Компьютерные сети. 6-е изд.

Через 20 мс первый сегмент, как показано на илл. 6.55 (в), достигнет Бостона, и в ответ будет передано подтверждение. Наконец, через 40 мс после начала операции первое подтверждение возвращается к отправителю, после чего передается следующая порция данных. Поскольку линия передачи использовалась в течение всего 0,5 мс из 40 мс, производительность составит около 1,25 %. Такая ситуация типична для старых протоколов, работающих на гигабитных линиях.

Илл. 6.55. Передача половины мегабита из Сан-Диего в Бостон. (а) В момент времени t = 0. (б) Через 500 мкс. (в) Через 20 мс. (г) Через 40 мс

При анализе производительности сетей полезно обращать внимание на произведение пропускной способности на задержку (bandwidth-delay product). Пропускная способность канала (в битах в секунду) умножается на время прохождения сигнала в оба конца (в секундах). В результате получается емкость канала в битах.

На илл. 6.55 произведение пропускной способности на задержку равно 40 млн бит. Другими словами, отправитель к моменту получения ответа успеет переслать 40 млн бит, если будет работать на максимальной скорости. Столько битов потребуется, чтобы заполнить канал в обоих направлениях. Вот почему порция данных в полмиллиона битов достигает всего 1,25 % эффективности: это лишь 1,25 % емкости канала.

Отсюда следует, что для эффективного использования канала размер окна получателя должен быть по меньшей мере равен произведению пропускной способности и времени задержки, а лучше — превосходить его, так как получатель может ответить не сразу. Для трансконтинентальной гигабитной линии каждому соединению потребуется минимум по 5 Мбайт.

Третья проблема, связанная с предыдущей, состоит в том, что простые схемы повторной передачи, например протокол с возвращением на N блоков, плохо работают на линиях с большим значением произведения пропускной способности на задержку.

Рассмотрим трансконтинентальную гигабитную линию. Время прохождения сигнала в обе стороны равно 40 мс, за которые отправитель успевает передать 5 Мбайт. Если обнаруживается ошибка, требуется 40 мс, чтобы оповестить об этом отправителя. При использовании протокола с возвращением на N блоков отправителю потребуется повторять передачу не только поврежденного пакета, но также и до 5 Мбайт пакетов, переданных после поврежденного. Очевидно, что этот протокол использует ресурсы очень неэффективно. Поэтому необходимы более сложные механизмы, такие как метод выборочного повтора.

Суть четвертой проблемы заключается в принципиальном различии между гигабитными и мегабитными линиями: в длинных гигабитных каналах главным ограничивающим фактором является не пропускная способность, а задержка. На илл. 6.56 изображена зависимость времени, необходимого для передачи файла размером 1 Мбит по линии длиной в 4000 км, от скорости передачи. На скорости до 1 Мбит/с время передачи в основном зависит от скорости передачи данных. При скорости 1 Гбит/с задержка в 40 мс значительно превосходит 1 мс (время, требующееся для передачи битов по оптоволоконному кабелю). Дальнейшее увеличение скорости не оказывает на время передачи файла почти никакого воздействия.

Илл. 6.56. Время передачи и подтверждения файла размером 1 Мбит по линии длиной 4000 км

Изображенная на илл. 6.56 зависимость демонстрирует ограничения сетевых протоколов. Она показывает, что протоколы с ожиданием подтверждений (например, удаленный вызов процедур) имеют врожденное ограничение на производительность. Оно связано со скоростью света. Никакие технологические прорывы в области оптики здесь не помогут (хотя могли бы помочь новые законы физики). Если в периоды времени, пока хост ждет ответа, гигабитная линия будет простаивать, она будет ничем не лучше простой мегабитной линии (и при этом дороже).

Пятая проблема заключается в том, что скорости передачи данных растут гораздо быстрее, чем скорости обработки данных. (Обращение к разработчикам компьютеров: вы должны поставить этих разработчиков средств связи на место! Мы рассчитываем на вас.) В 1970-е годы объединенная сеть ARPANET работала на скорости 56 Кбит/с и состояла из компьютеров с производительностью около 1 MIPS (1 млн инструкций/с). Сравните эти цифры с современными показателями (производительность 1000 MIPS при скорости 1 Гбит/с). Число инструкций на один байт уменьшилось более чем в десять раз. Точные цифры зависят от времени и конкретной ситуации, но вывод такой: у протоколов стало меньше времени на обработку пакетов, поэтому они должны стать проще.

Теперь рассмотрим методы решения всех этих проблем. Главный принцип, который каждый разработчик высокоскоростных сетей должен выучить наизусть, звучит так:

Проектируя, стремись увеличить скорость, а не оптимизировать пропускную способность.