Алгоритмы для жизни. Простые способы принимать верные решения - Том Гриффитс

Это был еще один дефект коммутации каналов и их узкоспециализированных устойчивых соединений: столь высокая устойчивость означала, что сброшенный вызов так и останется сброшенным. Коммутация каналов просто не была гибкой или достаточно адаптируемой, чтобы быть надежной. И в этом случае пакетная коммутация снова могла предложить то, что было востребовано временем. В сетях с коммутацией каналов вызов прекращается, если разрушается одно из звеньев цепи, и это значит, что надежность падает в геометрической прогрессии по мере того, как расширяется сеть. С другой стороны, в пакетной коммутации увеличение числа путей в растущей сети становится положительной чертой: появляется так много путей передачи данных, что надежность сети растет в геометрической прогрессии по мере ее расширения.

Тем не менее, даже когда пакетная коммутация была разработана, это не впечатлило телефонные компании. «Все специалисты из отрасли телекоммуникаций громко говорили, что это не сеть! Это убогая попытка использовать нашу сеть! Вы берете наши провода, вы посылаете данные по каналам, которые мы создали! Вы нагромождаете столько всякой дряни, что даже не можете эффективно их использовать!» Но с точки зрения пакетной коммутации телефонные провода являются лишь средством достижения цели; отправителю и получателю, в сущности, все равно, каким образом доставляются пакеты. Способность агностически оперировать любым количеством различных носителей – вот огромное достоинство пакетной коммутации. После того как в конце 60-х – начале 70-х годов первые сети, такие как ARPANET, доказали свою жизнеспособность, сети всех мастей накрыли страну, осуществляя пакетную коммутацию не только по медным телефонным проводам, но и с помощью спутников, и даже радио. В 2001 году компьютерщики из норвежского города Бергена на короткое время даже внедрили сеть пакетных коммутаций «птичья почта», когда пакеты писались на бумаге и привязывались к лапкам голубей.

Разумеется, в сфере пакетных коммутаций есть свои проблемы. В первую очередь один из основных вопросов любого протокола – человеческого или компьютерного – довольно очевиден: как узнать, что ваше сообщение дошло до адресата и было понято?

Фраза «Чудны дела твои, Господи» была не просто первым сообщением, переданным на большое расстояние. Она была также и вторым: Альфред Вейл отправил эту цитату обратно Морзе в палату Верховного суда как способ подтвердить получение.

Ответ Вейла убедил Морзе и собравшихся вокруг него членов Законодательного собрания в том, что его сообщение было получено (предполагалось, конечно, что Вейл не знал заранее, каким будет текст сообщения). Но как Вейл мог убедиться, что его подтверждение достигло адресата?

Программисты знают это понятие как проблему византийских генералов. Представьте себе двух генералов на противоположных концах долины, в которой расположился их общий враг. Генералы пытаются скоординировать атаку. Только в случае идеальной синхронизации их действия увенчаются успехом, потому что атаковать в одиночку – это самоубийство. Дело осложняется тем, что все сообщения от одного генерала к другому должны быть переданы из рук в руки через всю долину, которая полна врагов, то есть существует вероятность, что сообщение никогда не будет доставлено.

Допустим, первый генерал предлагает время для атаки, но не начнет ее, не будучи уверенным, что второй генерал выдвинулся ему навстречу. Второй принимает приказ и отправляет обратно подтверждение. Но он не будет атаковать, если не будет точно знать, что первый генерал это подтверждение получил (так как в противном случае первый не выступит). Первый генерал получил подтверждение, но не будет атаковать, пока не будет уверен, что второй об этом знает. Следование этой логической цепочке подразумевает бесконечные серии сообщений и, очевидно, ни к чему не приведет. Коммуникация – одна из тех восхитительных вещей, которые работают только на практике; в теории это невозможно.

В большинстве случаев последствия ошибок в коммуникации редко бывают столь плачевными, а потребность в уверенности столь абсолютной. В TCP сбой обычно приводит к повторной передаче данных, а не к смерти, поэтому его обычно достаточно для сеанса, который называют тройным рукопожатием. Посетитель говорит «привет», сервер принимает это «привет» и говорит «привет» в ответ, посетитель принимает, и если сервер получает вот это третье сообщение, то никакого дальнейшего подтверждения уже не требуется. Но даже после того, как это первичное соединение выполнено, остается риск, что последующие пакеты могут быть повреждены, утеряны в процессе передачи или доставлены испорченными. Доставка почтовых отправлений может быть подтверждена уведомлением о вручении; доставка же пакетов онлайн подтверждается тем, что называется пакетами подтверждения, или ACK. Они имеют решающее значение для функционирования сети.

Принцип работы ACK одновременно прост и детально продуман. Помимо сценария тройного рукопожатия, каждый компьютер дает другому нечто вроде серийного номера (и было условлено, что после отправления каждого пакета этот серийный номер увеличивается на единицу, как номера чеков в чековой книжке). К примеру, если ваш компьютер инициирует связь с веб-сервером, он должен отправить этому серверу, скажем, число 100. Посылаемый сервером АСК в свою очередь указывает серийный номер, с которого будут начинаться все отправляемые сервером пакеты (например, 5000), и также сообщает: «Готов к 101». АСК вашего компьютера получает число 101 и передает: «Готов к 5001». (Имейте в виду, что обе эти схемы нумерации независимы друг от друга и число, с которого начинается последовательность, как правило, выбирается случайным образом.)

Такой механизм действия позволяет с точностью определить, в какой момент пакеты сбились с пути. Если сервер ожидает 101, а вместо этого получает 102, он отправит АСК к пакету 102, который все еще гласит: «Готов к 101». Если в ответ он получит следующий пакет 103, то он снова напомнит: «Готов к 101». Три подобных внеочередных АСКа дадут вашему компьютеру сигнал, что 101 не просто задерживается, а безвозвратно потерялся, и он повторно отправит этот пакет. На этот раз сервер (который сохранил пакеты 102 и 103) отправит АСК «Готов к 104», сигнализирующий о том, что последовательность была восстановлена.

Все эти подтверждения дают в сумме значительный объем трафика. Мы представляем себе, например, передачу объемного файла как одностороннюю операцию, но на самом деле реципиент посылает обратно отправителю сотни контрольных сообщений. Отчет, составленный в конце 2014 года, показал, что почти 10 % восходящего направления интернет-трафика в часы пик приходится на Netflix[33], о котором мы привыкли думать, что он отправляет данные исключительно в нисходящем направлении, к пользователям. Но все эти видео производят огромное количество АСКов.

В сфере человеческих отношений беспокойство о том, что сообщение действительно дошло до собеседника, пронизывает весь разговор. Говорящий может неосознанно прибавлять «понимаешь» в конце каждого предложения, а слушатель в свою очередь не может удержаться от кивков и бесконечного потока междометий «ну», «да-да», «согласен», «понял», «угу». Мы делаем это даже в личном разговоре, а уж в беседе по телефону это зачастую единственный способ дать понять собеседнику, что вы еще не отключились и продолжаете слушать. Неудивительно, что самой успешной в XXI веке маркетинговой кампанией оператора беспроводной связи стала повторяемая вновь и вновь крылатая фраза инженера сетевого контроля качества: «Ты меня слышишь?!»