Эндрю Уэзеролл - Компьютерные сети. 5-е издание

Необходимо пояснить, в чем состоит разница между борьбой с перегрузкой и управлением потоком. Предотвращение перегрузки гарантирует, что сеть справится с предлагаемым ей трафиком. Это глобальный вопрос, включающий поведение всех хостов и маршрутизаторов. Управление потоком, напротив, относится к трафику между двумя конкретными станциями — отправителем и получателем. Задача управления потоком состоит в согласовании скорости передачи отправителя со скоростью, с которой получатель способен принимать поток пакетов.

Чтобы разница между этими двумя проблемами стала яснее, представьте себе сеть, состоящую из оптоволоконных линий с пропускной способностью в 100 Гбит/с, по которой суперкомпьютер пытается передать большой файл персональному компьютеру, способному принимать данные со скоростью 1 Гбит/с. Хотя перегрузки сети в данной ситуации не наблюдается, алгоритм управления потоком довольно часто заставляет суперкомпьютер приостанавливать передачу, чтобы персональный компьютер мог успевать принимать файл.

А вот другой пример. Рассмотрим сеть, состоящую из 1000 больших компьютеров, соединенных линиями с пропускной способностью в 1 Мбит/с. Одна половина компьютеров пытается передавать файлы другой половине со скоростью 100 Кбит/c. Здесь проблема заключается уже не в том, что медленные получатели не успевают принимать данные, посылаемые им быстрыми отправителями, а просто в неспособности сети пропустить весь предлагаемый трафик.

Причина, по которой управление потоком и борьбу с перегрузкой часто путают, заключается в том, что лучшее решение обеих проблем — добиться того, чтобы хост работал медленнее. Таким образом, хост может получить просьбу замедлить передачу в двух случаях: когда с передаваемым потоком не справляется получатель или когда с ним не справляется вся сеть. Мы еще будем рассматривать этот вопрос в главе 6.

Мы начнем изучение алгоритмов борьбы с перегрузкой с рассмотрения подходов, которые могут применяться в рамках различных временных интервалов. Затем мы познакомимся с методами предотвращения перегрузки, а также с различными алгоритмами борьбы с последствиями перегрузки.

5.3.1. Подходы к борьбе с перегрузкой

Наличие перегрузки означает, что нагрузка на сеть (временно) превышает возможности (сетевых) ресурсов. Соответственно, существует два возможных решения: увеличить ресурсы или снизить нагрузку. Как показано на рис. 5.20, эти решения обычно используют разные временные шкалы в зависимости от того, что требуется: предотвратить перегрузку или справиться с ней, если ее не удалось избежать.

Рис. 5.20. Временные шкалы подходов к борьбе с перегрузкой

Самый простой способ избежать перегрузки — построить такую сеть, которая лучше всего соответствует передаваемому по ней трафику. Если часть пути, по которому обычно пересылаются большие объемы данных, обладает низкой пропускной способностью, возникновение перегрузки очень вероятно. Иногда при возникновении перегрузки возможно динамическое добавление ресурсов, например подключение свободных маршрутизаторов или резервных линий (обеспечивающих отказоустойчивость системы), или же приобретение дополнительной пропускной способности на свободном рынке. Как правило, наиболее загруженные связи и маршрутизаторы обновляются при первой возможности. Этот процесс называется обеспечением (provisioning) и использует временную шкалу месяцев, основываясь на долгосрочных данных о динамике трафика.

Чтобы максимально эффективно использовать пропускную способность сети, маршруты могут строиться в соответствии со специальными схемами трафика, которые меняются в течение суток по мере того, как пользователи просыпаются и ложатся спать в различных временных зонах. Можно, например, отвести трафик от загруженных линий, изменив весовые коэффициенты кратчайшего пути. Некоторые радиостанции используют вертолеты, чтобы получить сведения о перегрузках на дорогах и передать их радиослушателям, которые благодаря этому смогут объехать «горячие точки». Это называется маршрутизацией с учетом состояния трафика (traffic-aware routing). В таком случае полезно также разделять трафик, направляя его по разным линиям.

Но иногда увеличение пропускной способности оказывается невозможным. Тогда единственным средством борьбы с перегрузкой является снижение нагрузки. В сети виртуальных каналов новые соединения могут быть отклонены, если они приведут к перегрузке сети. Это называется управлением доступом( admission control).

Возможен и более сложный вариант: когда перегрузка неизбежна, сеть может послать сообщение обратной связи тому отправителю, чей трафик вызывает проблему. Сеть может попросить отправителя уменьшить трафик или же сделать это сама.

Этот подход ( регулирование трафика — traffic throttling) требует ответа на два вопроса: как обнаружить зарождающуюся перегрузку и как сообщить об этом отправителю, который должен замедлить трафик. Решить первую проблему можно, если маршрутизаторы будут следить за средней нагрузкой на сеть, временем ожидания в очереди и числом утерянных пакетов. В любом случае увеличение значений параметров сигнализирует о приближении к перегрузке.

Для решения второй проблемы необходимо, чтобы маршрутизаторы входили в петлю обратной связи с отправителями. Чтобы данная схема работала, необходимо тщательно настроить временные параметры. Если каждый раз, когда два пакета приходят одновременно, какой-нибудь нервный маршрутизатор будет кричать «Стоп!», а простояв без работы 20 мкс, он же будет давать команду «Давай!», система будет находиться в состоянии постоянных незатухающих колебаний. С другой стороны, если маршрутизатор для большей надежности станет ждать 30 минут, прежде чем что-либо сообщить, то механизм борьбы с перегрузкой будет реагировать слишком медленно, чтобы приносить вообще какую-либо пользу. Своевременная доставка сообщений обратной связи — не такая уж простая задача. Кроме того, необходимо добиться того, чтобы маршрутизаторы отправляли больше сообщений, если сеть уже перегружена.

Наконец, если все остальные методы не работают, сеть вынуждена удалить пакеты, которые она не может доставить. Для этого используется общий термин сброс нагрузки( load shedding). Если правильно выбрать удаляемые пакеты, можно предотвратить затор.

5.3.2. Маршрутизация с учетом состояния трафика

Первый подход, который мы рассмотрим, называется маршрутизацией с учетом состояния трафика. Схемы, рассмотренные нами в разделе 5.2, используют фиксированные весовые коэффициенты связей. Эти схемы могут адаптироваться к изменению топологии, но не к изменению нагрузки. Причина, по которой при вычислении маршрутов нагрузку следует принимать во внимание, состоит в том, что благодаря этому можно будет отвести поток трафика от «горячих точек», в которых в первую очередь возникает перегрузка.