Компьютерные сети. 6-е изд.

К сожалению, понимание производительности сетей — это скорее искусство, чем наука. Теоретическая база, допускающая хоть какое-то практическое применение, крайне скудна. Лучшее, что мы можем сделать, это представить практические методы, полученные в результате долгих экспериментов, и привести несколько реальных примеров. Мы отложили эту дискуссию до того момента, когда уже изучен транспортный уровень, поскольку производительность, доступная приложениям, зависит от общей производительности транспортного, сетевого и канального уровней. К тому же мы сможем приводить TCP в качестве примера.

В следующих разделах мы обсудим основные вопросы производительности сети:

1. Проблемы производительности.

2. Оценка производительности сети.

3. Оценка пропускной способности сетей доступа.

4. Оценка QoE.

5. Проектирование хостов для быстрых сетей.

6. Быстрая обработка сегментов.

7. Сжатие заголовка.

8. Протоколы для протяженных сетей с высокой пропускной способностью.

Таким образом, мы рассмотрим производительность с точки зрения операций, выполняемых на хостах и при перемещении данных по сети, а также с точки зрения размера и быстродействия сети.

6.7.1. Проблемы производительности компьютерных сетей

Некоторые проблемы производительности вызваны временным отсутствием свободных ресурсов. Если на маршрутизатор внезапно прибывает больше трафика, чем он способен обработать, возникает перегрузка, и производительность резко падает. Мы подробно изучали перегрузку в этой и предыдущей главах.

Производительность также снижается, если возникает структурный дисбаланс ресурсов. Например, если гигабитная линия присоединена к компьютеру с низкой производительностью, то слабый хост не сможет достаточно быстро обрабатывать приходящие пакеты, что приведет к потере некоторых из них. Эти пакеты рано или поздно будут переданы повторно, что приведет к увеличению задержек, неэффективному использованию пропускной способности и снижению общей производительности.

Перегрузка может быть синхронной. Например, если сегмент содержит неверный параметр (например, номер порта назначения), как правило, получатель заботливо отсылает обратно сообщение об ошибке. Теперь представьте, что случится, если неверный сегмент будет разослан широковещательным способом на 10 000 компьютеров. Каждый из них может ответить сообщением об ошибке. Образовавшийся в результате широковещательный шторм (broadcast storm) может парализовать сеть.

UDP часто сталкивался с подобной проблемой, но затем протокол ICMP был изменен таким образом, чтобы хосты воздерживались от отправки сообщений об ошибке в ответ на широковещательные сегменты UDP. Беспроводным сетям особенно важно не отвечать на непроверенные широковещательные пакеты, поскольку их пропускная способность ограниченна.

Синхронная перегрузка может возникнуть после сбоя электроснабжения. Когда питание восстанавливается, все компьютеры начинают перезагружаться. Типичная последовательность перезапуска может потребовать обращения к какому-нибудь DHCP-серверу, чтобы узнать свой истинный адрес, а затем к файловому серверу, чтобы получить копию операционной системы. Если сотни компьютеров центра обработки данных обратятся к серверу одновременно, он, скорее всего, не справится с нагрузкой.

Даже в отсутствие синхронной перегрузки и при достаточном количестве ресурсов производительность может снижаться из-за неправильных системных настроек. Допустим, у компьютера мощный процессор и много памяти, но недостаточно ресурса выделено под буфер. В таком случае управление потоком данных замедлит получение сегментов и ограничит производительность. Это было проблемой для многих TCP-соединений, поскольку интернет становился быстрее, а окно управления потоком оставалось фиксированным (64 Кбайт).

Также на производительность могут повлиять ошибочные значения таймеров ожидания. Когда посылается сегмент, обычно включается таймер, на случай, если он потеряется. Выбор слишком короткого интервала ожидания подтверждения приведет к излишним повторным передачам сегментов. Если же его сделать слишком большим, это увеличит задержку в случае потери сегмента. К настраиваемым параметрам также относится интервал ожидания попутного сегмента данных для отправки подтверждения и количество попыток повторной передачи.

Еще одна проблема касается приложений, работающих в реальном времени (например, воспроизводящих аудио и видео), — джиттер. В этом случае для хорошей производительности недостаточно оптимальной средней пропускной способности. Таким приложениям нужна низкая задержка. Для этого требуется эффективное распределение нагрузки на сеть, а также поддержка QoS на канальном и сетевом уровнях.

6.7.2. Оценка производительности сети