Эндрю Уэзеролл - Компьютерные сети. 5-е издание

На рис. 6.13 показан пример управления динамическим окном в дейтаграммной сети с 4-битными порядковыми номерами. В этом примере данные передаются в виде сегментов от хоста A к хосту B, а подтверждения и запросы на предоставление буферов идут в обратном направлении (также в виде сегментов). Вначале хост A запрашивает 8 буферов, но ему выделяется только 4. Затем он посылает три сегмента, из которых последний теряется. На шаге 6 хост A получает подтверждение получения посланных им сегментов 0 и 1, в результате чего хост А может освободить буферы и послать еще три сегмента (с порядковыми номерами 2, 3 и 4). Хост A знает, что сегмент номер 2 он уже посылал, поэтому он думает, что может послать сегменты 3 и 4, что он и делает. На этом шаге он блокируется, так как его счетчик буферов достиг нуля и ждет предоставления новых буферов. На шаге 9 наступает тайм-аут хоста А, так как он до сих пор не получил подтверждения для сегмента 2. Этот сегмент посылается еще раз. В строке 10 хост B подтверждает получение всех сегментов, включая 4-й, но отказывается предоставлять буферы хосту A. Такая ситуация невозможна в протоколах с фиксированным размером окна, описанных в главе 3. Следующий сегмент, посланный хостом B, разрешает хосту A передать еще один сегмент. Это произойдет тогда, когда у B появится свободное буферное пространство — скорее всего, потому, что потребитель транспортных услуг принял больше данных.

Рис. 6.13.Динамическое выделение буферов. Стрелками показано направление передачи. Многоточие (...) означает потерянный сегмент

Проблемы при такой схеме выделения буферов в дейтаграммных сетях могут возникнуть при потере управляющего сегмента — что действительно может произойти. Взгляните на строку 16. Хост B выделил хосту A дополнительные буферы, но сообщение об этом было потеряно. Вот так неожиданность! Поскольку получение управляющих сегментов не подтверждается и, следовательно, управляющие сегменты не посылаются повторно по тайм-ауту, хост A теперь оказался блокированным всерьез и надолго. Для предотвращения такой тупиковой ситуации каждый хост должен периодически посылать управляющий сегмент, содержащий подтверждение и состояние буферов для каждого соединения. Это позволит, в конце концов, выбраться из тупика.

До сих пор мы по умолчанию предполагали, что единственное ограничение, накладываемое на скорость передачи данных, состоит в количестве свободного буферного пространства у получателя. Однако часто это бывает не так. По мере колоссального снижения цен (некогда очень высоких) на микросхемы памяти и винчестеры становится возможным оборудовать хосты таким количеством памяти, что проблема нехватки буферов будет возникать очень редко, если вообще будет возникать, даже если соединение охватывает крупные территории. Конечно же, необходимо, чтобы выбранный размер буфера был достаточно большим; это требование не всегда выполнялось в случае TCP (Zhang и др., 2002).

Если размер буферов перестанет ограничивать максимальный поток, возникнет другое узкое место: пропускная способность сети. Если максимальная скорость обмена кадрами между соседними маршрутизаторами будет x кадров в секунду и между двумя хостами имеется k непересекающихся путей, то, сколько бы ни было буферов у обоих хостов, они не смогут пересылать друг другу больше, чем kx сегментов в секунду. И если отправитель будет передавать с большей скоростью, то сеть окажется перегруженной.

Требуется механизм, который мог бы ограничивать передачу данных со стороны отправителя и основывался не столько на емкости буферов получателя, сколько на пропускной способности сети. В 1975 году Белснес (Belsnes) предложил использовать для управления потоком данных схему скользящего окна, в которой отправитель динамически приводит размер окна в соответствие с пропускной способностью сети. Таким образом, скользящее окно позволяет одновременно реализовать и управление потоком, и контроль перегрузки. Если сеть может обработать c сегментов в секунду, а время цикла (включая передачу, распространение, ожидание в очередях, обработку получателем и возврат подтверждения) равно г, тогда размер окна отправителя должен быть равен cr. При таком размере окна отправитель работает, максимально используя канал. Любое уменьшение производительности сети приведет к его блокировке. Так как пропускная способность сети меняется с течением времени, размер окна должен настраиваться довольно часто, чтобы можно было отслеживать изменения пропускной способности. Как будет показано ниже, в TCP используется похожая схема.

6.2.5. Мультиплексирование

Объединение нескольких разговоров в одном соединении, виртуальном канале и по одной физической линии играет важную роль в нескольких уровнях сетевой архитектуры. Потребность в подобном уплотнении возникает в ряде случаев и на транспортномуровне. Например, если у хоста имеется только один сетевой адрес, он используется всеми соединениями транспортного уровня. Нужен какой-то способ, с помощью которого можно было бы различать, какому процессу следует передать входящий сегмент. Такая ситуация, называемая мультиплексированием, показана на рис. 6.14, а. На рисунке четыре различных соединения транспортного уровня используют одно сетевое соединение (например, один IP-адрес) с удаленным хостом.

Рис. 6.14.Мультиплексирование: а — прямое; б — обратное мультиплексирование

Уплотнение может играть важную роль на транспортном уровне и по другой причине. Предположим, например, что хост может использовать несколько различных сетевых путей. Если пользователю требуется большая пропускная способность или большая надежность, нежели может предоставить один сетевой путь, то можно попробовать решить эту проблему путем открытия соединения, распределяющего трафик между путями, используя их поочередно, как показано на рис. 6.14, б. Такой метод называется обратным мультиплексированием. При k открытых сетевых соединениях эффективная пропускная способность может увеличиться в k раз. Примером обратного мультиплексирования является SCTP( Stream Control Transmission Protocol— протокол передачи с управлением потоками), позволяющий устанавливать соединение с множественными сетевыми интерфейсами. TCP, наоборот, использует отдельный сокет. Обратное мультиплексирование используется и на канальном уровне — при этом несколько медленных каналов связи объединяются в один, работающий гораздо быстрее.