6.3 Управление потоками в сети пакетной коммутации

6.3.1 Методы управления потоками

Управление потоком предназначено для ограничения загрузки основных ресурсов сети (буферов УК и каналов связи) и согласования скорости передачи информации источником со скоростью приема адресатом. Являясь важнейшим компонентом сети пакетной коммутации, управление потоком реализуется на разных уровнях протоколов: оно может осуществляться между соседними УК базовой сети; между УК источником и УК адресатом базовой сети; между парами, обменивающимися информацией процессов и т.д. Выполнение функций согласования скоростей и надежной передачи информации на всех уровнях протоколов базируется на механизмах квитирования и концепции окна (см. раздел 6.1). Указанные механизмы служат также эффективным средством борьбы с перегрузкой ресурсов сети.

Отсутствие управления использованием ограниченных ресурсов сети при чрезмерном увеличении потока требований от одного или группы абонентов может привести к резкому увеличению времени задержки и (или) падению производительности сети вплоть до образования полностью блокированных участков, в которых передача данных оказывается невозможной. Причина появления блокированных участков и падения производительности сети при перегрузках могут быть различными [72, 105, 122]. Ограничимся иллюстрацией этого явления лишь на двух простых примерах. На рис. 6.2 показаны два узла коммутации пакетов, связанные каналом передачи данных. Если буферная память узла А занята пакетами для узла В, а память узла В заполнена пакетами, предназначенными узлу А, то передача между ними невозможна из-за отсутствия свободных буферов и указанный участок оказывается полностью заблокированным.

Рис. 6.2

Рис. 6.3

На рис. 6.3 изображен УК, в который поступают два потока пакетов. Пакеты каждого потока передаются по своему, исходящему из узла каналу. Если все буфера УК заняты пакетами одного из потоков, например первого, то передача пакетов по второму каналу оказывается невозможной. Это снижает производительность УК и соответственно производительность сети в целом.

В общем случае при перегрузке сети значительно возрастает вероятность того, что пакеты, поступающие в очередной УК, не застают в нем свободных буферов. Эти пакеты в зависимости от используемого в сети протокола передаются повторно либо соседним УК, либо УК источником. Чем сильнее перегрузка, тем большая часть ресурсов сети занята выполнением повторных передач и, следовательно, тем ниже производительность сети, не защищенной от перегрузки (рис. 6.4).

Защита от перегрузки достигается при управлении входным потоком (ограничении потока) в узлах базовой сети передачи данных. При этом различают методы глобального и локального управления нагрузкой. Глобальное управление предполагает либо ограничение общего количества пакетов, передаваемых в базовой сети (изаритми-ческое управление), либо ограничение числа пакетов в каждом виртуальном соединении источник-адресат или группах виртуальных соединений (межконцевое управление), либо использование комбинации этих методов (двухуровневое управление). В отличие от глобального, локальное управление не требует информации о количестве передаваемых по сети пакетов и ограничивает поток в УК на основе локальной информации, касающейся только данного узла.

Рис. 6.4

Изаритмическое управление реализуется с помощью использования в сети ограниченного числа служебных пакетов, содержащих разрешения на передачу пакетов данных. Возможно несколько способов получения разрешений. В первом случае пакет, поступивший в узел-адресат, освобождает принадлежащее ему разрешение и оно захватывается пакетом, ожидающим передачи. Если в узле отсутствуют пакеты, ожидающие передачи, то разрешение начинает циркулировать по сети случайным образом и захватывается в первом же узле, где имеются пакеты, ожидающие передачи.

Во втором случае каждый узел содержит ограниченный пул разрешений, что позволяет уменьшить задержку пакетов из-за ожидания разрешений, циркулирующих по сети случайным образом. Возможна и комбинация этих подходов. Недостаток описанного метода глобального управления состоит в отсутствии удовлетворительной маршрутизации разрешений и трудностях практической реализации.

Реализация разнообразных способов межконцевого управления базируется на механизме окна, ограничивающем число пакетов в каждом виртуальном соединении (группа виртуальных соединений). Размер окна для виртуального соединения выбирается заранее и определяет число пакетов, которые могут быть переданы из узла-источника без подтверждения о правильном приеме узлом-адресатом. Счетчик числа пакетов в виртуальном соединении первоначально устанавливается в состоянии . Каждый переданный и неподтвержденный пакет уменьшает состояние счетчика на единицу. Если состояние счетчика равно нулю, то новые пакеты в данное виртуальное соединение не допускаются (источники потока пакетов отключаются). Каждый правильно принятый в адресате пакет подтверждается индивидуально, причем прием квитанции АСК в узле-источнике увеличивает состояние счетчика на единицу. При изменении состояния счетчика с 0 на 1 источники потока пакетов вновь переводятся в активное состояние.

Модель сети МО для исследования характеристик наиболее общего двухуровнего глобального управления, объединяющего изаритмическое и межконцевое управление, рассматривается в разделе 6.3.2.

Наряду с описанным выше механизмом глобального управления в узлах сети часто применяют локальное управление, в соответствии с которым ограничивается либо общее число пакетов в УК, либо количество буферов, выделяемое разным классам пакетов. Принадлежность входящих в УК пакетов к разным классам определяется по числу пройденных пакетом транзитных участков, по принадлежности к виртуальным соединениям, по выходящим из узла направлениям и т. д. Ограниченная равнодоступная память УК при перегрузках может приводить к существенному падению пропускной способности узла за счет захвата памяти более интенсивными потоками отдельных классов и полной блокировки других. Локальное управление, ограничивающее число буферов, доступных «энергичным» потокам, часто называют управлением буферами.

Такое управление наиболее типично для перегрузки, вызванной резким увеличением интенсивности потока пакетов в одно или несколько выходящих направлений узла.

Различают динамическое и статическое управление распределением буферов. Динамическое управление является наиболее общей стратегией управления буферами и состоит в принятии решения о вводе пакета в буферную память в момент его поступления в зависимости от состояния УК. Однако широкое использование этого управления ограничено трудностями практической реализации. Частыми случаями динамического управления являются легко реализуемые на практике различные статические механизмы распределения буферов: распределение без ограничений (CS) - любому входящему сообщению предоставляется любой свободный буфер; фиксированное распределение (СР) - за каждым классом пакетов закрепляется фиксированное число буферов; распределение с ограничением максимального числа буферов для различных классов (SMXQ); распределение с гарантированным минимумом буферов, закрепленным за каждым классом пакетов (SMA); распределение, являющееся объединением двух предыдущих методов локального управления (SMQMA).

Математические модели сетей МО для исследования о писанных выше динамических и статических методов управления буферами, учитывающие многоэтапный процесс буферизации в УК приведены в разделе 6.3.3.