Лекция 6. Управление сетевым трафиком

Пропускная способность сетей с коммутацией пакетов.

Одним из отличий метода коммутации пакетов от метода коммутации каналов является неопределенность пропускной способности соединения между двумя або­нентами. В методе коммутации каналов после образования составного канала про­пускная способность сети при передаче данных между конечными узлами известна — это пропускная способность канала. Данные после задержки, связанной с уста­новлением канала, начинают передаваться на максимальной для канала скорости (рис. вверху). Время передачи сообщения в сети с коммутацией каналов равно сумме задержки распространения сигнала по линии связи и задержки передачи сообщения. Задержка распространения сигнала зависит от скорости распростра­нения электромагнитных волн в конкретной физической среде, которая колеблет­ся от 0,6 до 0,9 скорости света в вакууме. Время передачи сообщения равно V/C, где V — объем сообщения в битах, а С — пропускная способность канала в битах в секунду.

В сети с коммутацией пакетов наблюдается принципиально другая картина.

Процедура установления соединения в этих сетях, если она используется, зани­мает примерно такое же время, как и в сетях с коммутацией каналов, поэтому будем сравнивать только время передачи данных.

На рис. внизу показан пример передачи в сети с коммутацией пакетов. Предпо­лагается, что в сеть передается сообщение того же объема, однако оно разделено на пакеты, каждый из которых снабжен заголовком. При передаче этого сообщения возникают дополнительные временные задержки:

o задержки на передачу заголовком,

o задержки между пакетами (время формирования пакета стеком протоколов),

o задержки времени буферизации и коммутации в промежуточном оборудовании.

Основной недостаток сети с коммутацией пакетов – неопределенная пропускная способность сети. Это плата за ее общую эффективность. Аналогия – многозадачная ОС. Время выполнения определенного приложения оценить невозможно, т.к. оно зависит от количества других приложений.

Чтобы почувствовать актуальность темы – простой пример (Столлингс, «Современные компьютерные сети», глава 8). Веб-сервер обслуживает индивидуальные запросы в среднем за 1мс. Чтобы упростить задачу – ровно за 1мс. Если скорость поступления запросов – 1 запрос в миллисекунду – то кажется, можно утверждать, что сервер справится с такой нагрузкой.

1. Идеальный случай – постоянный интервал прихода запросов, сервер обрабатывает запрос сказу как он приходит. Как только завершается обработка – сразу переходит к следующему.

2. Более реалистичный вариант. Средняя скорость – такая-же, но она не постоянна. В течение одного интервала может не поступить ни одного запроса, а в другое время – большое количество. Но средняя скорость – постоянна. В период высокой нагрузки сервер хранит запросы в буфере, т.е. они стоят в очереди на обработку. Самый важный вопрос в данном случае – насколько большим должен быть буфер.

Есть таблицы, показывающие поведение такой системы:

Первая таблица – предполагается, что в систему поступает в среднем 500 запросов в секунду, что соответствует половине производительности сервера. Записи в таблице показывают количество запросов, прибывающих каждую секунду, количество запросов обработанных в течение этой секунды и количество избыточных запросов, поставленных в очередь. Данные в таблице содержатся за 50 секунд.

Среднее значение за 50 секунд – 43 запроса в очереди. Пиковое – 600.

Второй случай. 95% производительности. В среднем – 950 запросов в секунду.

Среднее количество ожидающих в буфере запросов – 1859. Это может показаться удивительным. Скорость поступления запросов увеличилась менее чем в 2 раза, а средняя длина очереди – в 40 раз.

Третья таблица. Скорость постуления запросов – 99% производительности. Среднее количество запросов – 2583. Незначительное увеличение скорости заросов приводит к 40%-му росту очереди.

Этот грубый пример наводит на мысль о том, что поведение системы с очередью может не согласовываться с нашей интуицией.

Функции маршрутизаторов (коммутаторов):

· демультиплексирование входного потока пакетов,

· определение для каждого пакета выходного порта и

· формирование посредством мультиплексирования выходного потока пакетов.

Таким образом, ресурсами сети являются буферная память и производительность процессора маршрутизатора, а также - пропускная способность линий передачи. Полный маршрут потока пакетов, в рамках конкретной прикладной задачи, или пакетов одного конкретного соединения через сеть, может быть представлен цепочкой мультиплексоров и линий передачи.

Пунктирными стрелками на этом рисунке представлены другие входные потоки. Эти потоки конкурируют между собой за ресурсы сети – емкость буферов, очередность обслуживания, и пропускную способность линий передачи.

Результаты этого соперничества

· крайне неравномерное распределение ресурсов сети

· снижение качества обслуживания одного, или всех потоков

· возникновение перегрузок на отдельных участках или даже коллапс сети (нулевая производительность).

Предупреждение нежелательных состояний сети требует мер управления сетевым трафиком, целью которых являются:

· предупреждение резкого падения производительности сети и

· обеспечение требуемого приложением уровня качества обслуживания (Quality of Service, QoS) генерируемого им потока.

Обеспечение качества обслуживания – комплексная задача и в ее решении принимают участие все уровневые протоколы, в том числе и сетевые. Качество обслуживания описывается системой параметров, специфической для каждого уровня. Параметры качества обслуживания для уровня сети:

· полное время доставки,

· неравномерность задержки доставки пакетов,

· уровень потерь пакетов.

Ясно, что значения параметров качества обслуживания потока в сети зависит от их значений, реализуемых в каждом узле коммутации. Так, полное время доставки (end-to-end delay) пакета определяется задержками, испытываемыми им на каждом коммутационном узле. Следовательно, и среднеяя задержка доставки – это сумма средних задержек. Очевидно, что если последние ограничены сверху, то максимальная полная задержка доставки пакетов данного потока не будет превосходить суммы верхних грананиц задержек на кажком узле коммутации.

Важной характеристикой качества обслуживания является джиттер (jitter) – т.е. величина неравномерности времени доставки пакетов на всем маршруте. Ее максимальное значение может вычисляться как разность верхней и нижней границ задержки доставки пакета.

Если пакет приходит в коммутационное устройство в момент, когда его буферная память полностью занята, то он просто уничтожается. Поэтотму, причинами потерь пакетов в коммуникационных устройствах являются также резкие скачки числа пакетов на входном порту и внезапное уменьшение пропускной способности выходной линии, или ее перегрузка. Поскольку подобные явления имеют случайный характер, то уровень потерь пакетов на маршруте от источника до приемника определяется суммой верояностей их потерь на любом из коммутаторов, входящих в маршрут доставки.

Таким образом видно, что управление сетевым трафиком требует наличия:

· механизмов регулирования нагрузки, которые могут применяться к линиям и коммутационным устройствам в сети

· механизмов формирования (профилирования) потоков на входе в сеть

· механизмов справедливого распределения ресурсов сети, выделяемых для обслуживания разных потоков

· средств реализации сетевых политик (набора административных правил доступа к ресурсам сети).

Базовыми элементами реализации перечисленных механизмов являются

· алгоритмы обслуживания очередей пакетов и

· алгоритмы управления средней и пиковой скоростью передачи потоков.