Компьютерные сети. 6-е изд. - Эндрю Таненбаум

снизить скорость отправки или направляют трафик по другим, менее загруженным путям. В этой главе мы рассмотрим вопросы перегрузки, связанные с сетевым уровнем, и механизмы, которые он применяет для борьбы с ней. Для описания функций транспортного уровня в литературе часто используется более общее понятие «контроль перегрузок». Во избежание путаницы здесь мы будем говорить об управлении перегрузками (congestion management) или управлении трафиком (traffic management), понимая под этим методы, применяющиеся на сетевом уровне. В главе 6 мы завершим рассмотрение темы, обсудив механизмы управления перегрузками на транспортном уровне.

На илл. 5.19 показано, как начинается перегрузка. Когда количество отправляемых хостами пакетов намного ниже пропускной способности сети, объем доставленного трафика пропорционален объему переданного (в два раза больше отправлено — в два раза больше получено). Но если число пакетов приближается к пределу емкости, при эпизодических всплесках трафика буферы маршрутизаторов переполняются; в итоге некоторые пакеты теряются. Потерянные пакеты расходуют часть пропускной способности, поэтому объем доставленного трафика оказывается ниже идеальной кривой. Таким образом, в сети возникает перегрузка.

Илл. 5.19. Перегрузка ведет к значительному падению производительности: возрастает частота потери пакетов, а также величина задержки, поскольку очереди маршрутизатора заполнены пакетами

В определенный момент может возникнуть коллапс сети из-за перегрузки (congestion collapse), при котором производительность падает, поскольку абонентская нагрузка превышает пропускную способность. Коллапс сети происходит, когда увеличение нагрузки фактически ведет к уменьшению объема успешно доставленного трафика. При этом пакеты настолько задерживаются, что становятся бесполезными к моменту их доставки. Например, на ранних этапах существования интернета время, которое пакет проводил в очереди на отправку (при скорости 56 Кбит/с), зачастую превышало время его пребывания в сети. В результате пакет приходилось удалять. Еще один неприятный сценарий — когда отправители повторно передают сильно задержанные пакеты, полагая, что они утеряны. В этом случае пропускная способность используется неэффективно, поскольку по сети передаются копии одного и того же пакета. Чтобы продемонстрировать влияние этих факторов на производительность, мы отобразили на оси y (см. илл. 5.19) полезную пропускную способность (goodput), то есть скорость, с которой по сети передаются полезные пакеты.

В идеале сеть должна быть устроена так, чтобы перегрузки происходили как можно реже и чтобы в этих ситуациях не возникало коллапсов. К сожалению, в сети с коммутацией пакетов перегрузку невозможно полностью исключить. Если потоки пакетов внезапно начинают прибывать на маршрутизатор сразу по трем или четырем входным линиям и всем им нужна одна и та же выходная линия, то образуется очередь. Если у маршрутизатора заканчивается память для буферизации пакетов, они теряются. Увеличение объема памяти может в какой-то степени помочь, однако Нейгл (Nagle) в 1987 году установил, что при бесконечной памяти маршрутизаторов ситуация с перегрузкой часто не улучшается, а, наоборот, ухудшается. Последние исследования показали, что многие сетевые устройства имеют больше памяти, чем требуется. Это явление получило название излишней сетевой буферизации (bufferbloat). Такие устройства могут снижать производительность сети, чему есть несколько объяснений. Во-первых, за то время, пока пакеты добираются до начала очереди, срок их ожидания истекает (и даже несколько раз) и производится отправка их дубликатов. Во-вторых, отправителей нужно своевременно уведомлять о перегрузках (о чем мы подробнее поговорим в главе 6). Если пакеты не будут удалены, а останутся в буферах маршрутизатора, то отправители продолжат отправку перегружающего сеть трафика. В результате ситуация ухудшится: произойдет коллапс сети. Линии с низкой пропускной способностью или маршрутизаторы, у которых скорость обработки пакетов ниже емкости канала, также могут быть перегружены. Если на других участках сети пропускная способность выше, проблему можно решить, направив туда часть трафика в обход узкого места. Но в конечном итоге увеличение трафика может привести к повсеместной перегрузке. В этом случае операторы сетей могут применить два подхода: сброс нагрузки (то есть игнорирование трафика) или увеличение пропускной способности.

Здесь уместно прояснить разницу между понятиями «контроль перегрузок» (congestion control), «управление трафиком» (traffic management) и «управление потоком» (flow control). Задача управления трафиком (или регулирования трафика) — гарантировать, что сеть справится с поступающим трафиком. Задача может решаться как устройствами в сети, так и отправителями (часто с использованием механизмов транспортного протокола, называемых методами контроля перегрузок). Управление перегрузками (или контроль перегрузок) касается поведения всех хостов и маршрутизаторов. Управление потоком, наконец, относится к трафику между конкретными отправителями и получателями. С его помощью регулируется скорость отправки данных: она не должна превышать максимально возможную скорость их получения. Задача управления потоком — не допустить потери данных из-за того, что отправитель обладает большей производительностью и его скорость превышает возможности адресата.

Чтобы понять разницу между этими понятиями, представьте сеть из 100-гигабитных оптоволоконных линий. Суперкомпьютер пытается передать большой файл персональному компьютеру, способному принимать данные со скоростью 1 Гбит/с. Хотя перегрузки в данной ситуации не наблюдается, алгоритм управления потоком периодически заставляет отправителя приостанавливать передачу, чтобы получатель успевал принимать трафик.

Приведем другой пример. Рассмотрим сеть из 1000 больших компьютеров, соединенных мегабитными линиями. Половина компьютеров пытается передать файлы остальным со скоростью 100 Кбит/c. Здесь проблема заключается уже не в том, что медленные получатели не успевают принимать данные от быстрых отправителей. Просто сеть не способна пропустить весь предлагаемый трафик.

Причина, по которой контроль перегрузок и управление потоком часто путают, заключается в том, что лучшее решение обеих проблем — добиться более медленной работы хоста. Таким образом, хост может получить просьбу снизить скорость в двух случаях: когда с потоком не справляется получатель или когда с ним не справляется вся сеть. Мы вернемся к этому вопросу в главе 6.

Мы начнем знакомство с управлением перегрузками с рассмотрения подходов, которые могут применяться сетевыми операторами в разных масштабах времени. Затем мы изучим методы предотвращения перегрузки, а также различные алгоритмы борьбы с ее последствиями.

5.3.2. Методы управления трафиком

Перегрузка означает, что нагрузка на сеть превышает (временно) возможности ресурсов сети (или некоторой ее части). Существует два возможных решения: увеличить объем ресурсов или снизить нагрузку. Как показано на илл. 5.20, эти решения обычно применяются в разных временных рамках в зависимости от задачи: предотвратить перегрузку или справиться с ней, если ее не удалось избежать.

Илл. 5.20. Временные рамки методов управления трафиком и перегрузками

Самый простой способ избежать перегрузки заключается в создании сети с достаточной пропускной способностью для передачи ожидаемого трафика. Если часть пути, по которому обычно пересылаются большие объемы данных, обладает низкой пропускной способностью, вероятность возникновения перегрузки довольно высока. Иногда при перегрузке возможно динамическое добавление ресурсов, например подключение свободных маршрутизаторов или