Nets2010 (1131259), страница 41
Текст из файла (страница 41)
Организация рассылки уведомлений также влияет на перегрузку. Если уведомление происходит немедленно и специальными пакетами, то это увеличивает трафик и следовательно может привести к перегрузкам. Если для уведомления используются пакеты с сообщениями, то возможны time_out из-за отсутствия уведомлений вовремя и, как следствие, повторные пересылки пакетов, что может привести к перегрузкам. В то же время жесткая схема управления потоком (небольшое окно) сдерживает нарастание трафика и предотвращает появление перегрузок.
На сетевом уровне выбор схемы работы - с виртуальными соединениями или дейтаграммами - влияет на появление перегрузок. На этом уровне большинство методов борьбы с перегрузками ориентированы на виртуальные соединения. Методы управления очередями, организация очередей: одна общая на входе или одна общая на выходе; по одной на каждую входную линию или на каждую выходную; по одной очереди на каждую входную и выходную - все это влияет на появление перегрузок. Выбор метода сброса пакетов также влияет на перегрузки.
Правильная маршрутизация, равномерно использующая каналы в транспортной среде, позволяет избежать перегрузки. Методы, регулирующие время жизни пакета в сети, также влияют на образование перегрузок. Если пакет долго блуждает в сети, прежде чем будет принято решение о его сбросе, то это плохо, так как увеличивает трафик и может привести к перегрузке. Если поторопиться, то преждевременный сброс пакета может привести к повторным передачам, что опять-таки увеличит нагрузку.
На транспортном уровне возникают те же самые проблемы, что и на канальном, однако определить величину time_out намного сложнее. Дело в том, что оценить время передачи через СПД много сложнее, чем время передачи по каналу «точка-точка» между двумя маршрутизаторами. Если оно будет слишком большим, то это снизит вероятность перегрузки, но повлияет на производительность из-за длительного ожидания поступления пакета. Если сделать его коротким, то появятся лишние пакеты.
Формирование трафика.
Одной из основных причин перегрузки является нерегулярный, взрывообразный трафик в сети. Если бы он был равномерным, то перегрузок можно было бы избежать. Один из методов с открытым контуром, часто используемым особенно в АТМ-сетях, - метод формирования трафика, когда скорость передачи пакетов контролируется и регулируется.
Формирование трафика регулирует среднюю скорость передачи данных так, чтобы сделать его по возможности гладким. Следует обратить внимание, что протокол скользящего окна, который мы рассматривали при изучении канального уровня, лишь регулирует объем данных, передаваемых за один раз, но не скорость передачи. Здесь же речь идет именно о скорости передачи. Когда виртуальное соединение устанавливается, то пользователь договаривается с транспортной средой о форме трафика. Если пользователь обеспечивает договоренную форму трафика, то транспортная среда обеспечивает ему доставку трафика с определенной скоростью.
Когда пользователь и транспортная среда договариваются о форме трафика, то они приходят к соглашению не только о форме трафика, но также и о том, что произойдет, если эта форма будет нарушена пользователем. Это соглашение называется соглашением о трафике. Использование техники формирования трафика и соглашения о трафике легче всего реализовать при использовании виртуальных соединений, чем в случае дейтаграмм. В случае дейтаграмм эти идеи могут быть применены к соединениям на транспортном уровне.
Алгоритм текущего ведра. Идея этого алгоритма показана на рисунке 5-23 (а). Ведро может наполняться с любой скоростью, но вытекать из него вода будет со строго определенной скоростью. Если вода будет поступать слишком быстро, то ее часть будет переливаться через края и пропадать. Скорость истечения воды из ведра зависит только от размера отверстия в днище.
Рисунок 5-23. Алгоритм текущего ведра
Этот прием можно применить и к пакетам, как показано на рисунке 5-23 (b). Каждая станция, подключенная к сети, имеет подобие текущего ведра в своем интерфейсе. Не важно, сколько процессов посылает пакеты в сеть. Если буфер переполнен, то пакеты будут сбрасываться в соответствии с соглашением о трафике. Это не что иное, как сервер с постоянной скоростью обслуживания.
В качестве регулятора скорости поступления пакетов можно использовать системные часы. В этом случае устанавливается предел числа пакетов, которые процесс может направить в сеть за один промежуток времени. Этот прием дает хорошие результаты, когда пакеты имеют фиксированную длину, как в АТМ. В случае пакетов переменной длины это соглашение ограничивает количество байтов, направляемых в сеть.
Алгоритм текущего ведра позволяет сгладить трафик, убрать нерегулярность. Однако в целом ряде приложений бывает полезно разрешить, при всплеске трафика и наличии необходимых ресурсов, ускорить на некоторое время передачу пакетов в сеть. Один из алгоритмов, позволяющих это сделать, - алгоритм ведра с маркерами. Рисунок 5-25 иллюстрирует этот алгоритм. Идея его заключается в том, что вместе с пакетами в ведро поступают маркеры. Пакеты из ведра уходят в сеть только при наличии соответствующего количества маркеров. Таким образом, можно накапливать маркеры и кратковременно ускорять передачу пакетов в сеть.
Рисунок 5-25. Алгоритм ведра с маркерами
Другое отличие алгоритма ведра с маркером - при переполнении буфера хосту будет временно запрещено передавать пакеты. Здесь опять существуют разные варианты в зависимости от длины пакетов, правила работы со счетчиком маркеров и т.д. Для реализации алгоритма ведра с маркерами нужна лишь переменная, значение которой увеличивается каждые ΔТ сек. и уменьшается с каждым посланным пакетом. В случае пакетов переменной длины значение этой переменной увеличивается на k байтов каждые ΔТ сек. и уменьшается на длину каждого посланного пакета. Нетрудно рассчитать длительность всплеска при передаче на основе уравнения
C + ρ S = MS
где С – объем буфера, S – длительность всплеска, ρ – скорость поступления маркера, М – максимальная скорость «вытекания» данных.
Таким образом, S = C/(M - ρ).
Рисунок 5-24 (d-f) иллюстрирует эту функцию для случая С = 250 Кбит, М = 25 Мбит/сек. и ρ = 2 Мбит/сек.
Спецификация потока.
Формирование трафика эффективно тогда, когда отправитель, получатель и среда передачи заранее договорились о форме трафика. Это соглашение называется спецификацией потока. Она представляет собой структуру данных, которая определяет как форму выходного трафика, так и качество сервиса, необходимого приложению. Эта спецификация применима как к пакетам, передаваемым по виртуальным каналам, так и к дейтаграммам.
Управление перегрузками в сетях с виртуальными каналами.
Прием, который широко используется, чтобы сдержать уже возникшую перегрузку и не дать положению ухудшиться - это контроль на входе. Идея очень проста - если обнаружена перегрузка, то все, что способствует увеличению трафика, запрещено. Прежде всего, запрещается создание новых виртуальных соединений. Таким образом, запрещается создание новых соединений на транспортном уровне. Этот метод хотя и грубоват, но прост в реализации и хорошо апробирован в телефонных сетях.
Другой подход разрешает установку новых виртуальных соединений, но только при наличии не перегруженных маршрутов, т.е. таких маршрутов, которые не пересекаются с перегруженными участками, даже если такие маршруты далеко не оптимальны. Рисунок 5-27 иллюстрирует этот подход.
Рисунок 5-27. (а) Участок сети с перегрузкой; (b) Измененный участок сети без перегрузки с виртуальным каналом АВ
Третий подход уже упоминался: хост и транспортная среда договариваются перед установкой виртуального соединения о форме трафика, объеме передаваемых данных, качестве сервиса и т.п. После этого транспортная среда резервирует необходимое количество ресурсов, необходимых ей для выполнения этих соглашений. Это резервирование может происходить постоянно, а может быть сделано только при возникновении перегрузок. Плата за резервирование - неоптимальное использование пропускной способности каналов.
Подавляющие пакеты.
Теперь рассмотрим приемы, используемые как в средах с виртуальными каналами, так и в средах с дейтаграммами. Каждый маршрутизатор может контролировать степень загрузки своих выходных линий и другие ресурсы. Например, он может периодически вычислять степень загруженности своих выходных линий. Всякий раз, когда степень загруженности при очередном вычислении оказывается выше некоторого порога, эта линия переводится в состояние предупреждения. Каждый пакет, маршрутизируемый через такую линию, вызывает генерацию подавляющего пакета, направляемого отправителю маршрутизируемого пакета. При этом в пакете отправителя проставляется определенный разряд, предотвращающий генерацию подавляющих пакетов другими маршрутизаторами в дальнейшем.
Когда отправитель получает подавляющий пакет, он сокращает интенсивность своего трафика на определенную величину. Поскольку пакеты, направляемые одному и тому же получателю, могут маршрутизироваться по-разному, то отправитель вправе ожидать несколько подавляющих пакетов. В течение определенного времени отправитель будет игнорировать подавляющие пакеты, поступающие с направления получателя. По истечении этого периода времени отправитель ожидает появления подавляющих пакетов в течение следующего интервала. Если появился хоть один подавляющий пакет, то линия перегружена и отправитель ждет. Если в течение очередного интервала не поступило ни одного подавляющего пакета, то отправитель может увеличить интенсивность трафика.
У методов на основе подавляющих пакетов есть один недостаток. Если есть несколько отправителей, работающих через одну и ту же выходную линию, то при определенных условиях маршрутизатор всем им пошлет подавляющие пакеты. Однако, так как отправители независимы, то один, например, сократит трафик значительно, тогда как другие лишь незначительно. Это приведет к несправедливому использованию пропускной способности канала между ними.
Для предотвращения такой ситуации был предложен алгоритм справедливого чередования. Суть его состоит в том, что для каждого отправителя у выходной линии строится своя очередь. Отправка пакетов из этих очередей происходит по кругу. Поэтому, если кто-то из отправителей незначительно сократит трафик, то это лишь увеличит скорость роста его очереди.
И у этого алгоритма есть недостаток: если один отправитель использует длинные пакеты, а другой - короткие, то последний получит меньшую долю пропускной способности линии. Для борьбы с этой несправедливостью в алгоритм обслуживания очередей вносят модификацию: пакеты из очередей передаются побайтно, а не весь пакет сразу.
Представленные здесь алгоритмы с подавляющими пакетами плохо работают в высокоскоростных сетях и на больших расстояниях. Дело в том, что пока подавляющий пакет дойдет до отправителя, пройдет много времени и отправитель успеет «напихать» в сеть много пакетов. Для исправления этой ситуации была предложена его модификация – алгоритм с подавлением по скачкам. Суть его в том, что как только обнаружится перегрузка на выходной линии и маршрутизатор отправит подавляющий пакет, то ближайший маршрутизатор, получивший этот подавляющий пакет, сократит трафик к маршрутизатору, пославшему подавляющий пакет. И так скачок за скачком трафик будет быстро падать. Естественно, этот прием увеличит нагрузку на буфера маршрутизаторов, сокращающих трафик, но обеспечит быструю реакцию на возникающую перегрузку. На рисунке 5-29 дан пример алгоритма с подавлением скачками. На этом рисунке хорошо видно, что, применяя технику подавляющих пакетов «в лоб», мы достигнем сокращения нагрузки за 7 скачков (а). Техника подавляющих пакетов по скачкам позволяет добиться того же самого эффекта за пять скачков (b).
Рисунок 5-29. Алгоритм с подавлением скачками
Сброс нагрузки.
Когда ни один из упомянутых выше приемов не срабатывает, маршрутизатор может применить «тяжелую артиллерию» – сброс нагрузки. Было бы слишком примитивно предполагать, что маршрутизатор, при возникновении перегрузки просто начинает сбрасывать пакеты. Идея метода и его название пришли из области передачи электроэнергии. Там при возникновении перегрузок в сети, начинают отключать отдельные группы потребителей, чтобы сохранить работоспособность системы.
Маршрутизатор может сбрасывать пакеты, исходя из информации о приложении, пославшем эти пакеты. Если, например, передается файл, то старые пакеты, т.е. расположенные ближе к концу файла, сбрасывать лучше, поскольку приложение может потребовать перепослать все пакеты, начиная с пропущенного пакета. В этом случае, чем старее пакет, тем меньше придется перепосылать. Есть приложения, для которых все наоборот. Лучше сбрасывать новые пакеты, т.е. ближе к началу передачи, чем старые.
В общем случае подход на основе сброса нагрузки предполагает определенное взаимодействие между приложением и маршрутизатором. Например, при передаче изображений в целях компрессии сначала посылают всю картинку, а потом лишь ее изменения. Ясно, что потеря одного из изменений лишь ухудшит изображение на некоторое время, в то время, как потеря картинки будет означать потерю изображения вовсе. Для обеспечения такого взаимодействия с приложением вводят приоритеты среди пакетов. Это позволяет маршрутизатору минимизировать потери для приложения, когда маршрутизатор вынужден сбрасывать пакеты.
Для того, чтобы приложение не злоупотребляло приоритетными пакетами, можно увязать приоритет пакетов с величиной оплаты за трафик. Чем больше приоритетных пакетов, тем выше стоимость передачи. Приоритеты можно использовать также в целях формирования трафика. Например, при использовании алгоритма ведра с маркерами, если пакет пришел, а маркеров нет, можно применить прием, когда пакет все же будет передан, но низким приоритетом.
Приоритеты используются, например, в протоколах Frame Relay. Пока величина трафика находится в заранее оговоренных пределах, все пакеты идут с определенным приоритетом. При пиковых нагрузках, превосходящих номинальную величину, приоритеты пакетов начинают падать в зависимости от времени. Если увеличение размера трафика продолжается недопустимо долго, то вскоре приоритеты пакетов достигнут минимума, и при первых же признаках перегрузки их начнут сбрасывать.
Управление перегрузками при групповой передаче.
Все алгоритмы управления перегрузками, которые мы до сих пор рассматривали, относились к случаю, когда был один источник и один получатель. Рассмотрим случай управления нагрузкой при групповой передаче, т.е. когда есть несколько источников и несколько получателей. Примером могут служить системы кабельного телевидения. Например, в системе может быть несколько источников телепередач (станций вещания), и зрители могут по желанию переключаться с одной станции на другую. Аналогичная ситуация может иметь место в системе видеоконференций, когда слушатели могут переключаться с одной конференции на другую.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
