Таблица 5.3. Пример спецификации потока

Параметр

Единицы измерения

Скорость маркерного ведра

байт/с

Размер маркерного ведра

байт

Пиковая скорость передачи данных

байт/с

Минимальный размер пакета

байт

Максимальный размер пакета

байт

Третий параметр, пиковая скорость передачи данных, это максимальная допустимая скорость даже для коротких промежутков времени. Отправитель ни в коем случае не должен превышать это значение.

Наконец, последние два параметра определяют минимальный и максимальный размеры пакетов, включая заголовки транспортного и сетевого уровней (например, TCP и IP). Минимальный размер удобен, поскольку обработка каждого пакета занимает какое-то, пусть даже очень малое время. Маршрутизатор, может быть, готов принимать 10 000 пакетов в секунду по 1 Кбайт каждый, но не готов обрабатывать 100 000 пакетов в секунду по 50 байт, несмотря на то что во втором случае скорость передачи данных меньше, чем в первом. Максимальный размер пакета не менее важен, но уже по другой причине. Дело в том, что существуют определенные внутрисетевые ограничения, которые ни в коем случае не должны быть превышены. Например, если путь потока лежит через Ethernet, то максимальный размер пакета будет ограничен 1500 байтами, независимо от того, какого размера пакеты могут поддерживать другие части сети.

Интересно, каким образом маршрутизатор преобразует спецификацию потока в набор определенных резервируемых ресурсов? На первый взгляд может показаться, что если один из каналов маршрутизатора работает со скоростью 1 Гбит/с, а средний размер пакета равен 1000 бит, он может обрабатывать 1 млн пакетов в секунду. Однако это не так, поскольку из-за статистических флуктуаций нагрузки передача будет периодически приостанавливаться на некоторое время. Если для выполнения всей работы канал должен использовать всю свою мощность, перерыв длиной в несколько секунд станет причиной завала, который ему никогда не удастся разгрести.

Однако даже если нагрузка несколько меньше теоретической емкости, все равно могут образовываться очереди и возникать задержки. Рассмотрим ситуацию, в которой пакеты прибывают нерегулярно со средней скоростью прибытия X пакетов в секунду. Пакеты имеют случайную длину и могут передаваться по каналу со средней скоростью обслуживания ц пакетов в секунду. Предположим, что как скорость прибытия, так и скорость обслуживания имеют пуассоновское распределение (такие системы называются системами массового обслуживания M/M/1, где «М» означает «марковский процесс», который в данном случае является еще и пуассоновским). Тогда, используя теорию массового обслуживания, можно доказать, что средняя задержка T, присущая пакету, равна

где

множитель

— это задержка при отсутствии конкуренции. Второй сомножитель представляет собой дополнительную задержку, возникающую благодаря конкурентной борьбе с другими потоками. Например, если

950 000 пакетов/с, а ц = 1 000 000 пакетов/с, тогда р = 0,95 и средняя задержка каждого пакета составляет 20 мкс вместо 1 мкс. Эти подсчеты учитывают и задержку доставки, и задержку обработки: при малом трафике отношение

Если на пути потока стоят, скажем,

30 маршрутизаторов, то одна только задержка обслуживания составит 600 мкс.

Один из методов соотнесения характеристик потока и ресурсов маршрутизатора, необходимых для выполнения гарантий пропускной способности и времени задержки, был предложен Parekh и Gallagher (1993, 1994). Согласно этому методу, отправитель должен сформировать трафик с помощью маркерных ведер (R, B), а маршрутизаторы должны использовать взвешенное справедливое обслуживание. Каждому потоку присваивается вес W, достаточный для того, чтобы опустошить маркерное ведро со скоростью R (рис. 5.29). Если, например, скорость потока составляет 1 Мбит/с, а мощности маршрутизатора и исходящей связи равны 1 Гбит/с, вес потока должен превышать одну тысячную от общей суммы весов всех потоков этого маршрутизатора для исходящей связи. Это обеспечит потоку минимальную пропускную способность. Если поток не может получить необходимую ему скорость, он не будет допущен в сеть.

Рис. 5.29. Гарантии пропускной способности и задержки с использованием маркерных ведер и взвешенного справедливого обслуживания

Наибольшее время ожидания в очереди для данного потока является функцией максимальной емкости маркерного ведра. При равномерном трафике пакеты проходят через маршрутизатор с той же скоростью, с которой прибывают. При этом не происходит никаких задержек (не считая эффектов пакетирования). С другой стороны, если трафик передается пачками, то пачка максимального размера, B, может прибыть на маршрутизатор целиком. Тогда максимальная задержка, D, будет равна времени прохождения пакета через маршрутизатор при фиксированной пропускной способности, или B/R (опять же, не считая эффектов пакетирования). Если этот показатель слишком высокий, поток может запросить большую пропускную способность.

Такие гарантии являются достаточно строгими: маркерные ведра ограничивают неравномерность трафика, а справедливое обслуживание изолирует пропускную способность, выделяемую для разных потоков. Это значит, что гарантии пропускной способности и задержки для потока будут выполнены, даже если другие потоки будут копить трафик и отправлять его одновременно.

Более того, результат не зависит от количества маршрутизаторов в узлах пути и от топологии сети. Каждый поток получает свою минимальную пропускную способность благодаря тому, что она зарезервирована на каждом маршрутизаторе. Более тонко дело обстоит с максимальной задержкой. В наихудшем случае, если крупный объем трафика поступит на первый маршрутизатор и будет соревноваться с трафиком других потоков, максимальная задержка будет равна D. Однако после этого трафик станет более равномерным, и поэтому на следующих маршрутизаторах такой задержки уже не будет. В результате общая задержка в очереди не будет превышать D.

5.4.5. Интегральное обслуживание

В 1995-1997 годах проблемная группа проектирования сети Интернет (IETF) прилагала множество усилий по продвижению архитектуры потокового мультимедиа. В результате появилось две дюжины документов RFC, начинающихся с префикса RFC и включающих порядковые номера 2205-2212. Общее название этих трудов — потоковые алгоритмы или интегральное обслуживание (integrated services). Предлагаемая технология предназначена как для одноадресных, так и для многоадресных приложений. Примером первых может быть видеоклип на сайте новостей, доставляемый в виде потока пользователю, пожелавшему посмотреть его. Пример вторых — набор станций цифрового телевидения, осуществляющих широковещательное распространение своих программ в виде потоков IP-пакетов. Данной услугой может пользоваться большое число абонентов, расположенных в разных географических точках. Ниже мы более подробно рассмотрим многоадресную рассылку, поскольку одноадресная передача — это лишь особый случай многоадресной.

Во многих приложениях с многоадресной маршрутизацией группы пользователей могут меняться динамически. Например, люди могут подключаться к участию в видеоконференциях, но со временем это занятие им надоедает и они переключаются на мыльные оперы или спортивные каналы. В данном случае стратегия предварительного резервирования пропускной способности не совсем подходит, потому что при этом каждому источнику пришлось бы запоминать все изменения в составе аудитории. В системах, предназначенных для передачи телевизионного сигнала миллионам абонентов, такой подход и вовсе не годится.