Эндрю Уэзеролл - Компьютерные сети. 5-е издание

6.3. Контроль перегрузки

Если транспортные подсистемы нескольких машин будут отправлять в сеть слишком много пакетов с большой скоростью, сеть окажется перегруженной, и производительность резко снизится, что приведет к задержке и потере пакетов. Контроль перегрузки, направленный на борьбу с такими ситуациями, требует совместной работы сетевого и транспортного уровней. Так как перегрузки происходят на маршрутизаторах, их обнаружением занимается сетевой уровень. Однако в конечном итоге причиной перегрузки является трафик, переданный транспортным уровнем в сеть. Поэтому единственный эффективный способ контролировать перегрузки состоит в более медленной передаче пакетов транспортными протоколами.

В главе 5 мы говорили о механизмах контроля перегрузки на сетевом уровне. В этом разделе мы расскажем о другой части этого процесса — механизмах контроля перегрузки на транспортном уровне. После обсуждения основных задач контроля перегрузки мы перейдем к описанию методов, позволяющих хостам регулировать скорость передачи пакетов в сеть. Контроль перегрузки в сети Интернет опирается во многом на транспортный уровень; для этого в TCP и другие протоколы встроены специальные алгоритмы.

6.3.1. Выделение требуемой пропускной способности

Перед тем как перейти к описанию методов регулирования трафика, необходимо понять, чего мы хотим от алгоритма контроля перегрузки. То есть мы должны определить, какое состояние сети должен поддерживать такой алгоритм. В его задачи входит не только предотвращение перегрузок: он должен правильно распределять пропускную способность между транспортными подсистемами, работающими в сети. Правильное распределение пропускной способности должно обеспечивать сети хорошую производительность (так как при этом сеть должна работать с использованием всей доступной мощности без перегрузок), следовать принципу равноправия конкурирующих транспортных подсистем и быстро отслеживать изменения в запросах на выделение ресурсов. Мы рассмотрим каждый из этих критериев отдельно.

Эффективность и мощность

Эффективное распределение пропускной способности между транспортными подсистемами должно использовать все возможности сети. Однако это не значит, что в случае канала со скоростью 100 Мбит/с каждая из пяти транспортных подсистем должна получить по 20 Мбит/с. Для хорошей производительности им необходимо выделить меньшую мощность. Причина в том, что трафик часто бывает неравномерным. В разделе 5.3 мы определили эффективную пропускную способность (goodput, скорость, с которой полезные пакеты прибывают к получателю) как функцию нагрузки на сеть. Эта кривая и соответствующая ей кривая задержки (как функция нагрузки) приведены на рис. 6.16.

Рис. 6.16. Эффективная пропускная способность (а); задержка как функции нагрузки (б)

Сначала с ростом нагрузки на сеть эффективная пропускная способность увеличивается с постоянной скоростью (рис. 6.16, а), но когда значение нагрузки приближается к значению пропускной способности, рост эффективной пропускной способности замедляется. Этот спад необходим для того, чтобы предотвратить переполнение буферов сети и потерю данных в случае всплесков трафика. Если транспортный протокол выполняет повторную передачу задерживающихся, но не потерянных пакетов, может произойти отказ сети из-за перегрузки. В таком случае отправители продолжают передавать все больше и больше пакетов, а пользы от этого все меньше и меньше.

График задержки пакетов приведен на рис. 6.16, б. Сначала задержка является постоянной и соответствует задержке распространения в сети. Когда значение нагрузки приближается к значению пропускной способности, задержка возрастает, причем сначала медленно, а затем все быстрее и быстрее. Это происходит опять же из-за всплесков трафика, которые возрастают при высокой нагрузке. В действительности задержка не может уходить в бесконечность, если только модель не предполагает использование бесконечных буферов. Вместо этого пакеты будут теряться при переполнении буферов.

Для достижения хорошей эффективной пропускной способности и задержки производительность должна начать снижаться в момент возникновения перегрузки. Логично, что для достижения лучшей производительности сети можно выделять пропускную способность до тех пор, пока задержка не пойдет резко вверх. Эта точка находится ниже пропускной способности сети. Чтобы ее определить, Кляйнрок (Klein-rock) в 1979 году предложил ввести метрику мощность (power), которая вычисляется по формуле:

мощность = нагрузка/задержка.

Пока задержка достаточно мала и почти постоянна, мощность растет с ростом нагрузки на сеть; при резком повышении задержки она достигает максимума и резко снижается. Нагрузка, при которой мощность достигает максимума, и является наиболее эффективной нагрузкой, которую транспортная подсистема может передавать в сеть.

Равнодоступность по максиминному критерию

Пока мы еще не говорили о том, как распределять пропускную способность между несколькими отправителями. Кажется, что ответ очень прост: можно разделить пропускную способность между ними поровну. Однако на самом деле этот вопрос требует некоторых уточнений.

Во-первых, зададимся вопросом: какое отношение эта проблема имеет к контролю нагрузки? В конце концов, если сеть предоставляет отправителю некоторое количество пропускной способности, он должен просто использовать то, что у него есть. Однако на практике сети часто не резервируют строго ограниченное количество пропускной способности для потока или соединения. Конечно, для некоторых потоков они могут это делать (если есть поддержка качества обслуживания), но, как правило, многие соединения стремятся использовать максимум доступной пропускной способности; также возможен вариант, при котором сеть выделяет ресурсы для совместного использования группой соединений. К примеру, дифференцированное обслуживание IETF разделяет трафик на два класса, и соединения конкурируют друг с другом в пределах каждого из этих классов. Часто все соединения одного IP-маршрутизатора используют общую пропускную способность. В таких случаях распределение пропускной способности между конкурирующими соединениями должно осуществляться за счет механизмов контроля нагрузки.

Во-вторых, не совсем ясно, что такое равноправие потоков в сети. Если N потоков используют один канал, то решение довольно просто: каждому из них выделяется 1/N пропускной способности (в случае импульсного трафика эта величина по соображениям эффективности будет немного меньше). Но что если потоки используют разные, но пересекающиеся пути? К примеру, если один поток проходит по трем каналам, а остальные потоки — по одному? Очевидно, что поток, проходящий по трем каналам, потребляет больше сетевых ресурсов. Поэтому в некотором смысле справедливее было бы выделить ему меньше пропускной способности, чем остальным потокам (проходящим по одному каналу). Кроме того, неплохо было бы обеспечить возможность добавления новых одноканальных потоков за счет уменьшения пропускной способности трехканального. Как показывает этот пример, между равноправием и эффективностью всегда существуют противоречия.