График задержки пакетов приведен на илл. 6.19 (б). Сначала она постоянна и соответствует задержке распространения в сети. Когда значение нагрузки приближается к значению пропускной способности, задержка возрастает, сначала медленно, а затем все быстрее. Это также происходит из-за всплесков трафика, которые возрастают при высокой нагрузке. Задержка не уйдет в бесконечность (разве что в модели, где у маршрутизаторов бесконечный буфер). Вместо этого пакеты будут теряться при переполнении буферов.

Что касается полезной пропускной способности и задержки, производительность начинает снижаться в момент возникновения перегрузки. Логично, что мы получим наилучшую производительность сети, если будем выделять пропускную способность, пока задержка не начнет быстро расти. Эта точка находится ниже пропускной способности сети. Чтобы ее определить, Клейнрок (Kleinrock) в 1979 году предложил ввести метрику мощность (power), которая вычисляется по формуле:

Пока задержка достаточно мала и практически постоянна, мощность растет с ростом нагрузки на сеть; при резком повышении задержки она достигает максимума и резко снижается. Нагрузка, при которой мощность становится максимальной, и является наиболее эффективной нагрузкой, которую транспортная подсистема может передавать в сеть. Сеть должна стремиться к этому уровню.

Равнодоступность по максиминному критерию

Мы еще не говорили о том, как распределять пропускную способность между несколькими отправителями. Кажется, что ответ очень прост: можно разделить пропускную способность между ними поровну. Но на самом деле все намного сложнее.

Во-первых, какое отношение эта проблема имеет к контролю нагрузки? Ведь если сеть предоставляет отправителю некоторое количество пропускной способности, он должен просто использовать то, что у него есть. Но на практике сети часто не резервируют строго ограниченное количество пропускной способности для потока или соединения. Конечно, они могут это делать для некоторых потоков (если есть поддержка QoS), но как правило, соединения стремятся использовать максимум доступной пропускной способности; также возможен вариант, когда сеть выделяет ресурсы группе соединений для совместного использования. К примеру, дифференцированное обслуживание IETF делит трафик на два класса, и соединения конкурируют друг с другом в пределах каждого из этих классов. Часто все соединения одного IP-маршрутизатора используют общую пропускную способность. В таких случаях распределение ресурсов между конкурирующими соединениями должно осуществляться за счет механизмов контроля нагрузки.

Во-вторых, не совсем ясно, что означает равнодоступность для потоков в сети. Если N потоков используют один канал, то решение довольно простое: каждому выделяется 1/N пропускной способности (в случае импульсного трафика эта величина немного меньше по соображениям эффективности). Но что, если потоки используют разные, но пересекающиеся пути? К примеру, если один поток проходит по трем каналам, а остальные — по одному? Очевидно, что поток, идущий по трем каналам, потребляет больше сетевых ресурсов. Поэтому в некотором смысле справедливее было бы выделить ему меньше пропускной способности, чем остальным. Кроме того, неплохо было бы добавить новые одноканальные потоки за счет уменьшения пропускной способности трехканального. На этом примере видно, что между эффективностью и равнодоступностью всегда существуют противоречия.

Мы будем использовать такое определение равнодоступности, при котором она не зависит от длины сетевого пути. Даже в такой простой модели предоставление соединениям равных долей пропускной способности — непростая задача, так как разные соединения будут использовать различные пути, каждый со своей пропускной способностью. В этом случае один из потоков может замедлиться на входящем канале и получить меньшую долю исходящего канала по сравнению с другими потоками. Уменьшение пропускной способности для этих потоков лишь замедлит их работу, но не исправит ситуацию с «застрявшим» потоком.

Часто в сетях удобнее использовать равнодоступность по максиминному критерию (max-min fairness). Это значит, что увеличение пропускной способности одного потока невозможно без ее уменьшения для какого-либо другого потока с меньшей или равной пропускной способностью. Иными словами, от увеличения пропускной способности потока страдают менее «обеспеченные» потоки.

Рассмотрим пример. На илл. 6.20 показано распределение пропускной способности по максиминному критерию в сети с четырьмя потоками: A, B, C и D. Все каналы между маршрутизаторами имеют одинаковую пропускную способность, принятую за 1 (хотя на практике она обычно разная). На пропускную способность канала R4–R5, расположенного слева внизу, претендуют три потока. Поэтому каждый из них получает по 1/3. Оставшийся поток A конкурирует с B на участке R2–R3. Поскольку для B уже выделена 1/3 емкости канала, A получает оставшееся количество, 2/3. Как видно из рисунка, на остальных каналах часть ресурсов не используется. Но их нельзя отдать какому-либо потоку, не снизив пропускную способность другого, более медленного. К примеру, если на участке R2–R3 выделить больше емкости потоку B, то A достанется меньше. Это логично, поскольку на данный момент у A пропускной способности больше. А чтобы обеспечить большую емкость канала для B, ее придется снизить для C или D (или для обоих), и тогда она станет меньше пропускной способности B. Данное распределение соответствует максиминному критерию.

Илл. 6.20. Распределение пропускной способности по максиминному критерию для четырех потоков

Такое распределение пропускной способности можно вычислить на основе данных обо всей сети. Чтобы представить это наглядно, предположим, что скорость всех потоков медленно возрастает, начиная от 0. Как только один из потоков достигает узкого места, его скорость перестает расти. Скорость остальных потоков продолжает увеличиваться (при этом доступная пропускная способность делится поровну), пока каждый из них не дойдет до своего узкого места.

Третий вопрос, возникающий при обсуждении равнодоступности, — на каком уровне ее рассматривать? Сеть может быть справедливой на уровне соединений, соединений между парой хостов или всех соединений одного хоста. Этой проблемы мы касались, когда говорили о взвешенном справедливом обслуживании (см. раздел 5.4): выяснилось, что с каждым из этих вариантов связаны определенные трудности. К примеру, если считать равноправными все хосты, активно работающий сервер будет получать не больше ресурсов, чем обычный мобильный телефон; если же таковыми считать все соединения, хостам выгодно открывать дополнительные линии. На этот вопрос нет однозначного ответа, и равнодоступность часто реализуется на уровне соединений, однако она совсем не обязана быть идеальной. В первую очередь важно, чтобы ни одно соединение не осталось без пропускной способности. На самом деле протокол TCP позволяет создавать множественные соединения, что вызывает еще более жесткую конкуренцию. Эта тактика подходит для особенно ресурсоемких приложений. Например, ее использует BitTorrent для однорангового совместного использования файлов.