Эндрю Уэзеролл - Компьютерные сети. 5-е издание

Однако здесь мы будем использовать такое определение равноправия, в котором оно не зависит от длины сетевого пути. Даже в такой простой модели разделение пропускной способности поровну между соединениями является достаточно сложной задачей, так как разные соединения будут использовать разные пути, а эти пути, в свою очередь, будут обладать разной пропускной способностью. Это может привести к тому, что в нисходящем канале какого-то из потоков возникнет узкое место, и такой поток получит меньший «кусок» восходящего канала, чем другие. В таком случае уменьшение пропускной способности, выделяемой другим потокам, лишь замедлит их работу, но не исправит ситуацию с «застрявшим» потоком.

Часто в сетях удобнее использовать форму равноправия, которая называется равнодоступностью по максиминному критерию. Это значит, что увеличение пропускной способности одного потока невозможно без уменьшения пропускной способности какого-либо другого потока с меньшей или равной пропускной способностью. Иными словами, от увеличения пропускной способности потока страдают менее «обеспеченные» потоки.

Рассмотрим пример. На рис. 6.17 показано распределение пропускной способности по максиминному критерию в сети с четырьмя потоками A, B, C и D. Все каналы, соединяющие маршрутизаторы, обладают одинаковой пропускной способностью, принятой за 1 (хотя на практике это обычно не так). На пропускную способность канала, расположенного слева внизу (между маршрутизаторами R4 и R5), претендуют три потока. Поэтому каждый из них получает по 1/3. Оставшийся поток, A, конкурирует с B на участке от R2 до R3. Поскольку для B уже выделена 1/3 пропускной способности канала, A получает оставшееся количество, 2/3. Как видно из рисунка, на остальных каналах часть пропускной способности не используется. Но эти ресурсы нельзя отдать какому-либо потоку, не снизив пропускную способность другого, более медленного потока. К примеру, если на участке от R2 до R3 выделить потоку B больше пропускной способности, то потоку A достанется меньше. Это логично, поскольку на данный момент у A пропускной способности больше. Но для того чтобы обеспечить большую пропускную способность для потока B, придется снизить пропускную способность C или D (или обоих), и тогда его (или их) пропускная способность станет меньше пропускной способности B. Таким образом, данное распределение соответствует максиминному критерию.

Рис. 6.17. Распределение пропускной способности по максиминному критерию

для четырех потоков

Распределение пропускной способности по максиминному критерию можно вычислить на основе данных обо всей сети. Чтобы наглядно это себе представить, предположим, что скорость всех потоков медленно возрастает, начиная от 0. Как только у одного из потоков возникает узкое место, его скорость перестает расти. Далее скорость остальных потоков продолжает увеличиваться (при этом доступная пропускная способность делится поровну), пока каждый из них не дойдет до своего узкого места.

В-третьих, не очень понятно, на каком уровне рассматривать равноправие. Сеть может обеспечивать равноправие потоков на уровне соединений, соединений между парой хостов или всех соединений одного хоста. Эту проблему мы обсуждали, когда говорили о взвешенном справедливом обслуживании (см. раздел 5.4): выяснилось, что с каждым из этих вариантов связаны определенные трудности. К примеру, если считать равноправными все хосты, активно работающий сервер будет получать не больше ресурсов, чем обычный мобильный телефон; если же равноправными считать все соединения, хостам будет выгодно открывать дополнительные новые соединения. Поскольку на этот вопрос нет однозначного ответа, равноправие часто рассматривается применительно к соединениям, однако такое равноправие совсем не обязано быть точным. В первую очередь важно, чтобы ни одно соединение не осталось без пропускной способности. На самом деле, TCP позволяет открывать множественные соединения, что вызывает более жесткую конкуренцию. Эта тактика подходит для приложений, особенно требовательных к возможностям сети. Например, ее использует BitTorrent для однорангового совместного использования файлов.

Сходимость

Последний критерий состоит в том, что алгоритм контроля нагрузки должен быстро сходиться к справедливому и эффективному распределению пропускной способности. При обсуждении выбора рабочего режима мы исходили из того, что сетевая среда является статической. Однако на практике соединения то появляются, то исчезают, а пропускная способность, требующаяся каждому отдельному соединению, изменяется со временем — так, например, пользователь может долго просматривать веб-страницу, а затем вдруг начать загрузку большого видеофайла.

Такое непостоянство требований к сети приводит к тому, что идеальный рабочий режим постоянно меняется. Хороший алгоритм контроля нагрузки должен быстро сходиться к идеальному рабочему режиму и следить за его изменением с течением времени. Если алгоритм будет сходиться слишком медленно, он не будет успевать за изменениями рабочего режима. Если алгоритм будет нестабильным, в некоторых случаях он не будет сходиться к нужной точке или будет долго колебаться вокруг нее.

На рис. 6.18 показан пример распределения пропускной способности, которая изменяется со временем и быстро сходится. Изначально поток 1 получает всю пропускную способность. Через секунду начинает работать поток 2. Ему тоже нужна пропускная способность. Поэтому распределение быстро меняется, так чтобы оба потока получали по 1/2. Еще через три секунды появляется третий поток. Но он использует только 20 % пропускной способности — меньше, чем то, что ему полагается исходя из идеи равноправия (1/3). Потоки 1 и 2 быстро реагируют на изменение ситуации, и каждый из них получает 40 %. В момент времени 9 с второй поток отключается, а третий продолжает работать без изменений. Поток 1 быстро занимает 80 % пропускной способности. В каждый момент времени суммарная пропускная способность приблизительно равна 100 %, то есть возможности сети используются полностью; при этом все конкурирующие потоки оказываются в равных условиях (но не используют больше пропускной способности, чем им нужно).

Рис. 6.18. Изменение распределения пропускной способности с течением времени

6.3.2. Регулирование скорости отправки

Теперь самое время перейти к основному вопросу: как можно регулировать скорость отправки, чтобы получить необходимую пропускную способность? Скорость отправки может зависеть от двух факторов. Первый из них — управление потоком данных, которое требуется, если буфер получателя обладает недостаточной емкостью. Второй фактор — перегрузка, которую необходимо учитывать при недостаточной пропускной способности сети. На рис. 6.19 эта проблема проиллюстрирована на примере водопровода. На рис. 6.19, а мы видим толстую трубу, ведущую к получателю с небольшой емкостью. Это тот случай, когда ограничительным фактором является управление потоком данных. До тех пор пока отправитель не посылает воды больше, чем может поместиться в ведро, вода не будет проливаться. На рис. 6.29, б ограничительным фактором является не емкость ведра, а пропускная способность сети. Если из крана в воронку вода будет литься слишком быстро, то уровень воды в воронке начнет подниматься, и, в конце концов, часть воды может перелиться через край воронки.