виртуальный

Теперь обратимся к методу, применяемому в дейтаграммных подсетях (впрочем, он может использоваться и в подсетях с виртуальным каналом).

Когда значение переменной и начинает превышать некий пороговый уровень, это означает, что линия переходит в опасное состояние. Каждый приходящий пакет проходит проверку: если ему предстоит следовать по линии, находящейся в близком к перегрузке состоянии, то выполняется одно из нескольких действий. Далее мы обсудим, как именно маршрутизатор может отреагировать на эту си­туацию.

В приведенном ранее примере источник выдает пакеты через фиксированные ин­тервалы времени, однако бывает, что этот процесс не является столь равномер­ным. Это может приводить к перегрузке сети. Неравномерный выходной поток — это обычное дело для серверов, поддерживающих множество потоков и различные виды действий, таких как быстрая прокрутка вперед и назад, идентификация поль­зователя и т. д. Подход, описанный ранее (буферизация), не всегда можно приме­нить (например, при видеоконференциях). Тем не менее, если бы удалось заставить серверы (и хосты в целом) передавать данные с предсказуемой скоростью, каче­ство обслуживания было бы лучше. Рассмотрим метод формирования трафика, сглаживающий выходной трафик на стороне сервера, а не на стороне клиента.

При формировании трафика происходит регулирование средней и пиковой скорости передачи данных. Изучавшиеся нами ранее протоколы скользящего ок­на ограничивают количество данных, посылаемых сразу, но не скорость, с кото­рой они посылаются. Когда устанавливается виртуальный канал, пользователь и подсеть (то есть клиент и оператор связи) договариваются об определенной схе­ме (то есть форме) трафика для данного канала. Иногда это действие называется соглашением об уровне обслуживания. До тех пор пока клиент выполняет свою часть условий соглашения и посылает пакеты не чаще оговоренного в договоре графика, оператор связи обязуется доставлять их в определенный срок. Форми­рование трафика снижает перегрузку и, таким образом, помогает оператору свя­зи выполнять свои обязательства. Подобные договоренности не столь важны при передаче файлов, но весьма существенны при передаче данных в режиме ре­ального времени, как, например, для аудио- и видеосвязи, которые плохо перено­сят перегрузку.

Начнем изучение методов борьбы с перегрузкой с систем без обратной связи. Эти системы разработаны в первую очередь для предотвращения перегрузки, а не для борьбы с уже имеющей место перегрузкой. Они пытаются достичь своей цели, используя соответствующие стратегии на разных уровнях. В табл. 5.2 показаны различные стратегии уровней передачи данных, сетевого и транспортного, спо­собные влиять на перегрузку.

Начнем рассмотрение различных стратегий с уровня передачи данных. Стра­тегия повторной передачи определяет, насколько быстро у отправителя истекает время ожидания подтверждения и что он передает после того как время ожида­ния истекло. Нетерпеливый отправитель, у которого время ожидания истекает слишком быстро и который повторно посылает все неподтвержденные пакеты с помощью алгоритма возврата на п, окажет более сильную нагрузку на сеть, не­жели ленивый отправитель, использующий выборочный повтор. Тесно связана с этим стратегия кэширования. Если получатели просто игнорируют все пакеты, приходящие не в том порядке, то все проигнорированные пакеты придется пере­давать позднее еще раз, что окажет дополнительную нагрузку на сеть.

Стратегия подтверждений также влияет на перегрузку. Если каждый пакет немедленно подтверждается получателем, то пакеты с подтверждениями образу­ют дополнительный трафик. Однако если подтверждения добираются обратно «верхом» на попутном потоке кадров, то количество трафика в сети снижается, зато увеличивается среднее время получения подтверждений, что может, в свою очередь, вызвать увеличение повторно переданных пакетов вследствие истече­ния времени ожидания подтверждений. Более жесткая схема управления пото­ком (например, с небольшим размером окна) уменьшает скорость передачи дан­ных и помогает бороться с перегрузкой.

Существует также зависимость перегрузки от того, является ли сетевой уро­вень дейтаграммным или он основан на виртуальных каналах, так как многие алго­ритмы борьбы с перегрузкой работают только в подсетях с виртуальным каналами. Политика очередей пакетов и обслуживания определяет количество очередей у каждого маршрутизатора — например, одна общая очередь для всех линий, или по очереди для каждой линии, или какой-нибудь комбинированный вариант. Она также определяет порядок обработки пакетов (например, поочередно или в порядке приоритетов). Политика игнорирования пакетов является правилом, определяющим набор пакетов, подлежащих отвержению, когда не хватает памя­ти. Хорошо продуманная стратегия может облегчить симптомы перегрузки, то­гда как неудачная политика может даже ухудшить ситуацию.

На транспортном уровне применяются те же стратегии, что и на уровне переда­чи данных, но к ним добавляется еще и проблема определения времени ожидания подтверждения, что на транспортном уровне осуществить значительно сложнее, Воскольку время пересечения всей сети предсказать значительно сложнее, чем время передачи пакета от какого-либо маршрутизатора до его соседа. Если этот Интервал слишком короток, будут высылаться излишние повторные пакеты,
а если слишком велик — перегрузка снизится, но увеличится задержка в случае потери пакета.

Многие проблемы, возникающие в сложных системах, таких как компьютерные сети, следует рассматривать с точки зрения теории управления. При таком под­ходе все решения делятся на две группы: без обратной связи и с обратной связью. Решения без обратной связи заключаются в попытках решить проблему с помо­щью улучшения дизайна системы, пытаясь, таким образом, в первую очередь пре­дотвратить возникновение самой ситуации перегрузки. Никаких корректирую­щих действий во время работы системы не предпринимается.

К методам управления без обратной связи относятся решения о том, когда разрешать новый трафик, когда отвергать пакеты и какие именно, а также со­ставление расписаний для различных участков сети. Общее в этих решениях то, что они не учитывают текущего состояния сети.

Решения с обратной связью, напротив, основываются на учете текущего со­стояния системы. Этот подход состоит из трех следующих частей:

1. Наблюдения за системой с целью определить, где и когда произойдет пере­грузка.
2. Передачи информации о перегрузке в те места, где могут быть предприняты соответствующие действия.
3. Принятия необходимых мер при работе системы для устранения перегрузки. При наблюдении за состоянием подсети с целью обнаружения перегрузки мо­гут измеряться различные параметры. Среди них следует выделить следующие: процент пакетов, отвергаемых из-за отсутствия свободного места в буфере; сред­няя длина очереди; процент пакетов, переданных повторно по причине истекше­го времени ожидания подтверждения; среднее время задержки пакетов и средне­квадратичное отклонение задержки пакетов. Во всех случаях увеличивающиеся значения параметров являются сигналами о растущей перегрузке.

Второй этап борьбы с перегрузкой состоит в передаче информации о пере­грузке от места ее обнаружения туда, где могут быть приняты какие-то меры по ее устранению. Очевидное решение заключается в том, чтобы маршрутизатор, обнаруживший перегрузку, пересылал источнику или источникам трафика па­кет с извещением о наличии проблемы. Такие пакеты, конечно, окажут дополни­тельную нагрузку на сеть как раз в тот момент, когда нагрузку необходимо сни­зить.

Существуют, однако, и другие решения. Например, можно зарезервировать в каждом пакете бит или поле, которые будут заполняться маршрутизаторами при достижении перегрузкой порогового уровня. Таким образом, соседи этого мар­шрутизатора будут предупреждены о том, что на данном участке сети наблюда­ется перегрузка.

Еще один метод состоит в том, что хосты или маршрутизаторы периодически посылают пробные пакеты, явно спрашивая друг друга о перегрузке. Собранная tiucHM образом информация может затем использоваться для выбора маршрутов В обход участков сети, в которых возникла проблема с перегрузкой. Так, некото­рые радиостанции обзавелись вертолетами, летающими над городами и сообщаю­щими слушателям о заторах на дорогах в надежде, что слушающие их водители выберут маршруты для своих пакетов (то есть машин) в обход пробок.

Все системы с обратной связью предполагают, что получившие информацию о перегрузке в сети хосты и маршрутизаторы предпримут какие-нибудь дейст­вия для устранения перегрузки. Чтобы данная схема работала, необходимо тща­тельно настроить временные параметры. Если каждый раз, когда два пакета прихо­дят одновременно, какой-нибудь нервный маршрутизатор будет кричать «Стоп1», а простояв без работы 20 мкс, он же будет давать команду «Давай!», система бу­дет находиться в состоянии постоянных незатухающих колебаний. С другой сто­роны, если маршрутизатор будет спокоен, как слон, и для большей надежности станет ждать 30 минут, прежде чем что-либо сообщить, то механизм борьбы с пе­регрузкой будет реагировать слишком медленно, чтобы приносить вообще ка­кую-либо пользу. Для правильной работы необходимо некоторое усреднение, однако правильный выбор значения постоянной времени является нетривиаль­ной задачей.

Известны различные алгоритмы борьбы с перегрузкой. Янг (Yang) и Редди (Reddy) (1995) даже разработали специальный метод классификации этих алго­ритмов. Они начали с того, что разделили все методы на алгоритмы с обратной Связью и без нее, как уже описывалось ранее. Затем они разделили алгоритмы без обратной связи на работающие у отправителя и у получателя. Алгоритмы с обратной связью также были разделены на две подкатегории: с явной и неявной обратной связью. В алгоритмах с явной обратной связью от точки возникнове­ния перегрузки в обратном направлении посылаются пакеты, предупреждающие о заторе. В алгоритмах с неявной обратной связью источник приходит к выводу о наличии перегрузки, основываясь на локальных наблюдениях, — например, по значению интервала времени, требующегося для получения подтверждения.

Наличие перегрузки означает, что нагрузка временно превысила возможности Ресурсов данной части системы. Есть два решения данной проблемы: увеличить Ресурсы системы или снизить нагрузку. Например, подсеть может использовать Телефонные линии с модемами, чтобы увеличить пропускную способность меж- ДУ определенными точками. В спутниковых системах большую пропускную спо­собность часто дает увеличение мощности передатчика. Распределение трафика по нескольким маршрутам вместо постоянного использования одного и того же, пусть даже оптимального пути также может позволить ликвидировать местную перегрузку. Наконец, для увеличения пропускной способности сети в случае серь­езных заторов могут быть задействованы запасные маршрутизаторы, которые обычно применяются для повышения устойчивости системы в случае сбоя.

Однако иногда увеличить пропускную способность бывает невозможно либо она уже увеличена до предела. В таком случае единственный способ борьбы с пе­регрузкой состоит в уменьшении нагрузки. Для этого существует несколько спо­собов, включая отказ в обслуживании или снижение уровня обслуживания неко­торых или всех пользователей, а также составление более четкого расписания потребностей пользователей в обслуживании.

Некоторые из этих методов, которые будут кратко рассмотрены далее, лучше всего применимы к виртуальным каналам. В подсетях, основанных на использо­вании виртуальных каналов, эти методы могут применяться на сетевом уровне. В дейтаграммных подсетях они иногда также могут применяться в соединениях транспортного уровня. В данной главе основное внимание будет уделено приме­нению методов борьбы с перегрузкой на сетевом уровне. В следующей главе мы обсудим, что можно сделать на транспортном уровне.

Описанные ранее методы борьбы с перегрузкой в основном являются методами без обратной связи: они в первую очередь пытаются предотвратить перегрузку, а не занимаются устранением уже возникшей перегрузки. В данном разделе мы опишем несколько подходов к динамическому управлению перегрузкой в подсе­тях виртуальных каналов. В следующих двух разделах будут описаны методы, применимые в любой подсети.

Широко применяемым методом недопущения ухудшения уже начавшейся пе­регрузки является управление допуском. Идея этого метода проста: когда при­ходит сигнал о перегрузке, никакие новые виртуальные каналы не создаются до тех пор, пока проблема не разрешится. То есть любые попытки установить новые соединения транспортного уровня пресекаются. Понятно, что если пустить в сеть, в которой уже возникла перегрузка, дополнительных пользователей, то ситуация только ухудшится. Хотя такой метод несколько прямолинеен и не эстетичен, за­то он дешев, надежен и практичен. В обычных телефонных системах этот метод тоже широко применяется: когда коммутатор оказывается перегруженным, вы поднимаете трубку и не слышите гудка.

Предположим, что хост, соединенный с маршрутизатором А, хочет устано­вить соединение с хостом, соединенным с маршрутизатором В. В нормальных условиях это соединение прошло бы через один из перегруженных маршрутиза­торов. Чтобы этого избежать, подсеть усекается, как показано на рис. 5.24,6. При
этом из нее удаляются перегруженные маршрутизаторы и все их линии связи. Пунктирной линией показан возможный маршрут виртуального канала в обход перегруженных маршрутизаторов.

Другая стратегия, связанная с виртуальными каналами, состоит в достиже­нии соглашения между хостом и подсетью во время установки виртуального ка­нала. Эта договоренность обычно описывает объем и форму трафика, требуемое качество обслуживания и другие параметры. В качестве выполнения своей части соглашения подсеть обычно резервирует ресурсы на пути следования создавае­мого канала. К этим ресурсам относятся память для буферов и таблиц маршру­тизаторов и пропускная способность линий. При таком подходе возникновение перегрузки в новом виртуальном канале маловероятно, так как все необходимые ресурсы были зарезервированы и их доступность гарантируется.

Подобное резервирование может выполняться как в виде постоянной стан­дартной процедуры, так и в виде действия, выполняемого только при возникно­вении перегрузки. Недостаток постоянного резервирования заключается в том, что на эту процедуру расходуются вычислительные ресурсы. Если шесть вирту­альных каналов, которым разрешено использовать по 1 Мбит/с, проходят по од­ной и той же физической линии с пропускной способностью 6 Мбит/с, линия должна быть помечена как полная, хотя маловероятно, что все шесть виртуаль­ных каналов передают данные одновременно, да еще и используют всю доступ­ную пропускную способность. Следовательно, платой за резервирование будет неиспользованная пропускная способность.

Когда ни один из описанных ранее методов не помогает в борьбе с перегрузкой, маршрутизаторы могут ввести в бой тяжелую артиллерию — сброс нагрузки. Сбросом нагрузки называется простое игнорирование маршрутизаторами паке­тов, которые они не могут обработать. Своим происхождением этот термин обя­зан системам электроснабжения, где он означает отключение в случае перегрузок отдельных участков во избежание выхода из строя всей системы. Обычно такое происходит в морозные зимние дни, когда потребности в электроэнергии для обог­ревателей резко возрастают.

Маршрутизатор, заваленный пакетами, может -выбирать пакеты просто слу­чайным образом, но обычно имеются более оптимальные варианты. Выбор пакета, который будет отвергнут, может зависеть от приложения, пересылающего этот пакет. Для передачи файла более старый пакет ценится выше нового, так как от­вержение пакета номер б и сохранение пакетов с номерами с 7-го по 10-й может привести к тому, что получатель запросит еще раз пакеты с 6-го по 10-й (если полу­чатель просто отвергает все пакеты, приходящие не в том порядке). В файле, со­стоящем из 12 пакетов, выбрасывание 6-го пакета может потребовать повторной передачи пакетов с 7-го по 12-й, тогда как выбрасывание пакета номер 10 может потребовать повторной передачи только пакетов с 10-го по 12-й. Для мультиме­дийных приложений, напротив, новый пакет важнее старого. Первую стратегию (старое лучше нового) часто называют винной стратегией, а вторую (новое луч­ше старого) — молочной стратегией.

Чтобы сделать этот алгоритм еще разумнее, необходимо участие в нем отпра­вителей. Во многих приложениях одни пакеты могут быть значительно важнее других. Например, некоторые алгоритмы сжатия видеосигнала периодически по­сылают полный кадр, а последующие кадры представляют собой карты измене­ний относительно последнего полного кадра. В таком случае потеря пакета, со­держащего разностный сигнал, не так страшна, как потеря полного кадра. Точно так же при передаче страницы, содержащей текст и рисунок, потеря линии пик­селов рисунка может остаться почти незамеченной, тогда как потеря строки тек­ста крайне нежелательна.

Для реализации интеллектуальной стратегии выбрасывания части информа­ции приложения должны помечать свои пакеты классами приоритетов, соответ­ствующими их важности. В этом случае маршрутизаторы смогут сначала выбросить пакеты нижнего класса, затем следующего за ним и т. д. Конечно, при отсутствии стимула все будут помечать свои пакеты не иначе как ОЧЕНЬ ВАЖНО — НИ В КОЕМ СЛУЧАЕ НЕ ВЫБРАСЫВАТЬ.

Стимулом может служить стоимость обслуживания, то есть пересылка паке­тов низкоприоритетным классом может быть дешевле, чем высокоприоритетным. В качестве альтернативы источникам может быть ультимативно предложено от­правлять высокоприоритетные пакеты только в условиях низкого трафика, а с по­вышением загрузки сети прекращать их отправку.