Эндрю Уэзеролл - Компьютерные сети. 5-е издание

6.6. Вопросы производительности

Вопросы производительности играют важную роль в компьютерных сетях. Когда сотни или тысячи компьютеров соединены вместе, их взаимодействие становится очень сложным и может привести к непредсказуемым последствиям. Часто эта сложность приводит к низкой производительности, причины которой довольно трудно определить. В следующих разделах мы рассмотрим многие вопросы, связанные с производительностью сетей, определим круг существующих проблем и обсудим методы их разрешения.

К сожалению, понимание производительности сетей — это скорее искусство, чем наука. Теоретическая база, допускающая хоть какое-то практическое применение, крайне скудна. Лучшее, что мы можем сделать, это представить несколько практических методов, полученных в результате долгих экспериментов, а также привести несколько реально действующих примеров. Мы намеренно отложили эту дискуссию до того момента, когда будет изучен транспортный уровень в сетях TCP, чтобы иметь возможность иллюстрировать некоторые места примерами из TCP.

В следующих разделах мы рассмотрим основные аспекты производительности сети.

1. Причины снижения производительности.

2. Измерение производительности сети.

3. Проектирование хостов для быстрых сетей.

4. Быстрая обработка сегментов.

5. Сжатие заголовка.

6. Протоколы для протяженных сетей с высокой пропускной способностью (long fat networks).

Эти аспекты позволяют рассмотреть производительность с точки зрения операций, выполняемых на хостах и при перемещении данных внутри сети, а также с точки зрения размера и быстродействия сети.

6.6.1. Причины снижения производительности компьютерных сетей

Некоторые виды снижения производительности вызваны временным отсутствием свободных ресурсов. Если на маршрутизатор вдруг прибывает трафик больше, чем он способен обработать, образуется затор, и производительность резко падает. Вопросы перегрузки подробно рассматривались в этой и предыдущей главах.

Производительность также снижается, если возникает структурный дисбаланс ресурсов. Например, если гигабитная линия связи присоединена к компьютеру с низкой производительностью, то несчастный центральный процессор не сможет достаточно быстро обрабатывать приходящие пакеты, что приведет к потере некоторых пакетов. Эти пакеты рано или поздно будут переданы повторно, что приведет к увеличению задержек, непроизводительному использованию пропускной способности и снижению общей производительности.

Перегрузка может также возникать синхронно. Например, если сегмент содержит неверный параметр (например, номер порта назначения), во многих случаях получатель заботливо пошлет обратно сообщение об ошибке. Теперь рассмотрим, что случится, если неверный сегмент будет разослан широковещательным способом 10 000 машинам. Каждая машина может послать обратно сообщение об ошибке. Образовавшийся в результате широковещательный шторм( broadcast storm) может надолго остановить нормальную работу сети. Протокол UDP страдал от подобной проблемы, пока протокол ICMP не был изменен так, чтобы хосты воздерживались от отправки сообщений об ошибке в ответ на широковещательные сегменты UDP. Беспроводным сетям особенно важно не отвечать на непроверенные широковещательные пакеты, поскольку их пропускная способность ограничена.

Второй пример синхронной перегрузки может быть вызван временным отключением электроэнергии. Когда питание снова включается, все машины одновременно начинают перезагружаться. Типичная последовательность загрузки может требовать обращения к какому-нибудь DHCP-серверу (серверу динамической конфигурации хоста), чтобы узнать свой истинный адрес, а затем к файловому серверу, чтобы получить копию операционной системы. Если сотни машин обратятся к серверу одновременно, он не сможет обслужить сразу всех.

Даже при отсутствии синхронной перегрузки и при достаточном количестве ресурсов производительность может снижаться из-за неверных системных настроек. Например, у машины может быть мощный процессор и много памяти, но недостаточно памяти выделено под буфер. В этом случае управление потоком данных замедлит получение сегментов и ограничит производительность. Такая проблема возникала для многих TCP-соединений, по мере того как Интернет становился более быстрым, а окно управления потоком было фиксированным (64 Кбайт).

Также на производительность могут повлиять неверно установленные значения таймеров ожидания. Когда посылается сегмент, обычно включается таймер, на случай если этот модуль потеряется. Выбор слишком короткого интервала ожидания подтверждения приведет к излишним повторным передачам сегментов. Если же интервал ожидания сделать слишком большим, это приведет к увеличению задержки в случае потери сегмента. К настраиваемым параметрам также относятся интервал ожидания попутного модуля данных для отправки подтверждения и количество попыток повторной передачи в случае отсутствия подтверждений.

Еще одна проблема, касающаяся приложений, работающих в реальном времени (например, воспроизводящих аудио и видео), — джиттер. Для хорошей производительности им недостаточно хорошей средней пропускной способности. Таким приложениям необходима низкая задержка. А для этого требуется эффективное распределение нагрузки на сеть, а также поддержка качества обслуживания на канальном и сетевом уровнях.

6.6.2. Измерение производительности сети

Когда качество работы сети оказывается не слишком хорошим, ее пользователи часто жалуются сетевым операторам, требуя усовершенствований. Чтобы улучшить производительность сети, операторы должны сначала точно определить, в чем суть проблемы. Чтобы выяснить текущее состояние сети, операторы должны произвести измерения. В данном разделе мы рассмотрим вопрос измерения производительности сети. Приводимое ниже обсуждение основано на работе Могола (Mogul, 1993).

Измерения могут быть произведены разными способами и во многих местах (как физически, так и в стеке протоколов). Наиболее распространенный тип измерений представляет собой включение таймера при начале какой-либо активности и измерение продолжительности этой активности. Например, одним из ключевых измерений является измерение времени, необходимого для получения отправителем подтверждения в ответ на отправку сегмента. Другие измерения производятся при помощи счетчиков, в которых учитывается частота некоторых событий (например, количество потерянных сегментов). Наконец, часто измеряются такие количественные показатели, как число байтов, обработанных за определенный временной интервал.