Компьютерные сети. 6-е изд. - Эндрю Таненбаум

реализующий данную идею, называется произвольным ранним обнаружением перегрузки (Random Early Detection, RED) (Флойд и Джейкобсон; Floyd and Jacobson, 1993). Чтобы определить, когда следует удалять пакеты, маршрутизаторы постоянно высчитывают скользящее среднее длин своих очередей. Если средняя длина очереди на каком-либо соединении превышает пороговое значение, эта линия объявляется перегруженной и небольшая часть пакетов удаляется случайным образом. Именно случайный выбор увеличивает вероятность того, что самые быстрые отправители обнаружат утерю пакета. Это наилучший вариант, поскольку маршрутизатор не знает, какой именно источник является самым проблемным в дейтаграммной сети. Отправитель заметит утерю пакета без всяких уведомлений, после чего транспортный протокол замедлит работу. Таким образом, утерянный пакет несет ту же информацию, что и пакет уведомления, но неявно, без отправки маршрутизатором прямого сигнала.

RED-маршрутизаторы эффективнее тех, которые удаляют пакеты только при заполнении буфера, хотя и требуют правильной настройки. Например, оптимальное число пакетов на удаление зависит от числа отправителей, которых нужно оповестить о перегрузке. Однако по возможности лучше использовать прямые уведомления. Они работают так же, но передают сообщения в явном виде, а не косвенно через утерю пакета; RED используется в тех случаях, когда хосты не принимают такие уведомления.

Сдерживающие пакеты

Самый простой способ уведомить отправителя о перегрузке — сообщить об этом прямо. При таком подходе маршрутизатор выбирает перегружающий пакет и отправляет источнику сдерживающий пакет (choke packet). Данные об отправителе имеются в исходном пакете. Он помечается (специальным битом в его заголовке), чтобы больше не порождать сдерживающих пакетов на пути следования, и передается далее по своему обычному маршруту. Для предотвращения роста нагрузки на сеть при перегрузке маршрутизатор отправляет сдерживающие пакеты только на низкой скорости.

Когда хост-отправитель получает сдерживающий пакет, он должен уменьшить трафик к указанному получателю, к примеру, на 50 %. В дейтаграммной сети случайный выбор, скорее всего, приведет к тому, что сдерживающие пакеты дойдут до самых быстрых отправителей, поскольку именно их пакеты составляют большую часть очереди. Такая неявная обратная связь позволяет предотвратить перегрузку, не мешая тем источникам, действия которых не вызывают проблем. По той же причине есть вероятность, что многочисленные сдерживающие пакеты будут отправлены на нужный хост и адрес. В течение фиксированного интервала времени (пока уменьшение трафика не подействует) хост будет игнорировать дополнительные пакеты. Затем новые сдерживающие пакеты сообщат ему, что сеть все еще перегружена.

На ранних этапах развития интернета в качестве сдерживающего пакета использовалось сообщение SOURCE QUENCH (Постел; Postel, 1981). Оно не прижилось отчасти потому, что не были четко определены условия и результаты его рассылки. В современном интернете применяется другая схема уведомлений, о которой мы поговорим позже.

Явное уведомление о перегрузке

Вместо создания дополнительных пакетов маршрутизатор может добавить специальную метку (например, 1 или 0 в заголовке) в любой передаваемый пакет, тем самым сообщая о перегрузке. Когда пакет будет доставлен, получатель поймет, что сеть перегружена, и добавит эту информацию в ответный пакет. После этого отправитель сможет, как и раньше, регулировать свой трафик.

Этот метод называется явным уведомлением о перегрузке (Explicit Congestion Notification, ECN) и используется в интернете (Рамакришнан; Ramakrishnan, 1988). Это усовершенствованный вариант ранних протоколов подобного рода, в частности бинарной схемы обратной связи (Рамакришнан и Джейн; Ramakrishnan and Jain, 1988), применявшейся в архитектуре DECnet. На информацию о перегрузке в заголовке пакета отводится два бита. В момент отправки пакет не имеет метки (илл. 5.25). При проходе через перегруженный маршрутизатор пакет получает отметку о перегрузке. Затем получатель передает эти сведения отправителю, добавив явное уведомление в следующий ответный пакет. На рисунке этот процесс обозначен пунктирной линией, чтобы показать, что он происходит над IP-уровнем (например, на уровне TCP). Далее, как и в случае со сдерживающими пакетами, отправитель должен начать регулировать трафик.

Илл. 5.25. Явное уведомление о перегрузке

Обратное давление на ретрансляционных участках

При высоких скоростях или больших расстояниях до хостов множество новых пакетов может быть передано даже после отправки уведомлений о перегрузке, поскольку реакция на них занимает некоторое время. Рассмотрим, к примеру, хост в Сан-Франциско (маршрутизатор A на илл. 5.26), посылающий поток данных на хост, расположенный в Нью-Йорке (маршрутизатор D на илл. 5.26), со скоростью OC-3 155 Мбит/с. Если у нью-йоркского хоста станет заканчиваться буферная память, сдерживающему пакету потребуется около 40 мс на то, чтобы вернуться обратно в Сан-Франциско и сообщить, что необходимо снизить объем трафика. Явное уведомление о перегрузке займет еще больше времени, поскольку оно доставляется через получателя. На илл. 5.26 (а) распространение сдерживающего пакета схематично показано на второй, третьей и четвертой диаграммах. За те 40 мс, пока пакет движется по сети, в сторону нью-йоркского маршрутизатора передается еще 6,2 Мбит данных, с которыми надо как-то справиться. Только к седьмой диаграмме (илл. 5.26 (а)) маршрутизатор заметит замедление потока.

Однако есть альтернативный метод, позволяющий бороться с этой проблемой. Он заключается в том, что сдерживающий пакет влияет на трафик каждого маршрутизатора, через который он проходит. Это показано на последовательности диаграмм на илл. 5.26 (б). Как только сдерживающий пакет достигает

Илл. 5.26. (а) Сдерживающий пакет влияет только на источник. (б) Сдерживающий пакет влияет на все промежуточные участки

точки F, поток данных от F в сторону D должен снизиться. Таким образом, F резервирует для соединения большее количество буферной памяти: источник все еще продолжает заваливать это направление своими данными. Нагрузка на D мгновенно снижается, как головная боль — от таблетки в телевизионной рекламе. На следующем шаге сдерживающий пакет, продолжая свой путь, достигает E и приказывает уменьшить поток в сторону F. В результате точке E приходится выдерживать повышенную нагрузку, но зато F немедленно становится легче. Наконец, победный марш сдерживающего пакета приводит его к источнику всех бед — точке A, и теперь поток снижается по-настоящему.

Результат применения этой схемы — максимально быстрое устранение перегрузки на самом проблемном участке за счет использования большего объема буферной памяти промежуточных маршрутизаторов. Таким образом, проблема решается без потери пакетов. Эта идея обсуждается более подробно в работе Мишры и др. (Mishra et al., 1996).

5.4. QoS и QoE приложений

Методы, представленные в предыдущих разделах, направлены на устранение перегрузок и повышение производительности сети. Однако некоторым приложениям (и клиентам) нужны более строгие гарантии качества, чем просто обязательство предоставить «лучшее из возможного в данных обстоятельствах» (иногда это называется подходом best effort). Кроме того, многие приложения требуют определенной минимальной пропускной способности и плохо функционируют, если задержка превышает некоторое пороговое значение. В