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.