Компьютерные сети. 6-е изд. - Эндрю Таненбаум

Взвешенные равноправные очереди

Проблема данного алгоритма в том, что он дает всем хостам одинаковые приоритеты. Как правило, видеосерверам лучше предоставлять большую пропускную способность, чем обычным файл-серверам, чтобы они могли передавать два или несколько байтов за цикл. Такая модификация алгоритма называется взвешенными равноправными очередями (Weighted Fair Queueing, WFQ). Если количество байтов, передаваемое за цикл, считать весом потока W, то формула времени окончания передачи выглядит так:

Fi = max( Ai, Fi–1) + Li/W,

где Ai — время прибытия, Fi — время окончания отправки, а Li — длина i-го пакета. Нижняя очередь (илл. 5.29 (а)) имеет вес 2, поэтому ее пакеты передаются быстрее. Это хорошо видно, если посмотреть на значения времени окончания отправки на илл. 5.29 (б).

Еще один важный фактор — сложность реализации. WFQ помещает пакеты в очередь, сортируя их по времени окончания отправки. Для N потоков это требует по меньшей мере O(log N) операций для каждого пакета, а это трудновыполнимо при большом количестве потоков на высокоскоростных маршрутизаторах. Упрощенная схема дефицитного циклического обслуживания (Deficit Round Robin, DRR) работает гораздо эффективнее: всего за O(1) операций для каждого пакета (Шридхар и Варгезе; Shreedhar and Varghese, 1995). Она широко применяется для алгоритма WFQ.

Существуют другие алгоритмы планирования пакетов, например приоритетный, при котором пакеты обладают каким-либо приоритетом. Высокоприоритетные пакеты передаются раньше, чем низкоприоритетные; последние помещаются в буфер. Пакеты с одинаковым приоритетом отправляются по принципу FIFO. Важным недостатком этого алгоритма является то, что высокоприоритетные пакеты препятствуют отправке низкоприоритетных, которые могут ждать своей очереди бесконечно долго. С этой точки зрения более удачным вариантом является WFQ. Если присвоить высокоприоритетной очереди большой вес (скажем, 3), пакеты в ней будут в основном проходить по быстрой линии (поскольку их сравнительно немного). При этом часть низкоприоритетных пакетов тоже будет передаваться. Фактически бинарная приоритетная система представляет собой две очереди, одна из которых имеет бесконечный вес.

Наконец, существует алгоритм планирования, при котором у каждого пакета есть временной штамп, определяющий порядок отправки. В реализации, которую предложили Кларк и др. (Clark et al., 1992), временной штамп регистрирует информацию о том, насколько пакет, проходя через маршрутизаторы сети, отстает от графика или опережает его. Как правило, пакеты, ожидающие отправки, отстают, а передаваемые в первую очередь — опережают график. Использование временных штампов — эффективный способ ускорить отправку медленных пакетов и замедлить передачу быстрых. При таком подходе все пакеты доставляются с приблизительно равной задержкой, что является очевидным преимуществом.

Собираем все воедино

Теперь, когда мы познакомились с основными компонентами QoS, самое время объединить их, чтобы реально его обеспечить. Гарантии QoS предоставляются через управление допуском. Мы рассматривали его как средство борьбы с перегрузкой, что является гарантией производительности, пусть даже не очень эффективной. Здесь мы предъявляем к гарантиям более серьезные требования, но модель остается той же. Пользователь передает в сеть поток, предъявляя определенные требования QoS. Сеть принимает или отвергает этот поток в зависимости от своих возможностей и обязательств перед другими клиентами. Если поток принимается, сеть должна заранее зарезервировать ресурсы, чтобы при передаче по нему трафика клиент получил необходимый уровень QoS.

Необходимо зарезервировать ресурсы на всех маршрутизаторах, расположенных в узлах пути, по которому следуют пакеты. Иначе может возникнуть коллапс, и гарантии QoS не будут выполнены. Многие алгоритмы маршрутизации выбирают наилучший путь от отправителя до получателя и направляют по нему весь трафик. Однако некоторые потоки могут быть отвергнуты из-за недостатка ресурсов в узлах наилучшего маршрута. Тогда, чтобы выполнить свои обязательства, сеть выберет другой путь для отправки крупного потока. Этот подход называется QoS-маршрутизацией (QoS routing); см. работу Чэня и Нарштедт (Chen and Nahrstedt, 1998). Также можно разделить трафик для одного адресата по нескольким маршрутам, чтобы было проще найти дополнительные ресурсы. Маршрутизаторы могут выбирать пути с одинаковой стоимостью и использовать маршрутизацию, пропорциональную или эквивалентную емкостям исходящих связей. Однако существуют и более сложные алгоритмы (Нелакудити и Чжан; Nelakuditi и Zhang, 2002).

С учетом выбранного пути решение о принятии или отклонении потока не сводится к сравнению запрашиваемых ресурсов (пропускной способности, буферной памяти, времени CPU) с возможностями маршрутизатора. Во-первых, несмотря на то что многие приложения знают свои требования по пропускной способности, два других параметра им неизвестны. Следовательно, как минимум необходим иной способ описания потоков и определения ресурсов, выделяемых маршрутизатором. Вскоре мы это обсудим.

Также отметим, что приложения значительно различаются по толерантности в отношении пропущенного предельного срока обработки. Поэтому приложение должно выбрать один из типов гарантий, предлагаемых сетью: от строгих до максимально лояльных. При прочих равных условиях наиболее популярными были бы строгие гарантии. Но проблема в том, что они затратные, так как ограничивают поведение сети в наихудшем случае. Для приложения обычно достаточно тех же гарантий, что и для большинства пакетов; кроме того, они позволяют добавить дополнительный поток при фиксированной емкости.

Наконец, некоторые приложения могут поторговаться за параметры пакетов, а некоторые нет. Скажем, проигрыватель видео, обычно предоставляющий 30 фреймов/с, может работать на 25 фреймах/с, если для 30 не хватает пропускной способности. Аналогично можно настраивать количество пикселей на фрейм, полосу пропускания для аудиоданных и другие свойства потоков различных приложений.

Поскольку в споре о том, что делать с потоком, участвует много сторон (отправитель, получатель и все маршрутизаторы на пути между ними), поток необходимо описывать крайне аккуратно с помощью параметров, о которых можно договориться. Набор таких параметров называется спецификацией потока (flow specification). Как правило, отправитель (например, сервер видеоданных) создает спецификацию, указывая нужные ему параметры. По мере движения спецификации по пути потока маршрутизаторы анализируют ее и меняют параметры, если нужно. Эти изменения могут быть направлены только на уменьшение потока (например, скорость передачи данных может быть понижена, но не повышена). Когда спецификация доходит до получателя, устанавливаются окончательные параметры.

В качестве содержимого спецификации потока рассмотрим пример на илл. 5.30. Он основан на RFC 2210 и RFC 2211 для комплексного обслуживания — технологии QoS, о которой мы поговорим в следующем разделе. В специ­фикации содержится пять параметров. Первые два, скорость маркерного ведра и размер маркерного ведра, позволяют вычислить максимальную скорость, которую источник может поддерживать в течение долгого времени, усредненную по большому временному отрезку, а также максимальный объем пачки, передаваемой за короткий промежуток времени.

Параметр

Единицы измерения

Скорость маркерного ведра

байт/с

Размер маркерного ведра

байт

Пиковая скорость передачи данных

байт/с

Минимальный размер пакета

байт

Максимальный размер пакета

байт

Илл. 5.30. Пример спецификации потока

Третий параметр, пиковая скорость передачи данных, — это максимальная допустимая скорость (даже для