Компьютерные сети. 6-е изд. - Эндрю Таненбаум

Контроль перегрузки должен справедливо распределять пропускную способность между конкурирующими потоками и отслеживать изменения в использовании сети. Закон управления AIMD позволяет получить эффективное и справедливое распределение.

Главными транспортными интернет-протоколами являются TCP и UDP. UDP — протокол без установления соединения. Он работает с IP-пакетами и обеспечивает мультиплексирование и демультиплексирование нескольких процессов с использованием единого IP-адреса. UDP может применяться при клиент-серверных взаимодействиях, например при удаленном вызове процедур (RPC). Кроме того, на его основе можно создавать протоколы реального времени (например, RTP).

TCP — наиболее распространенный интернет-протокол. Он обеспечивает надежный дуплексный поток байтов с контролем перегрузки. Для всех сегментов применяется 20-байтный заголовок. Оптимизации производительности TCP было уделено много внимания. Для этого в нем применяются алгоритмы Нейгла (Nagle), Кларка (Clark), Джейкобсона (Jacobson), Карна (Karn) и др.

Хотя UDP и TCP прекрасно справляются со своей задачей на протяжении многих лет, они оставляют большой простор для внесения улучшений с целью повышения производительности и решения проблем, порождаемых современными высокоскоростными сетями. Такими современными доработками, в частности, являются CUBIC TCP, QUIC и BBR.

Производительность сети обычно зависит от протокола и накладных расходов по обработке сегментов, а с увеличением скорости передачи данных ситуация ухудшается. Протоколы должны разрабатываться так, чтобы минимизировать число сегментов и оставаться работоспособными при больших значениях задержки передачи. Для гигабитных сетей лучше всего подходят простые протоколы и потоковая обработка.

Вопросы и задачи

1. В нашем примере транспортных примитивов, приведенных на илл. 6.2, LISTEN является блокирующим вызовом. Обязательно ли это? Если нет, объясните, как следует пользоваться неблокирующим примитивом. Какое преимущество это даст по сравнению с представленной нами схемой?

2. Приложение для общения в чате, использующее протокол TCP, многократно вызывает функцию получения данных receive() и выводит полученные данные как новое сообщение. К какой проблеме может привести такой подход?

3. В модели, лежащей в основе диаграммы состояний на илл. 6.4, предполагается, что пакеты могут теряться на сетевом уровне и поэтому должны подтверждаться индивидуально. Допустим, сетевой уровень обеспечивает 100 %-ную надежность доставки и никогда не теряет пакеты. Нужны ли какие-нибудь изменения в диаграмме состояний на илл. 6.4, и если да, то какие?

4. В обеих частях илл. 6.6 значение SERVER_PORT должно быть одинаковым у клиента и у сервера. Почему это так важно?

5. Предположим, что используется управляемая таймером схема генерирования начальных порядковых номеров с 15-разрядным счетчиком тактовых импульсов. Таймер срабатывает один раз в 100 мс, а максимальное время жизни пакета равно 60 с. Как часто должна производиться ресинхронизация:

а) в наихудшем случае?

б) если на данные тратится 240 порядковых номеров в минуту?

6. Почему максимальное время жизни пакета T должно быть достаточно большим, чтобы гарантировать, что не только пакет, но и его подтверждение исчезли?

7. Представьте протокол транспортного уровня, ориентированный на установление соединения, который выбирает порядковые номера для пакетов на основе времени суток. Таймер использует 10-битный счетчик и срабатывает с интервалом в 125 мс. Максимальное время жизни пакета — 64 с. Если отправитель передает по 4 пакета/с, как долго соединение будет работать без захода в запретную зону?

8. Объясните, в чем состоит разница между использованием протокола раздвижного окна на канальном уровне и его использованием на транспортном уровне с точки зрения тайм-аутов протокола.

9. Рассмотрим проблему восстановления после сбоев хостов (илл. 6.18). Если бы интервал между записью и отправкой подтверждения (или наоборот) можно было сделать относительно небольшим, какими были бы две лучшие стратегии отправителя и получателя, минимизирующие риск ошибки протокола?

10. В сеть на илл. 6.20 добавляется новый поток E, который идет через маршрутизаторы R1, R2 и R6. Как изменится распределение пропускной способности по максиминному критерию для пяти потоков?

11. Допустим, потоки на илл. 6.20 реорганизованы так, что поток A проходит через маршрутизаторы R1, R2, R3, B — через R1, R2, R5, R6, C — через R4, R2, R3, а D — через R4, R2, R3. Как при этом будет выглядеть распределение пропускной способности по максиминному критерию?

12. Обсудите преимущества и недостатки схемы кредитного протокола по сравнению с протоколами раздвижного окна.

13. Существуют и другие стратегии, обеспечивающие равнодоступность при контроле перегрузки: аддитивное увеличение, аддитивное уменьшение (Additive Increase Additive Decrease, AIAD); мультипликативное увеличение, аддитивное уменьшение (Multiplicative Increase Additive Decrease, MIAD); мультипликативное увеличение, мультипликативное уменьшение (Multiplicative Increase Multiplicative Decrease, MIMD). Что вы можете сказать об их сходимости и стабильности?

14. Имеется протокол транспортного уровня, который использует правило AISRD (Additive Increase Square Root Decrease — аддитивное увеличение, уменьшение по закону квадратного корня). Сходится ли эта версия протокола к справедливому распределению пропускной способности?

15. Два хоста одновременно передают данные через сеть с пропускной способностью 1 Мбит/с. Хост A использует UDP и передает 100-байтный пакет за 1 мс. Хост B генерирует данные со скоростью 600 Кбит/с и использует TCP. Какой хост получит более высокую пропускную способность?

16. Зачем нужен протокол UDP? Разве не достаточно было бы просто позволить пользовательским процессам отправлять необработанные IP-пакеты?

17. Рассмотрим простой протокол прикладного уровня на основе UDP, позволяющий клиенту запрашивать файл с удаленного сервера, расположенного по общеизвестному адресу. Клиент отправляет запрос с именем файла, а сервер отвечает последовательностью информационных пакетов с разными частями запрошенного файла. Для обеспечения надежности и доставки частей в правильном порядке клиент и сервер используют протокол с ожиданием. Какие сложности могут возникнуть с таким протоколом, кроме очевидных проблем с производительностью? Учитывайте вероятность сбоя процессов.

18. Клиент отправляет 128-байтный запрос на сервер, удаленный от него на 100 км, по оптоволокну со скоростью 1 Гбит/с. Какова эффективность линии во время выполнения удаленного вызова процедуры?

19. Вновь рассмотрите ситуацию, описанную в предыдущем вопросе. Вычислите минимально возможное время ответа для данной линии со скоростью 1 Гбит/с и для линии со скоростью 1 Мбит/с. Какой вывод можно сделать, исходя из полученных значений?

20. Как в UDP, так и в TCP номера портов используются для идентификации принимающей подсистемы при доставке сообщения. Назовите две причины того, почему для этих протоколов были изобретены новые абстрактные идентификаторы (номера портов) и не использовались идентификаторы процессов, уже существовавшие на момент появления данных протоколов.

21. Почему протокол RTP обычно реализуется поверх UDP, а не TCP? При каких условиях приложение может использовать RTP на основе TCP?

22. Рассмотрим две сети, N1 и N2, с одинаковой средней задержкой при передаче пакетов от источника A к получателю D. В N1