Компьютерные сети. 6-е изд.

Схожее правило заключается в том, чтобы по возможности избегать переключений контекста (например, из режима ядра в режим пользователя), поскольку они объединяют в себе негативные свойства прерываний и копирования. Именно во избежание этих затрат транспортные протоколы часто реализуются в ядре. Как и число пакетов, количество переключений контекста можно снизить с помощью библиотечной процедуры, передающей данные во внутренний буфер до тех пор, пока их не наберется достаточное количество. Аналогично на стороне получателя небольшие сегменты следует собирать вместе и передавать пользователю за один раз, минимизируя число переключений контекста.

В идеале входящий пакет вызывает одно переключение контекста из текущего пользовательского процесса в режим ядра, а затем еще одно — при передаче управления принимающему процессу и предоставлении ему прибывших данных. К сожалению, во многих операционных системах происходит еще одно переключение. Например, если диспетчер сети работает в виде отдельного процесса в пространстве пользователя, поступление пакета вызывает передачу управления от процесса пользователя ядру, затем от ядра диспетчеру сети, затем снова ядру и, наконец, от ядра получающему процессу. Эта последовательность переключений контекста показана на илл. 6.51. Все эти переключения для каждого пакета сильно расходуют время центрального процессора и существенно снижают производительность сети.

Илл. 6.51. Четыре переключения контекста для обработки одного пакета в случае, если сетевой менеджер находится в пространстве пользователя

Лучше избегать перегрузки, чем восстанавливаться после нее

Старая пословица, гласящая, что профилактика лучше лечения, справедлива и в деле борьбы с перегрузками в сетях. Когда сеть перегружена, пакеты теряются, пропускная способность растрачивается впустую, увеличивается задержка и т.п. Все эти издержки нежелательны, а процесс восстановления после перегрузки требует времени и терпения. Гораздо более эффективной стратегией является предотвращение перегрузки, напоминающее прививку от болезни, — неприятно, зато избавляет от более крупных неприятностей.

Избегайте тайм-аутов

Таймеры в сетях необходимы, но их следует применять умеренно и стремиться минимизировать количество тайм-аутов. Когда срабатывает таймер, обычно повторяется какое-то действие. Если его повтор необходим, так и следует поступить, однако повторение действия без особой необходимости является расточительным.

Чтобы избегжать излишней работы, следует устанавливать период ожидания с небольшим запасом. Таймер, срабатывающий слишком поздно, несколько увеличивает задержку в случае (маловероятном) потери сегмента. Преждевременно срабатывающий таймер впустую тратит время процессора и пропускную способность, а также напрасно увеличивает нагрузку на, возможно, десятки маршрутизаторов.

6.7.6. Быстрая обработка сегментов

Теперь, когда мы поговорили об общих правилах, рассмотрим несколько методов, позволяющих ускорить обработку сегментов. Дополнительные сведения по этой теме можно найти в следующих источниках: Кларк и др. (Clark et al., 1989); Чейз и др. (Chase et al., 2001).

Накладные расходы по обработке сегментов состоят из двух компонентов: затраты на сегмент и на каждый байт. Нужно действовать сразу на обоих направлениях. Ключ к быстрой обработке сегментов — отделить стандартный, успешный случай (одностороннюю передачу данных) и разобраться с ним. Многие протоколы придают особое значение действиям в нештатной ситуации (например, при потере пакета). Но для быстрой работы протокола разработчик должен пытаться минимизировать время обработки данных в нормальном режиме. Снижение времени обработки при возникновении ошибок является второстепенной задачей.

Для перехода в состояние ESTABLISHED требуется передача последовательности специальных сегментов, но как только оно достигнуто, обработка сегментов не вызывает затруднений (пока одна из сторон не начнет закрывать соединение). Допустим, отправитель находится в состоянии ESTABLISHED и у него есть данные для передачи. Для простоты мы предположим, что транспортная подсистема расположена в ядре, хотя тот же принцип действует, если это процесс в пространстве пользователя или библиотека в передающем процессе. На илл. 6.52 передающий процесс вклинивается в процессы ядра, выполняя примитив SEND. Прежде всего транспортная подсистема проверяет, является ли этот случай нормальным: установлено состояние ESTABLISHED, ни одна сторона не пытается закрыть соединение, передается стандартный полный сегмент (без флага URGENT) и у получателя достаточный размер окна. Если все эти условия выполнены, то никаких дополнительных проверок не требуется, и алгоритм транспортной подсистемы может выбрать быстрый путь. В большинстве случаев именно так и происходит.