аналіз

6.1 Ознаки (1 — виконано, ½ — частково, 0 — ні) і класи

Пояснення. Signal і WhatsApp отримують ½ за ознакою 6: вміст наскрізно зашифрований, але організація бачить метадані й керує серверами. У Reticulum і NNCP проміжні вузли несуть і зберігають чужі пакети (ознака 1 — ½, клас LL-1). Рік — перший публічний випуск (Reticulum: розробка з 2014 р.; Signal: попередники TextSecure/RedPhone — 2010 р.; Briar: розробка з 2011 р.).

6.2 Спостереження

• За головною ознакою (клас LL) найсуворіші Nevod, Briar і Secure Scuttlebutt (LL-0); Reticulum і NNCP належать до LL-1.
• Усі централізовані та федеративні мережі, а також анонімізувальні оверлейні мережі — LL-3: децентралізація володіння не означає децентралізації навантаження.

7. Nevod як приклад класу LL-0 та його обмеження

Nevod [34] — мережа обміну повідомленнями, побудована за принципом Zero Knowledge Infrastructure: вузол («нода») обслуговує лише своїх учасників і переносить зашифровані повідомлення, не маючи доступу до вмісту; центру немає; ноди працюють на домашньому обладнанні або орендованих серверах. Службова таблиця нод зростає з кількістю нод, а не користувачів, і мала.

Обмеження станом на вересень 2026 р. (ознаки виконано не повністю, практику не підтверджено):

• ознака 3: медіадані передаються цілком, без прев'ю та завантаження за запитом;
• ознака 4: недоставлені повідомлення зберігаються 72 години, робота лише через інтернет;
• немає прямої секретності (forward secrecy): повідомлення шифруються на довготривалий ключ отримувача;
• вузол бачить метадані доставки (хто, кому, коли);
• робочий прототип без реальних користувачів і без незалежного аудиту; код закритий; застосунок лише для iOS.

Ознаки виведено з принципів Nevod, тож порівняння йому свідомо сприятливе; оцінка Nevod відображає архітектуру, а не зрілість продукту.

8. Відкриті питання

1. Зберігання для отримувача, який довго перебуває поза мережею: хто зберігає й скільки, не порушуючи клас LL-0.
2. Пошук шляху між вузлами за їх великої кількості без центрального каталогу.
3. Чи допустимий обмежений транзит (LL-1) заради доставки повільними каналами, і чи потрібна взаємність («пропускаєш чуже — пропускають твоє»).
4. Які складові вважати навантаженням: трафік, зберігання, стан, енергоспоживання, час адміністратора.
5. Формальна метрика «кола вузла» k та її вимірювання на реальних мережах.

9. Висновок

Наявні в теорії зв'язку поняття навантаження описують стан мережі, а не властивість її архітектури. Запропоноване поняття малонавантаженої розподіленої мережі виокремлює архітектурний клас, у якому навантаження вузла обмежене його колом, і доповнює відомі підходи — F2F, DTN, розподілені геш-таблиці, local-first, громадські мережі — поєднанням шести ознак. Градація LL-0…LL-3 робить поняття вимірюваним і дає змогу віднести до класу будь-яку мережу. Перевірка на практиці та повний огляд літератури за закритими базами (IEEE, ACM, eLibrary) — наступні кроки.

---

Література

1. Kleinrock L. Queueing Systems. Vol. 1: Theory. — New York: Wiley, 1975.
2. Erlang A. K. The theory of probabilities and telephone conversations // Nyt Tidsskrift for Matematik B. — 1909. — Vol. 20. — P. 33–39.
3. Jain R., Ramakrishnan K. K., Chiu D.-M. Congestion Avoidance in Computer Networks with a Connectionless Network Layer. — DEC-TR-506, 1988. — https://arxiv.org/abs/cs/9809094
4. Jacobson V. Congestion Avoidance and Control // Proc. ACM SIGCOMM '88. — 1988. — https://ee.lbl.gov/papers/congavoid.pdf
5. Blake S. et al. An Architecture for Differentiated Services. — RFC 2475, 1998. — https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc2475
6. ITU-T Recommendation Y.1541. Network performance objectives for IP-based services. — https://www.itu.int/rec/T-REC-Y.1541
7. Stoica I. et al. Chord: A Scalable Peer-to-peer Lookup Service for Internet Applications // Proc. ACM SIGCOMM 2001. — https://pdos.csail.mit.edu/papers/chord:sigcomm01/chord_sigcomm.pdf
8. Maymounkov P., Mazières D. Kademlia: A Peer-to-peer Information System Based on the XOR Metric // IPTPS 2002. — https://pdos.csail.mit.edu/~petar/papers/maymounkov-kademlia-lncs.pdf
9. LibreSocial: A Peer-to-Peer Framework for Online Social Networks. — 2020. — https://arxiv.org/abs/2001.02962
10. Signal Protocol: Technical Documentation. — https://signal.org/docs/
11. Matrix Specification. — https://spec.matrix.org/
12. Lemmer-Webber C., Tallon J. et al. ActivityPub. W3C Recommendation, 2018. — https://www.w3.org/TR/activitypub/
13. Clarke I., Sandberg O., Wiley B., Hong T. W. Freenet: A Distributed Anonymous Information Storage and Retrieval System // Designing Privacy Enhancing Technologies, LNCS 2009. — Springer, 2001. — https://link.springer.com/chapter/10.1007/3-540-44702-4_4
14. Bricklin D. Friend-to-Friend Networks. — 2000. — http://www.bricklin.com/f2f.htm ; огляд: https://en.wikipedia.org/wiki/Friend-to-friend
15. Popescu B. C., Crispo B., Tanenbaum A. S. Safe and Private Data Sharing with Turtle: Friends Team-Up and Beat the System // Security Protocols, 12th International Workshop, 2004. — https://link.springer.com/chapter/10.1007/11861386_24
16. Isdal T., Piatek M., Krishnamurthy A., Anderson T. Privacy-preserving P2P data sharing with OneSwarm // Proc. ACM SIGCOMM 2010. — https://dl.acm.org/doi/10.1145/1851182.1851198
17. Li J., Dabek F. F2F: reliable storage in open networks // IPTPS 2006. — https://pdos.csail.mit.edu/~jinyang/pub/iptps-f2f.pdf
18. Evans N. S., GauthierDickey C., Grothoff C. Routing in the Dark: Pitch Black // ACSAC 2007. — https://www.researchgate.net/publication/4303478_Routing_in_the_Dark_Pitch_Black
19. Roos S., Strufe T. A Contribution to Analyzing and Enhancing Darknet Routing // IEEE INFOCOM 2013. — https://www.researchgate.net/publication/261060412_A_Contribution_to_Analyzing_and_Enhancing_Darknet_Routing
20. Roos S., Beck M., Strufe T. VOUTE — Virtual Overlays Using Tree Embeddings. — 2016. — https://arxiv.org/abs/1601.06119 ; див. також Socially-Aware Distributed Hash Tables for Decentralized Online Social Networks. — https://arxiv.org/abs/1508.05591
21. Dingledine R., Mathewson N., Syverson P. Tor: The Second-Generation Onion Router // Proc. 13th USENIX Security Symposium, 2004. — https://www.usenix.org/legacy/event/sec04/tech/dingledine.html
22. Jefferys K., Shishmarev M., Harman S. Session: End-To-End Encrypted Conversations With Minimal Metadata Leakage. — 2020. — https://arxiv.org/abs/2002.04609
23. Fall K. A Delay-Tolerant Network Architecture for Challenged Internets // Proc. ACM SIGCOMM 2003. — https://dl.acm.org/doi/10.1145/863955.863960
24. Cerf V. et al. Delay-Tolerant Networking Architecture. — RFC 4838, 2007. — https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc4838
25. Burleigh S., Fall K., Birrane E. Bundle Protocol Version 7. — RFC 9171, 2022. — https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc9171
26. FidoNet Technical Standards Committee. — http://ftsc.org/
27. Matveev S. NNCP — Node to Node copy. — http://www.nncpgo.org/
28. Qvist M. Reticulum Network Stack: Manual. — https://reticulum.network/ ; https://github.com/markqvist/Reticulum
29. Meshtastic. — https://meshtastic.org/
30. Braem B. et al. A case for research with and on community networks // ACM SIGCOMM Computer Communication Review. — 2013. — Vol. 43, No. 3. — P. 68–73. — https://doi.org/10.1145/2500098.2500108 ; Freifunk: https://freifunk.net/ ; Guifi.net: https://guifi.net/
31. Kleppmann M., Wiggins A., van Hardenberg P., McGranaghan M. Local-first software: you own your data, in spite of the cloud // Onward! 2019. — https://doi.org/10.1145/3359591.3359737 ; https://www.inkandswitch.com/local-first/
32. Tarr D., Lavoie E., Meyer A., Tschudin C. Secure Scuttlebutt: An Identity-Centric Protocol for Subjective and Decentralized Applications // ACM ICN '19. — 2019. — https://doi.org/10.1145/3357150.3357396
33. Nostr: Notes and Other Stuff Transmitted by Relays (NIPs). — https://github.com/nostr-protocol/nips
34. Nevod. Zero Knowledge Infrastructure. — https://nevod.network/
35. Briar Project. — https://briarproject.org/
36. ITU-T Recommendation E.500. Traffic intensity measurement principles. — 1998. — https://www.itu.int/rec/T-REC-E.500
37. ITU-T Recommendation E.412. Network management controls. — 1988. — https://www.itu.int/rec/T-REC-E.412
38. Nagle J. Congestion Control in IP/TCP Internetworks. — RFC 896, 1984. — https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc896
39. ГОСТ 22348-86. Єдина автоматизована мережа зв'язку. Терміни та визначення (ГОСТ 22348-86. Сеть связи автоматизированная единая. Термины и определения). — http://docs.cntd.ru/document/1200015727
40. Chaum D. L. Untraceable Electronic Mail, Return Addresses, and Digital Pseudonyms // Communications of the ACM. — 1981. — Vol. 24, No. 2. — P. 84–90. — https://doi.org/10.1145/358549.358563
41. Goldschlag D. M., Reed M. G., Syverson P. F. Hiding Routing Information // Information Hiding, LNCS 1174. — Springer, 1996. — P. 137–150. — https://doi.org/10.1007/3-540-61996-8_37
42. Bachmann P. Die analytische Zahlentheorie (Zahlentheorie, Teil 2). — Leipzig: Teubner, 1894. — https://archive.org/details/dieanalytischeza00bachuoft
43. Landau E. Handbuch der Lehre von der Verteilung der Primzahlen. — Leipzig: Teubner, 1909. — https://archive.org/details/handbuchderlehre01landuoft

---

Примітка щодо методики. Огляд виконано за відкритими джерелами; платні бази (IEEE Xplore, ACM Digital Library — повні тексти, Springer, eLibrary) систематично не переглядалися. Оцінки ознак і класів — експертні, за публічними описами мереж станом на вересень 2026 р.

← Публікації