Наконец, сеть может удалить те пакеты, которые она не в состоянии доставить. Такой подход получил общее название «сброс нагрузки». Существуют разные способы его реализации, включая формирование трафика (ограничение скорости конкретного отправителя) и соблюдение политики трафика (игнорирование трафика отправителя при превышении им некоторого порога). Правильно определив стратегию в отношении того, какие пакеты удалять, можно предотвратить коллапс сети. Далее мы подробно все это обсудим.

Маршрутизация с учетом состояния трафика

Первый подход, который мы рассмотрим, называется маршрутизацией с учетом состояния трафика. Методы маршрутизации, представленные в разделе 5.2, используют фиксированные весовые коэффициенты связей, которые адаптируются к изменениям топологии, но не к изменениям нагрузки трафика. Однако нагрузку также следует учитывать при вычислении маршрутов, чтобы направлять трафик в обход наиболее подверженных перегрузке участков.

Наиболее простой способ — сделать весовой коэффициент связи функцией от пропускной способности связи (фиксированной) и задержки распространения, а также измеренной (переменной) нагрузки или среднего времени ожидания в очереди. В результате пути с наименьшим весом будут при прочих равных параметрах наименее нагруженными.

Маршрутизация с учетом состояния трафика использовалась на ранних этапах развития интернета в рамках модели Кханны и Зинки (Khanna and Zinky, 1989). Однако здесь есть небольшая опасность. Рассмотрим сеть на илл. 5.21. Она разделена на две части — восток и запад, соединенные линиями CF и EI. Предположим, что основной трафик между западом и востоком проходит по CF, поэтому она слишком нагружена, что приводит к длительным задержкам. Учет времени ожидания в очереди при вычислении кратчайшего пути сделает линию EI более популярной. После внесения изменений в таблицы маршрутизации большая часть трафика пойдет по EI и слишком нагруженной окажется именно эта линия. При следующем обновлении таблиц кратчайшим путем снова станет CF. В конечном итоге значения в таблицах будут сильно колебаться, что приведет к ошибкам при выборе маршрутов и другим проблемам.

Илл. 5.21. Сеть, в которой восточная и западная части соединены двумя линиями связи

Если игнорировать нагрузку и учитывать только пропускную способность и задержку распространения, такой проблемы не возникнет. Попытки учесть нагрузку, используя узкий диапазон весовых значений, лишь замедляют колебания маршрутов. Удачное решение проблемы основывается на двух методах. Первый — это маршрутизация, при которой между отправителем и получателем существует несколько путей. В нашем примере это означает, что пакеты можно передавать по обеим линиям между востоком и западом. Второй метод состоит в следующем: схема маршрутизации перемещает трафик по маршрутам настолько медленно, чтобы он конвергировался; так, например, работает схема Галлагера (Gallager, 1977).

С учетом этих трудностей протоколы маршрутизации интернета обычно не корректируют пути на основании уровня нагрузки. Вместо этого операторы сетей настраивают протоколы в более широких временных рамках, плавно меняя конфигурацию и параметры маршрутизации, другими словами, регулируют трафик. Это всегда было трудоемким ручным процессом, чем-то напоминающим черную магию. Несмотря на попытки его формализации, он оставался достаточно примитивным в силу непредсказуемого характера нагрузки в интернете и некоторой громоздкости параметров конфигурации протоколов. С появлением программно-конфигурируемых сетей часть задач была автоматизирована, а распространение по всей сети таких технологий, как MPLS-туннели, предоставило операторам большую гибкость при реализации многих составляющих регулирования трафика.

Управление допуском

Популярный метод предотвращения перегрузки в сетях виртуальных каналов — управление допуском (admission control). Идея проста: не создавать новый виртуальный канал до тех пор, пока сеть не сможет обработать дополнительный трафик без перегрузки. Таким образом, попытка добавить виртуальный канал может закончиться неудачно. Это лучшее решение, так как если позволить дополнительным пользователям подключиться к заполненной сети, ситуация только ухудшится. По аналогии, когда коммутатор в телефонной системе перегружен, вы поднимаете трубку и не слышите гудка.

Суть этого подхода в том, чтобы определить, когда добавление нового виртуального канала приведет к перегрузке. В телефонных сетях эта задача решается просто благодаря фиксированной пропускной способности для вызовов (64 Кбит/с для несжатого аудио). Но в компьютерных сетях используются виртуальные каналы всевозможных типов. Поэтому если мы хотим прибегнуть к управлению допуском, каналы должны предоставлять информацию о характеристиках трафика.

Часто речь идет о скорости и форме. Возникает вопрос, как описать эти характеристики просто и содержательно. Обычно трафик неравномерен, поэтому нельзя полагаться только на среднюю скорость. Например, гораздо сложнее справиться с колебаниями трафика при поиске в интернете, чем при просмотре потокового видео того же объема, поскольку всплески интернет-трафика с большей вероятностью приводят к перегрузке маршрутизаторов сети. Этот эффект часто называют «дырявым ведром» (leaky bucket) или «маркерным ведром» (token buсket). «Дырявое ведро» обладает двумя параметрами, ведущими к ограничению средней скорости и мгновенному увеличению объема трафика. Поскольку это два наиболее распространенных механизма формирования трафика, мы рассмотрим их более подробно в данном разделе.

Располагая характеристиками трафика, сеть принимает решение о добавлении нового виртуального канала. Чтобы не произошло перегрузки, сеть может, например, зарезервировать часть пропускной способности для каждого виртуального канала. В этом случае характеристика трафика выступает в качестве договора об обслуживании, которое сеть обязуется предоставить пользователю. В разговоре о предотвращении перегрузки мы слишком рано отклонились в сторону смежной темы, QoS; вернемся к ней чуть позже.

Даже если сеть не берет на себя никаких обязательств, она может использовать характеристики трафика для управления доступом. При этом задача сводится к оценке числа виртуальных каналов, достаточного для обеспечения нужной пропускной способности сети и работы без перегрузок. Предположим, что все виртуальные каналы, которые могут передавать трафик со скоростью до 10 Мбит/с, используют один и тот же физический канал с пропускной способностью 100 Мбит/с. Сколько каналов можно использовать? Очевидно, что при 10 каналах нет никакого риска перегрузки, но это неэффективно в обычной ситуации, поскольку вряд ли все они будут одновременно работать в полную силу. В действующих сетях для оценки числа возможных каналов используются статистические данные. Таким образом, за счет допустимого увеличения риска сеть выигрывает в производительности.