Уильям Стивенс - UNIX: разработка сетевых приложений

Из этих правил есть исключения, в особенности для существующих приложений. Например, TFTP использует UDP для передачи большого количества данных. Для TFTP был выбран UDP, поскольку, во-первых, его реализация проще в отношении кода начальной загрузки (800 строк кода С для UDP в сравнении с 4500 строками для TCP, например в [128]), а во-вторых, TFTP используется только для начальной загрузки систем в локальной сети, а не для передачи большого количества данных через глобальные сети. Однако при этом требуется, чтобы в TFTP были предусмотрены такие свойства, как собственное поле порядкового номера (для подтверждений), тайм-аут и возможность повторной передачи.

NFS (Network File System — сетевая файловая система) является другим исключением из правила: она также использует UDP для передачи большого количества данных (хотя некоторые могут возразить, что в действительности это приложение типа «запрос-ответ», использующее запросы и ответы больших размеров). Отчасти это можно объяснить исторически сложившимися обстоятельствами: в середине 80-х, когда была разработана эта система, реализации UDP были быстрее, чем TCP, и система NFS использовалась только в локальных сетях, где потеря пакетов, как правило, происходит на несколько порядков реже, чем в глобальных сетях. Но как только в начале 90-х NFS начала использоваться в глобальных сетях, а реализации TCP стали обгонять UDP в отношении производительности при передаче большого количества данных, была разработана версия 3 системы NFS для поддержки TCP. Теперь большинство производителей предоставляют NFS как для и TCP, так и для UDP. Аналогичные причины (большая скорость по сравнению с TCP в начале 80-х плюс преобладание локальных сетей над глобальными) привели к тому, что в Apollo NCS (предшественник DCE RPC) сначала использовали UDP, а не TCP, хотя современные реализации поддерживают и UDP, и TCP.

Мы могли бы сказать, что применение UDP сокращается, поскольку сегодня хорошие реализации TCP не уступают в скорости сетям и все меньше разработчиков готовы встраивать в приложения UDP функциональность, свойственную TCP. Но предсказываемое увеличение количества мультимедиа-приложений в будущем десятилетии должно привести к возрастанию популярности UDP, поскольку их работа обычно подразумевает использование многоадресной передачи, требующей наличия UDP.

Если мы хотим использовать UDP для приложения типа «запрос-ответ», как было отмечено в предыдущем разделе, мы должны добавить нашему клиенту две функции:

■ тайм-аут и повторную передачу, которые позволяют решать проблемы, возникающие в случае потери дейтаграмм;

■ порядковые номера, позволяющие клиенту проверить, что ответ приходит на определенный запрос.

Эти два свойства предусмотрены в большинстве существующих приложений UDP, использующих простую модель «запрос-ответ»: например, распознаватели DNS, агенты SNMP, TFTP и RPC. Мы не пытаемся использовать UDP для передачи большого количества данных: наша цель — приложение, посылающее запрос и ожидающее ответа на этот запрос.

Использование дейтаграмм по определению не может быть надежным, следовательно, мы специально не называем данный сервис «надежным сервисом дейтаграмм». Действительно, термин «надежная дейтаграмма» — это оксюморон. Речь идет лишь о том, что приложение до некоторой степени обеспечивает надежность, добавляя соответствующие функциональные возможности «поверх» ненадежного сервиса дейтаграмм (UDP).

Добавление порядковых номеров осуществляется легко. Клиент подготавливает порядковый номер для каждого запроса, а сервер должен отразить этот номер обратно в своем ответе клиенту. Это позволяет клиенту проверить, что данный ответ пришел на соответствующий запрос.

Более старый метод реализации тайм-аутов и повторной передачи заключался в отправке запроса и ожидании в течение N секунд. Если ответ не приходил, осуществлялась повторная передача и снова на ожидание ответа отводилось N секунд. Если это повторялось несколько раз, отправка запроса прекращалась. Это так называемый линейный таймер повторной передачи (на рис. 6.8 [111] показан пример клиента TFTP, использующего эту технологию. Многие клиенты TFTP до сих пор пользуются этим методом).

Проблема при использовании этой технологии состоит в том, что количество времени, в течение которого дейтаграмма совершает цикл в объединенной сети, может варьироваться от долей секунд в локальной сети до нескольких секунд в глобальной. Факторами, влияющими на время обращения (RTT), являются расстояние, скорость сети и переполнение. Кроме того, RTT между клиентом и сервером может быстро меняться со временем при изменении условий в сети. Нам придется использовать тайм-ауты и алгоритм повторной передачи, который учитывает действительное (измеряемое) значение периода RTT и изменения RTT с течением времени. В этой области ведется большая исследовательская работа, в основном направленная на TCP, но некоторые идеи применимы к любым сетевым приложениям.

Мы хотим вычислить тайм-аут повторной передачи (RTO), чтобы использовать его при отправке каждого пакета. Для того чтобы выполнить это вычисление, мы измеряем RTT — действительное время обращения для пакета. Каждый раз, измеряя RTT, мы обновляем два статистических показателя: srtt— сглаженную оценку RTT, и rttvar— сглаженную оценку среднего отклонения. Последняя является хорошей приближенной оценкой стандартного отклонения, но ее легче вычислять, поскольку для этого не требуется извлечения квадратного корня. Имея эти два показателя, мы вычисляем RTO как сумму srttи rttvar, умноженного на четыре. В [52] даются все необходимые подробности этих вычислений, которые мы можем свести к четырем следующим уравнениям:

delta = measuredRTT - srtt

srtt ← srtt + g × delta

rttvar ← rttvar + h (|delta| - rttvar)

RTO = srtt + 4 × rttvar

delta— это разность между измеренным RTT и текущим сглаженным показателем RTT ( srtt). g— это приращение, применяемое к показателю RTT, равное 1/8. h — это приращение, применяемое к сглаженному показателю среднего отклонения, равное ¼.

Два приращения и множитель 4 в вычислении RTO специально выражены степенями числа 2 и могут быть вычислены с использованием операций сдвига вместо деления и умножения. На самом деле реализация TCP в ядре (см. раздел 25.7 [128]) для ускорения вычислений обычно использует арифметику с фиксированной точкой, но мы для простоты используем в нашем коде вычисления с плавающей точкой.

Другой важный момент, отмеченный в [52], заключается в том, что по истечении времени таймера повторной передачи для следующего RTO должно использоваться экспоненциальное смещение ( exponential backoff ). Например, если наше первое значение RTO равно 2 с и за это время ответа не получено, следующее значение RTO будет равно 4 с. Если ответ все еще не последовал, следующее значение RTO будет 8 с, затем 16 и т.д.