Чтение онлайн

Илл. 5.21. Сеть, в которой восточная и западная части соединены двумя линиями связи

Если игнорировать нагрузку и учитывать только пропускную способность и задержку распространения, такой проблемы не возникнет. Попытки учесть нагрузку, используя узкий диапазон весовых значений, лишь замедляют колебания маршрутов. Удачное решение проблемы основывается на двух методах. Первый — это маршрутизация, при которой между отправителем и получателем существует несколько путей. В нашем примере это означает, что пакеты можно передавать по обеим линиям между востоком и западом. Второй метод состоит в следующем: схема маршрутизации перемещает трафик по маршрутам настолько медленно, чтобы он конвергировался; так, например, работает схема Галлагера (Gallager, 1977).

С учетом этих трудностей протоколы маршрутизации интернета обычно не корректируют пути на основании уровня нагрузки. Вместо этого операторы сетей настраивают протоколы в более широких временных рамках, плавно меняя конфигурацию и параметры маршрутизации, другими словами, регулируют трафик. Это всегда было трудоемким ручным процессом, чем-то напоминающим черную магию. Несмотря на попытки его формализации, он оставался достаточно примитивным в силу непредсказуемого характера нагрузки в интернете и некоторой громоздкости параметров конфигурации протоколов. С появлением программно-конфигурируемых сетей часть задач была автоматизирована, а распространение по всей сети таких технологий, как MPLS-туннели, предоставило операторам большую гибкость при реализации многих составляющих регулирования трафика.

Управление допуском

Популярный метод предотвращения перегрузки в сетях виртуальных каналов — управление допуском (admission control). Идея проста: не создавать новый виртуальный канал до тех пор, пока сеть не сможет обработать дополнительный трафик без перегрузки. Таким образом, попытка добавить виртуальный канал может закончиться неудачно. Это лучшее решение, так как если позволить дополнительным пользователям подключиться к заполненной сети, ситуация только ухудшится. По аналогии, когда коммутатор в телефонной системе перегружен, вы поднимаете трубку и не слышите гудка.

Суть этого подхода в том, чтобы определить, когда добавление нового виртуального канала приведет к перегрузке. В телефонных сетях эта задача решается просто благодаря фиксированной пропускной способности для вызовов (64 Кбит/с для несжатого аудио). Но в компьютерных сетях используются виртуальные каналы всевозможных типов. Поэтому если мы хотим прибегнуть к управлению допуском, каналы должны предоставлять информацию о характеристиках трафика.

Часто речь идет о скорости и форме. Возникает вопрос, как описать эти характеристики просто и содержательно. Обычно трафик неравномерен, поэтому нельзя полагаться только на среднюю скорость. Например, гораздо сложнее справиться с колебаниями трафика при поиске в интернете, чем при просмотре потокового видео того же объема, поскольку всплески интернет-трафика с большей вероятностью приводят к перегрузке маршрутизаторов сети. Этот эффект часто называют «дырявым ведром» (leaky bucket) или «маркерным ведром» (token buсket). «Дырявое ведро» обладает двумя параметрами, ведущими к ограничению средней скорости и мгновенному увеличению объема трафика. Поскольку это два наиболее распространенных механизма формирования трафика, мы рассмотрим их более подробно в данном разделе.

Располагая характеристиками трафика, сеть принимает решение о добавлении нового виртуального канала. Чтобы не произошло перегрузки, сеть может, например, зарезервировать часть пропускной способности для каждого виртуального канала. В этом случае характеристика трафика выступает в качестве договора об обслуживании, которое сеть обязуется предоставить пользователю. В разговоре о предотвращении перегрузки мы слишком рано отклонились в сторону смежной темы, QoS; вернемся к ней чуть позже.

Даже если сеть не берет на себя никаких обязательств, она может использовать характеристики трафика для управления доступом. При этом задача сводится к оценке числа виртуальных каналов, достаточного для обеспечения нужной пропускной способности сети и работы без перегрузок. Предположим, что все виртуальные каналы, которые могут передавать трафик со скоростью до 10 Мбит/с, используют один и тот же физический канал с пропускной способностью 100 Мбит/с. Сколько каналов можно использовать? Очевидно, что при 10 каналах нет никакого риска перегрузки, но это неэффективно в обычной ситуации, поскольку вряд ли все они будут одновременно работать в полную силу. В действующих сетях для оценки числа возможных каналов используются статистические данные. Таким образом, за счет допустимого увеличения риска сеть выигрывает в производительности.

Можно совместить принципы управления доступом и маршрутизации с учетом состояния трафика, направляя маршруты в обход проблемных участков. Для примера рассмотрим сеть на илл. 5.22 (а), в которой два маршрутизатора перегружены.

Илл. 5.22. (а) Перегруженная сеть. (б) Участок сети без перегрузки. Также показан виртуальный канал между A и B

Предположим, что хост, подключенный к маршрутизатору A, хочет установить соединение с хостом, соединенным с B. В других обстоятельствах это соединение прошло бы через один из перегруженных маршрутизаторов. Чтобы этого избежать, сеть усекается, как показано на илл. 5.22 (б). При этом исключаются перегруженные маршрутизаторы и все их линии связи. Пунктиром показан возможный путь виртуального канала в обход перегруженных маршрутизаторов. Подробное описание маршрутизации, чувствительной к нагрузке, можно найти в работе Шейха и др. (Shaikh et al., 1999).

Сброс нагрузки

Когда ни один из описанных методов не помогает в борьбе с перегрузкой, маршрутизаторы могут ввести в бой тяжелую артиллерию — сброс нагрузки (load shedding). По сути, это игнорирование маршрутизаторами пакетов, которые они не могут обработать. Своим происхождением этот термин обязан сфере электроснабжения, где он означает отключение в случае перегрузок отдельных участков во избежание выхода из строя всей системы. Обычно это происходит в жаркие летние дни, когда спрос на электроэнергию (для питания кондиционеров) многократно превышает предложение.

Ключевой вопрос для маршрутизатора, заваленного пакетами, — какой из них исключить. Выбор зависит от типа приложений, использующих данную сеть. При передаче файлов более старые пакеты представляют большую ценность, чем новые. Например, если отбросить пакет 6, но сохранить пакеты 7–10, это заставит получателя выполнить лишнюю работу: поместить в буфер данные, которые он еще не может использовать. Для мультимедийных приложений, работающих в реальном времени, напротив, новый пакет важнее старого, поскольку пакеты становятся ненужными, если не приходят вовремя.

Первую стратегию (старое лучше нового) часто называют винной стратегией (wine), а вторую (новое лучше старого) — молочной стратегией (milk), так как большинство людей предпочтут пить свежее молоко и выдержанное вино, а не наоборот.

Более сложные алгоритмы сброса нагрузки требуют участия отправителей. В качестве примера можно привести пакеты, содержащие сведения о маршрутизации. Они намного важнее обычных пакетов с данными, поскольку устанавливают маршруты; если они будут утеряны, может пострадать связность сети. Другой пример — алгоритмы сжатия видеосигнала (например, MPEG), которые периодически передают полный фрейм, а далее отправляют его измененные версии. В этом случае потеря пакета с изменениями не так страшна, как потеря полного фрейма, так как от него зависят последующие пакеты.

Чтобы реализовать осмысленную стратегию отбрасывания части данных, приложения должны помечать свои пакеты, сообщая сети об их важности. Тогда маршрутизаторы смогут сначала исключить наименее важные пакеты, затем чуть более существенные, и т.д.

Конечно, при отсутствии определенного стимула все будут помечать свои пакеты не иначе как ОЧЕНЬ ВАЖНО — НИ В КОЕМ СЛУЧАЕ НЕ ВЫБРАСЫВАТЬ. Предотвращение неоправданного использования таких меток часто достигается за счет сетевых ресурсов и денежных средств. Например, сеть может разрешить отправителям пересылать пакеты с большей скоростью, чем указано в договоре на предоставление услуг, если пакет будет помечаться как низкоприоритетный. Такая стратегия весьма удачна, поскольку более эффективно распределяет свободные ресурсы: хостам разрешено пользоваться ими, пока это никому не мешает, но это право за ними не закреплено.

Формирование трафика

Чтобы гарантировать пользователю определенную производительность, сеть должна знать примерный объем трафика. В телефонных сетях его оценить легко: обычный звонок (в несжатом формате) требует скорости 64 Кбит/с и одного 8-битного отсчета каждые 125 мкс. Однако в сетях передачи данных трафик неравномерен (bursty). Он может быть неоднородным по трем причинам: непостоянная скорость передачи (например, при видеоконференциях со сжатием), взаимодействие пользователя и приложения (например, просмотр новой веб-страницы) и переключение компьютера между задачами. С неравномерным трафиком работать гораздо сложнее, чем с постоянным, так как при этом может произойти переполнение буферов и, как следствие, утеря пакетов.