Здесь уместно прояснить разницу между понятиями «контроль перегрузок» (congestion control), «управление трафиком» (traffic management) и «управление потоком» (flow control). Задача управления трафиком (или регулирования трафика) — гарантировать, что сеть справится с поступающим трафиком. Задача может решаться как устройствами в сети, так и отправителями (часто с использованием механизмов транспортного протокола, называемых методами контроля перегрузок). Управление перегрузками (или контроль перегрузок) касается поведения всех хостов и маршрутизаторов. Управление потоком, наконец, относится к трафику между конкретными отправителями и получателями. С его помощью регулируется скорость отправки данных: она не должна превышать максимально возможную скорость их получения. Задача управления потоком — не допустить потери данных из-за того, что отправитель обладает большей производительностью и его скорость превышает возможности адресата.
Чтобы понять разницу между этими понятиями, представьте сеть из 100-гигабитных оптоволоконных линий. Суперкомпьютер пытается передать большой файл персональному компьютеру, способному принимать данные со скоростью 1 Гбит/с. Хотя перегрузки в данной ситуации не наблюдается, алгоритм управления потоком периодически заставляет отправителя приостанавливать передачу, чтобы получатель успевал принимать трафик.
Приведем другой пример. Рассмотрим сеть из 1000 больших компьютеров, соединенных мегабитными линиями. Половина компьютеров пытается передать файлы остальным со скоростью 100 Кбит/c. Здесь проблема заключается уже не в том, что медленные получатели не успевают принимать данные от быстрых отправителей. Просто сеть не способна пропустить весь предлагаемый трафик.
Причина, по которой контроль перегрузок и управление потоком часто путают, заключается в том, что лучшее решение обеих проблем — добиться более медленной работы хоста. Таким образом, хост может получить просьбу снизить скорость в двух случаях: когда с потоком не справляется получатель или когда с ним не справляется вся сеть. Мы вернемся к этому вопросу в главе 6.
Мы начнем знакомство с управлением перегрузками с рассмотрения подходов, которые могут применяться сетевыми операторами в разных масштабах времени. Затем мы изучим методы предотвращения перегрузки, а также различные алгоритмы борьбы с ее последствиями.
5.3.2. Методы управления трафиком
Перегрузка означает, что нагрузка на сеть превышает (временно) возможности ресурсов сети (или некоторой ее части). Существует два возможных решения: увеличить объем ресурсов или снизить нагрузку. Как показано на илл. 5.20, эти решения обычно применяются в разных временных рамках в зависимости от задачи: предотвратить перегрузку или справиться с ней, если ее не удалось избежать.
Илл. 5.20. Временные рамки методов управления трафиком и перегрузками
Самый простой способ избежать перегрузки заключается в создании сети с достаточной пропускной способностью для передачи ожидаемого трафика. Если часть пути, по которому обычно пересылаются большие объемы данных, обладает низкой пропускной способностью, вероятность возникновения перегрузки довольно высока. Иногда при перегрузке возможно динамическое добавление ресурсов, например подключение свободных маршрутизаторов или резервных линий (для обеспечения устойчивости к ошибкам) либо же приобретение дополнительной пропускной способности на свободном рынке. Как правило, наиболее загруженные соединения и маршрутизаторы обновляются при первой возможности. Этот процесс называется обеспечением (provisioning) и происходит раз в несколько месяцев, в результате оценки долгосрочной динамики трафика.
Чтобы максимально использовать существующую пропускную способность сети, маршруты могут быть адаптированы к схемам трафика, которые меняются в течение дня, поскольку пользователи сети просыпаются и засыпают в разных часовых поясах. Например, можно обходить загруженные линии, меняя весовые коэффициенты кратчайшего пути. Некоторые радиостанции следят за ситуацией на дорогах с вертолетов и передают полученные сведения радиослушателям, чтобы те могли объехать пробки. Это называется маршрутизацией с учетом состояния трафика (traffic-aware routing). Так же можно разделять трафик, направляя его по разным линиям.
Иногда повысить пропускную способность невозможно, особенно за короткий срок. Тогда единственным выходом является снижение нагрузки.
В сети виртуальных каналов новые соединения отклоняются, если они могут привести к перегрузке сети. Это один из примеров управления допуском (admission control), при котором отправители просто лишаются возможности передавать трафик, если это превышает возможности сети.
Когда перегрузка неизбежна, сеть может передать сообщение обратной связи отправителям, трафик которых вызывает проблему. Сеть может либо попросить этих отправителей снизить скорость, либо замедлить трафик самостоятельно, то есть произвести троттлинг (throttling). Сложность второго подхода в том, что нужно обнаружить начало перегрузки и уведомить отправителя, что необходимо снизить скорость отправки. Для этого маршрутизаторы отслеживают среднюю нагрузку сети, время ожидания в очереди и частоту потери пакетов и дают отправителям обратную связь: явно или косвенно (например, путем удаления пакетов) сообщают о необходимости замедлиться.
В случае явного отклика маршрутизаторы должны участвовать в цикле обратной связи с отправителями. Чтобы данная схема работала, необходимо тщательно настроить временные параметры. Если каждый раз при одновременном получении двух пакетов маршрутизатор кричит «Стоп!», а простояв без работы 20 мкс, командует «Давай!», система будет находиться в состоянии постоянных незатухающих колебаний. И наоборот, если маршрутизатор для большей надежности станет ждать 30 минут, прежде чем что-либо сообщить, то механизм борьбы с перегрузкой будет реагировать слишком медленно, чтобы приносить хоть какую-то пользу. Своевременная доставка сообщений обратной связи не такая уж простая задача. Дополнительная проблема заключается в том, что маршрутизаторы отправляют больше сообщений, когда сеть уже и так перегружена.
Наконец, сеть может удалить те пакеты, которые она не в состоянии доставить. Такой подход получил общее название «сброс нагрузки». Существуют разные способы его реализации, включая формирование трафика (ограничение скорости конкретного отправителя) и соблюдение политики трафика (игнорирование трафика отправителя при превышении им некоторого порога). Правильно определив стратегию в отношении того, какие пакеты удалять, можно предотвратить коллапс сети. Далее мы подробно все это обсудим.
Маршрутизация с учетом состояния трафика
Первый подход, который мы рассмотрим, называется маршрутизацией с учетом состояния трафика. Методы маршрутизации, представленные в разделе 5.2, используют фиксированные весовые коэффициенты связей, которые адаптируются к изменениям топологии, но не к изменениям нагрузки трафика. Однако нагрузку также следует учитывать при вычислении маршрутов, чтобы направлять трафик в обход наиболее подверженных перегрузке участков.
Наиболее простой способ — сделать весовой коэффициент связи функцией от пропускной способности связи (фиксированной) и задержки распространения, а также измеренной (переменной) нагрузки или среднего времени ожидания в очереди. В результате пути с наименьшим весом будут при прочих равных параметрах наименее нагруженными.
Маршрутизация с учетом состояния трафика использовалась на ранних этапах развития интернета в рамках модели Кханны и Зинки (Khanna and Zinky, 1989). Однако здесь есть небольшая опасность. Рассмотрим сеть на илл. 5.21. Она разделена на две части — восток и запад, соединенные линиями CF и EI. Предположим, что основной трафик между западом и востоком проходит по CF, поэтому она слишком нагружена, что приводит к длительным задержкам. Учет времени ожидания в очереди при вычислении кратчайшего пути сделает линию EI более популярной. После внесения изменений в таблицы маршрутизации большая часть трафика пойдет по EI и слишком нагруженной окажется именно эта линия. При следующем обновлении таблиц кратчайшим путем снова станет CF. В конечном итоге значения в таблицах будут сильно колебаться, что приведет к ошибкам при выборе маршрутов и другим проблемам.
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.