модели реализации протокола TCP и его перспективы

Как известно, протокол TCP ориентирован на соединение, он использует для транспортировки IP-дейтограммы, которые пересылаются посредством протокольных кадров уровня L2. Между двумя партнерами может быть прямое соединение, а может располагаться большое число сетевых устройств уровней L2 и L3 (см. рис. 1). Если потоки входящих и выходящих сегментов для заданного сетевого устройства равны, режим стационарен и состояние его буферов не меняется. Но маршрутизаторы и коммутаторы обычно являются многоканальными устройствами. По этой причине, если даже партнеры ТСР-соединения рассчитаны на идентичную скорость обмена, возможна ситуация, когда некоторое сетевое устройство, вовлеченное в обмен, окажется перегруженным. Ведь всегда могут возникать и исчезать новые сессии информационного или мультимедийного обмена, использующие частично те же сетевые устройства. Протокол ТСР функционирует нормально при выполнении ряда условий.
1. Вероятность ошибки доставки (BER) невелика и потеря пакета вероятнее всего происходит из-за переполнения буфера. Если потеря пакета из-за его искажения существенна, понижение CWND не поможет, и пакеты будут теряться с той же вероятностью (здесь было бы уместно поискать оптимальное значение MTU).
2. Время доставки (RTT) достаточно стабильно и для его оценки можно использовать простые линейные аппроксимации. Здесь подразумевается, что в рамках сессии все пакеты следуют одним и тем же путем и смена порядка прихода пакетов, хотя и допускается, но маловероятна. Разрешающая способность внутренних часов отправителя должна быть достаточно высока, в противном случае возникают серьезные потери из-за таймаутов.
3. Сеть имеет фиксированную полосу пропускания и, во всяком случае, не допускает скачкообразных ее вариаций. В противном случае потребовался бы механизм для прогнозирования полосы пропускания, а действующие алгоритмы задания CWND оказались бы не эффективными.
4. Буферы сетевых устройств используют схему первый_вошел-первым_вышел (FIFO). Предполагается, что размер этих буферов соответствует произведению RTT*B (B – полоса пропускания, RTT – сумма времен транспортировки сегмента от отправителя к получателю и времени движения отклика от получателя к отправителю). Если последнее условие нарушено, пропускная способность неизбежно понизится и будет определяться размером буфера, а не полосой пропускания канала.
5. Длительность TCP-сессии больше нескольких RTT, чтобы оправдать используемую протокольную избыточность. Короткие ТСР-сессии, широко используемые веб-технологией, снижают эффективность обмена (именно это обстоятельство вынудило в версиях HTTP 1.1 и выше не разрывать ТСР-соединение после вызова очередной страницы).
6. Чтобы минимизировать влияние избыточности, связанной с заголовком (20 байт IP +20 байт ТСР + МАС-заголовок), используемое поле данных должно иметь большой объем. Для узкополосных каналов, где MTU мало, нарушение данного требования делает канал низкоэффективным. По этой причине выявление допустимого MTU в начале сессии должно приветствоваться.
7. Взаимодействие с другими ТСР-сессиями не должно быть разрушительным, приводящим к резкому снижению эффективности виртуального канала.
Конечно, данные условия выполняются отнюдь не всегда, и система не рухнет, если эти условия нарушаются часто. Но эффективность работы соединения окажется не оптимальной. Примером ситуации, когда перечисленные условия нарушаются сразу по нескольким позициям, может служить мобильная IP-связь и работа через спутниковые каналы. В тех случаях, когда поток данных расщепляется, должны предприниматься специальные меры по балансировке загрузки каналов. Для прояснения модели работы протокола ТСР рассмотрим простой фрагмент сети, отображенный на рис. 1.

Рис. 1.

На данном рисунке хосты С1-С3 могут осуществлять обмен друг с другом и с хостами С4-С6. Коммутаторы SW работают на уровне L2, имеют буферы и могут быть причиной потерь, равно как сами ЭВМ и маршрутизаторы GW1-GW2. Понятно, что объектом перегрузки помимо названных устройств может стать любой сетевой объект Интернет. Если устройства L3 при переполнении своего буфера могут послать отправителю пакета уведомление ICMP(4), то SW в общем случае могут этого и не делать (например, потому что не умеют). Причиной потери может быть и повреждение пакета на безбрежных просторах Интернет. Особые проблемы могут порождать каналы с большим произведением полосы на RTT. В основных версиях протокола ТСР для подавления перегрузки используется механизм окон, который управляется потерей пакетов. В современных сетях передача данных, которая создает стационарный трафик, сосуществует с мультимедиа-трафиком, который по своей природе нестабилен, что создает дополнительные проблемы для управления с применением оконных алгоритмов. Кроме того, мультимедийный трафик транспортируется обычно протоколом UDP, не предполагающим подтверждений доставки. Именно дейтограммы UDP могут вызвать переполнение буфера и об этом станет известно отправителю ТСР позднее, после регистрации потери сегмента. Анализируя различные модели работы протокола ТСР, следует учитывать, что в сети Интернет могут встречаться участки с разными протоколами L2 (Ethernet, ATM, SDH, Frame Relay, PPP и т.д.). Эти технологии имеют разные алгоритмы обработки ситуаций перегрузки (или не иметь их вовсе), а отправитель и получатель, как правило, не имеют данных о том, какие протоколы уровня L2 реализуют виртуальное соединение (L4). В настоящее время предложено и опробовано несколько разновидностей протокола TCP.

TCP-reno

В TCP-reno при нормальной ситуации размер окна меняется циклически. Размер окна увеличивается до тех пор, пока не произойдет потеря сегмента. TCP-reno имеет две фазы изменения размера окна: фаза медленного старта и фаза избежания перегрузки. При получении отправителем подтверждения доставки в момент времени t + tA [сек], текущее значение размера окна перегрузки cwnd(t) преобразуется в cwnd(t + tA) согласно (1):

(1)

где ssth(t) [пакетов] – значение порога, при котором TCP переходит из фазы медленного старта в фазу исключения перегрузки. Когда в результате таймаута детектируется потеря пакета значения cwnd(t) и ssth(t) обновляются следующим образом:
cwnd(t)=1;
ssth(t)= (cwnd(t))/2;

пока не произойдёт потеря сегмента. TCP-reno имеет две фазы изменения размера окна: фаза медленного старта и фаза избежания перегрузки. При получении отправителем подтверждения доставки в момент времени t+tA [сек], текущее значение размера окна перегрузки cwnd(t) преобразуется в cwnd(t+tA) согласно (1).
С другой стороны, когда TCP детектирует потерю пакета согласно алгоритму быстрой повторной передачи, cwnd(t) и ssth(t) обновляются иначе:

ssth(t) = (cwnd(t))/2;
cwnd(t)= ssth(t);

TCP-reno после этого переходит в фазу быстрого восстановления. В этой фазе размер окна увеличивается на один пакет, когда получается дублированное подтверждение. С другой стороны, cwnd(t) делается равным ssth(t), когда приходит не дублированный отклик для пакета, посланного повторно. В случае таймаута ssth(t) = (cwnd(t))/2; cwnd = 1 (смотри описание алгоритма TCP-Tahoe). Результаты моделирования показывают, что каждое соединение обычно теряет около двух пакетов в каждом эпизоде перегрузки. Потери случаются, когда буфер полон и одно соединение увеличивает размер окна на единицу. Когда ячейки из этого нового пакета приходят в буфер, они обычно вызывают потерю ячеек, принадлежащих двум пакетам (конец пакета, пришедшего из другого соединения, и начала следующего). Итак, в среднем следует ожидать потерю трех пакетов на одно столкновение. В нашем примере двух соединений с RTT 40 мсек и 80 мсек, раз буфер полон и произошло столкновение, эпизод перегрузки длится 40 мсек. За время этого периода 80 мсек соединение увеличивает свое окно грубо 50% времени. То есть среднее число потерянных пакетов из-за этого увеличивается в 1.5 раза. Следовательно, всего 4.5 пакетов, или 2.25 пакетов на соединение теряется в среднем на один эпизод перегрузки.

TCP-Vegas

TCP-Vegas контролирует размер окна путем мониторинга отправителем RTT для пакетов, посланных ранее. Если обнаруживается увеличение RTT, система узнает, что сеть приближается к перегрузке и сокращает ширину окна. Если RTT уменьшается, отправитель определит, что сеть преодолела перегрузку, и увеличит размер окна. Следовательно, размер окна в идеальной ситуации будет стремиться к требуемому значению. В частности на фазе исключения перегрузки, размер окна будет равен


(2)

где rtt [сек] — зарегистрированное RTT, base_rtt [сек] — наименьшее встретившееся в данном цикле RTT, а a и b — некоторые константы. Эта модификация ТСР требует высокого разрешения таймера отправителя.

TCP-Tahoe

Алгоритм TCP-Tahoe является наиболее старым и широко распространенным. Этот алгоритм был сформулирован Джакобсоном в 1988 году, некоторые коррекции были внесены в него позднее. Если буфер переполнен, какое-то число сегментов будет потеряно. При этом может быть запущено несколько сценариев. Основной вариант – медленный старт, запускается в рамках классического алгоритма ТСР-Tahoe при потере сегмента и сопряженным с ним таймаутом (RTO) у отправителя, так как отправитель не получит сигнала подтверждения ACK для потерянного сегмента. Медленный старт предполагает установку окна перегрузки (CWND) равным 1, а порога медленного старта (ssthresh) равным половине значения CWND, при котором произошел таймаут. Сокращение CWND до единицы происходит потому, что отправитель не имеет никакой информации о состоянии сети. Далее после каждого подтверждения CWNDi+1 = CWNDi + 1. Эта формула работает до тех пор, пока CWND не станет равным ssthresh. После этого рост CWND становится линейным (смотри формулу 1). Смысл этого алгоритма заключается в удержании значения CWND в области максимально возможных значений. По существу эта оптимизация осуществляется с помощью потери пакетов. Если потери пакетов не происходит, значение CWND достигает значения window по умолчанию, задаваемого при конфигурации ТСР-драйвера. На рис. 2 показана эволюция CWND при потере пакетов.

Рис. 2.
Значение таймаута вычисляется по формуле:



где s — средне-квадратичное отклонение среднего значения RTT. Потерянный пакет и все посланные после него пакеты (вне зависимости от того, подтверждено их получение или нет) пересылаются повторно. При большой вероятности потери это существенно понижает пропускную способность и увеличивает и без того высокую загрузку канала. Может возникнуть вопрос, почему при потере пакета CWND делается равным 1, а не CWND-1 или CWND/2? Ведь эффективность канала максимальна при наибольшем, возможном значении CWND. Если произошла потеря пакета из-за переполнения буфера, оптимальное значение CWND может быть выбрано лишь при исчерпывающем знании прогноза состояния виртуального канала. Постольку такая информация обычно недоступна, система переходит в режим освобождения буфера (CWND = 1). Ведь если потеря была связана с началом сессии обмена с конкурирующим клиентом, операция CWND = CWND-1 проблему не решит. А потеря пакета вызовет таймаут и канал будет блокирован минимум на 1 секунду, что вызовет резкое падение скорости передачи. Использование стартового значения CWND>1 может увеличить эффективность виртуального ТСР-канала. Стартовое значение CWND = 2*MSS представляется вполне разумным. Понятно, что в критических ситуациях CWND = 1 должно быть непременно разрешено. На рис. 3. показана эволюция CWND при двух последовательных медленных стартах (один из них может быть вызван случайной потерей сегмента). Отсюда видно, что случайные потери сильно понижают пропускную способность канала.

Рис. 3. Эволюция cwnd при двух медленных стартах.

Заметим также, что вовлеченные соединения оказываются в определенной мере синхронизованными. Это связано с тем, что когда происходит любое столкновение, сопряженное с увеличением ширины окна, когда буфер полон, все приходящие ячейки, принадлежащие пакетам, отбрасываются. В предположении о постоянной готовности отправителя к передаче и о том, что временной разброс ячеек не превосходит время пересылки пакета во входном канале, все соединения будут передавать ячейки в течение времени транспортировки пакетов, вовлеченных в столкновение. Следовательно, все соединения теряют пакеты и сокращают вдвое ширину окна в пределах RTT. Помимо таймаута, в протоколе TCP предусмотрена еще одна возможность уведомления отправителя о потере сегмента. Получатель, контролируя номера приходящих сегментов и обнаружив потерю, может начать посылать двойные ACK для пакетов, следующих за потерянным сегментом. Приход таких дублированных ACK позволяет разрешить проблему до истечения времени таймаута RTO (смотри описание алгоритма TCP-reno). Понятно, что для последнего сегмента в сообщении этот метод не работает и остается только таймаут. Получение двойного ACK не является надежным сигналом потери пакета. Двойные ACK возникают и при смене маршрута обмена. По этой причине сигналом потери считается получение трех ACK пакетов подряд (сигнал быстрой повторной посылки сегмента, fast retransmit). В этом режиме при потере одиночного пакета (Fast Recovery) CWND устанавливается на три сегмента больше, чем значение ssthresh. После получения сигнала ACK значение CWND становится равным ssthresh с дальнейшим линейным увеличением. Здесь приход очередного ACK увеличивает CWND на (MSS*MSS)/CWND. Область линейного увеличения CWND часто называется режимом исключения перегрузки (congestion avoidance) или AIMD (Additive Increase, Multiple Decrease). На пути сегмента может повстречаться перегруженный коммутатор (L2), который поддерживает алгоритм “обратного давления”. Такой сетевой прибор при переполнении его буферов пошлет отправителю уведомление о перегрузке в виде пакета ICMP(4). В ответ на такой сигнал отправитель должен понизить скорость передачи пакетов в два раза. Следует иметь в виду, что такое событие слабо коррелированно с процессами ТСР-обмена и определяется условиями, складывающимися в независимых соседних каналах. Характер реакции на ICMP(4) определяется конкретными особенностями ТСР-драйвера отправителя. Вспомним, что помимо управления перегрузкой со стороны отправителя в ТСР предусмотрен механизм управления со стороны получателя. Получатель в отклике АСК посылает значение параметра window, которое определяет число сегментов, которое готов принять получатель. Механизм управления скользящим окном особенно важен при работе в сетях с большой величиной RTT (например, в случае спутниковых каналов). При этом размер буфера при заданной полосе пропускания канала B и времени задержке t должен равняться Bt/T, где t - время обслуживания пакета, а T = t + t. Канал можно рассматривать как трубу, которая при работе всегда должна быть заполнена. Емкость этой трубы определяется величиной cwnd. Максимально возможная емкость такой трубы Vt в стационарном режиме равна Vt = T/t + B = t/t +B + 1. При этом буфер будет полностью заполнен и Т/t пакетов находится в пути. В алгоритме TCP-Tahoe после потери сегмента ssthresh = Vt/2. Понятно, что когда cwnd становится равным Vt, происходит переполнение буфера и потеря пакета. Задача управления перегрузкой виртуального канала является классической проблемой теории массового обслуживания.
Одна из существенных трудностей оптимизации виртуального соединения ТСР связана с тем, что между участниками обмена может находиться неизвестное число сетевых устройств, загрузка которых может варьироваться произвольным образом, а управление находится в компетенции внешних сетевых администраторов. Поиски решения оптимизации ТСР-каналов можно вести по двум направлениям. Модифицировать сам ТСР-протокол, адаптируя его для новых условий и требований, или изменять сетевую среду, делая ее более дружественной по отношению к ТСР. Любое изменение ТСР-протокола должно обеспечить обратную совместимость, чтобы миллионы “старых” программ могли по-прежнему работать в этой среде. А это в свою очередь предполагает некоторый диалог при установлении виртуального соединения, который бы позволял выяснить, какими версиями ТСР обладают будущие партнеры. Причем сессии с модернизированным ТСР должны уживаться со старыми на всех уровнях. Совокупность этих соображений удерживала до сих пор Интернет-общественность от радикальных модификаций протокола ТСР.
Одним из подходов, который используется весьма широко, является переход, там, где возможно, на протокол UDP. Другой возможностью является привлечение вместо ТСР протокола T/TCP (TCP for Transactions), который улучшает эксплуатационные характеристики виртуального канала в случае коротких транзакций. T/TCP помещает данные запроса и флаг завершения FIN в начальный SYN-сегмент. Это может интерпретироваться, как попытка открыть сессию, передать данные, и закрыть сессию со стороны отправителя. Если сервер воспринимает такой формат, он откликнется одним пакетом, содержащим SYN-отклик, ACK на полученные данные и закрывающий сессию флаг FIN. Для окончательного завершения сессии клиент должен послать серверу сегмент с флагами ACK и FIN. К сожалению, внедрение T/TCP предполагает модификацию программного обеспечения, как сервера, так и клиента. По этой причине протокол T/TCP не получает широкого распространения. Кроме того, он достаточно уязвим с точки зрения безопасности.
Бесспорные преимущества при потере нескольких сегментов за один период RTT предлагает алгоритм выборочного подтверждения SACK (Selective Acknowledgement). Понятно, что следует избегать повторной пересылки благополучно доставленных пакетов (как это делается, например, в протоколе XTP). Дополнительные проблемы возникают при реализации ТСР через спутниковые каналы, где RTT превышает 250 мсек, да и BER оставляет желать лучшего. При таких значениях RTT время преодоления ситуации перегрузки может занимать много циклов RTT и достигать десятка секунд. Короткие ТСР-сессии для таких каналов крайне неэффективны (не успеет система поднять значение CWND до приемлемого размера, а уже все данные переданы). Частично это может компенсироваться за счет реализации большого числа ТСР-сессий параллельно.
Хотя ТСР использует соединение точка-точка, имеется возможность попытаться улучшить рабочие характеристики канала, оптимизируя алгоритм управления очередями. Одним из возможных подходов является алгоритм RED (Random Early Detection). RED позволяет маршрутизатору отбрасывать пакеты, даже когда в очереди еще имеется место. Алгоритм RED использует взвешенное значение длины очереди в качестве фактора, определяющего вероятность отбрасывания пакета. По мере роста средней длины очереди растет вероятность отбрасывания пакетов. Если средняя длина очереди меньше определенного порога, вероятность отбрасывания пакета равна нулю. Небольшие кластеры пакетов могут успешно пройти через фильтр RED. Более крупные кластеры могут понести потери. Это приводит к тому, что ТСР-сессии с большими открытыми окнами имеют большую вероятность отбрасывания пакетов. Главной целью алгоритма RED является исключение ситуации, когда несколько ТСР-потоков перегружаются почти одновременно и затем синхронно начинают процедуру восстановления. Алгоритм RED позволяет организовать очереди таким образом, что их размер отслеживает осцилляции величины RTT. RED пытается увеличить число коротких перегрузок и избежать долгих. Задача RED заключается в том, чтобы сообщить отправителю о возможности перегрузки, и отправитель должен адаптироваться к этой ситуации.
В качестве альтернативы можно рассмотреть ситуацию, когда маршрутизатор осуществляет пометку пакетов с помощью бита-флага СЕ (Congestion Experienced). Отправитель должен реагировать на этот флаг так, как если бы произошла потеря пакета. Этот механизм, называемый ECN (Explicit Congestion Notification), использует двух битную схему оповещения, занимая биты 6 и 7 в поле ToS заголовка IPv4 (или два неиспользуемых бита в поле IP Differentiated Services). Бит 6 устанавливается отправителем с целью индикации того, что эта система совместима с ECN (бит ECN). Бит 7 является СЕ-битом и устанавливается маршрутизатором, когда размер очереди превышает заданное при конфигурации значение. ECN-алгоритм реализуется в маршрутизаторе RED. Когда какой-то пакет выбран, он помечается битом СЕ, если в нем установлен бит ECN, в противном случае пакет отбрасывается. Заметим, что механизмы управления очередями во многих случаях не будут работать, так как перегрузка происходит в сетевом устройстве (например, L2), которым вы управлять не можете. Исходный диалог установления соединения ТСР при реализации данного алгоритма предполагает добавление возможности ECN-эха и CWR (Congestion Window Reduced) для уведомления партнера о возможности работы с СЕ-битом. Отправитель устанавливает бит ECN во всех посылаемых пакетах. Если отправитель получит ТСР-сегмент с флагом ECN-эхо, он должен подстроить ширину CWND в соответствии с алгоритмом быстрого восстановления при потере одиночного пакета. Следующий посланный пакет должен иметь TCP CWR-флаг, оповещающий получателя о его реакции на перегрузку. Отправитель реагирует подобным образом, по крайней мере, один раз за время RTT. Далее ТСР-пакеты с установленным флагом ECN не вызывают никакой реакции в пределах интервала RTT. Получатель устанавливает ECN-флаг во всех пакетах, когда он получает пакет с установленным битом СЕ. Это продолжается до тех пор, пока он не получит пакет с флагом CWR, указывающим на реакцию отправителя на перегрузку. ECN-флаг устанавливается только в пакетах, которые содержат поле данных. Пакеты ТСР ACK, которые не имеют поля данных, должны содержать флаг ECN=0. Соединение не должно ждать получения трех ACK, чтобы детектировать перегрузку. Вместо этого получатель уведомляется о зарождающейся ситуации перегрузки путем установления соответствующего бита, который в свою очередь вызывает соответствующий отклик.
Широкое использование ECN в ближайшее время не ожидается, во всяком случае, в контексте IPv4. По этой причине не принято никакого стандарта для позиционирования соответствующих бит в IP-заголовке. ECN предоставляет некоторое улучшение эксплуатационных характеристик канала по сравнению со схемой RED, в частности для коротких ТСР-транзакций. Главной особенностью алгоритма ECN является необходимость изменения программ работы как маршрутизатора так и стека TCP/IP. Выгоды этого алгоритма могут стать заметными лишь при достаточно широком внедрении. Можно ожидать более быстрого по отношению ECN распространения алгоритма RED, так как он требует лишь локальной модификации программного обеспечения маршрутизатора.
Следует также помнить, что работа слишком тихоходной станции с малым объемом оперативной памяти в быстродействующей сети ухудшает характеристики обмена не только для нее, но и для соседей. Оптимизировать виртуальный канал можно, если отправитель и получатель имеют исчерпывающую информацию о состоянии партнера и самого канала. К сожалению такой информации обычно нет. Получатель, например, не знает, находится ли отправитель в режиме медленного старта, исключения перегрузки или проходит стадию восстановления после перегрузки.
Другим подходом управления перегрузкой является использование откликов ACK для контроля поведения отправителя. Предпосылкой для такого решения является то, что путь трафика симметричен и устройство, где происходит перегрузка, может идентифицировать пакеты ACK, двигающиеся в противоположном направлении. Для такого подхода имеется две альтернативы.
ACK Pacing (прореживание).Каждый кластер пакетов будет генерировать соответствующий кластер откликов ACK. Расстояние между этими откликами определяет частоту следования пакетов в кластере. Для систем с большими временами RTT размер кластера может оказаться ограничивающим скорость передачи фактором. Если вы можете замедлить скорость передачи, размер очереди в буфере может быть сокращен. Одним из подходов к снижению скорости передачи является увеличение периода следования ACK на выходе транзитного маршрутизатора. Такой подход может оказаться эффективным для каналов с большими задержками. Этот механизм предполагает, что информационные сегменты и отклики идут по тому же маршруту (но, естественно, в разных направлениях).
Манипуляция окном. Каждый пакет ACK несет в себе размер окна получателя. Такое окно определяет максимальный размер кластера, который может прислать отправитель. Манипулируя размером окна, можно регулировать скорость передачи. Оба указанных механизма подразумевают достаточно широкие предположения о GW сети. Главное предположение заключается в том, что в точке GW потоки симметричны. Оба механизма подразумевают, что GW может кэшировать статусные данные для каждого из потоков, так что RTT текущего потока, текущее значение скорости передачи и размер окна получателя доступны контролеру услуг. Прореживание ACK предполагает также, что один ACK-отклик активен в любое время вдоль сетевого маршрута. Задержка ACK может привести к истечению времени таймаута у отправителя. Если потеря из-за перегрузки происходит на ранней фазе медленного старта, в сети недостаточно пакетов, чтобы сгенерировать три дублированных ACK-отклика для запуска быстрой повторной пересылки и быстрого восстановления. Вместо этого отправитель должен подождать таймаута RTO (минимальное время равно одной секунде). Для коротких сессий длиной (6-7)RTT ~ нескольких миллисекунд издержки, связанные с потерей одного пакета слишком велики. Приблизительно 56% повторных передач осуществляется после таймаута RTO. Возможным усовершенствованием данного алгоритма может быть механизм, называемый ограниченной передачей (Limited Transmit). При реализации этого механизма налагаются два условия. Присланное получателем значение окна разрешает передачу данного сегмента, а часть данных остается за пределами окна перегрузки плюс порог двойного ACK, который используется для запуска быстрой повторной передачи. Второе условие предполагает, что отправитель может послать только два сегмента вне пределов CWND и делает это только в качестве отклика на удаление сегмента из сети. Базовый принцип этой стратегии заключается в продолжении сигнального обмена между отправителем и получателем, несмотря на потерю пакета, увеличивающего вероятность того, что отправитель восстановится после потери, используя дублированные ACK и быстрый алгоритм восстановления и уменьшая шанс односекундного (или даже долее) восстановления после RTO. Ограниченная передача уменьшает также возможность того, что процедуры восстановления приведут к новым потерям пакетов. Иногда возникают ситуации, когда приложение воспринимает управляющие функции ТСР слишком лимитирующими. Это может происходить, например, при управлении общедоступными коммутируемыми телефонными сетями через Интернет. В таком варианте не требуется обеспечение строгой последовательности пакетов (отсутствие перепутывания порядка). Кроме того, ограниченное число TCP-сокетов усложняет поддержку приложений, использующих несколько сетевых интерфейсов, да и сам протокол ТСР уязвим для ряда атак, например SYN-шторм.
Решение такого типа проблем возможно с привлечением протокола SCTP (Stream Control Transmission Protocol). Основным отличие между SCTP и TCP проявляется на фазе инициализации, когда партнеры SCTP обмениваются списком оконечных адресов (IP-адресов и номеров портов), которые ассоциируются с текущей сессией. Стартовая процедура SCTP также отличается от четырех ходового диалога. Здесь получатель не выделяет никаких ресурсов для соединения, что делает процедуру более устойчивой против атак типа SYN-шторма. Инициатор соединения может, в конце концов, откликнуться, послав COOKIE-ECHO, куда вкладывается порция данных. Таким образом, информационный обмен начинается уже на фазе формирования виртуального соединения. С этого момента сессия считается открытой. Закрытие сессии SCTP также отличается от ТСР. В SCTP закрытие сессии с одной стороны означает опустошение очередей и прекращение посылки данных и с другой стороны. Здесь через одну и ту же ассоциацию транспортного уровня может осуществляться несколько обменов. Порядок сообщений в рамках одного обмена неукоснительно соблюдается. Каждый поток имеет однозначную идентификацию. Протокол SCTP поддерживает также доставку вне очереди, когда пакет помечается для немедленной доставки, и тогда он получает приоритет и будет доставлен раньше, чем это предписывалось его порядковым номером. Протокол SCTP требует предварительного выяснения значения MTU. предусмотрен в SCTP (как и в ТСР) и таймер повторных передач, запускаемый при посылке каждого сегмента. Получатель SCTP использует режим подтверждений SACK, реализуемый для каждого второго полученного сегмента. Если сообщение оказалось в зазоре между SACK, после трех таких откликов отправитель повторно посылает такое сообщение и сокращает вдвое CWND.
Использование обменов точка-мультиточка предполагает, что каждый оконечный адрес, ассоциированный с одним и тем же хостом, не обязательно использует один и тот же путь. По этому для каждой конечной точки периодически должна производится проверка осуществимости связи (процедура keepalive). Идея совмещения состояния ТСР перегрузки для нескольких каналов применима и для смеси потоков с гарантией и без гарантии доставки, осуществляющих одновременно обмен между общими конечными пунктами. Именно такая схема мультиплексирования реализуется в модели менеджера перегрузки.
Менеджер перегрузки представляет собой модуль оконечной системы, который позволяет набору одновременных потоков от хоста к некоторой точке назначения совместно использовать общую систему управления перегрузкой. Основной причиной для использования менеджера перегрузки послужило то, что наиболее критическим пунктом управления сетью является управление взаимодействием между ТСР-потоками с контролем перегрузки и информационными UDP-потоками. В крайних случаях такого взаимодействия каждый из классов трафика может отказывать в сервисе другому, оказывая достаточное давление на сетевые механизмы управления очередями и тем самым лишая этих ресурсов другой класс трафика. Ситуация достаточно типична, например для веб-сервера, который может организовать несколько виртуальных соединений для одного клиента для разных классов трафика. Реализация общей функции управления перегрузкой может базироваться на механизме отзыва (callback), когда приложение посылает запрос менеджеру перегрузки (МП). МП откликается посылкой отзыва и приложение после этого может послать информационный сегмент протокольному драйверу.
Другой поддерживаемый механизм МП называется синхронной передачей. Здесь МП предоставляет приложению данные о состоянии канала (пропускная способность, RTT и т.д.), и оно может осуществить запрос лишь когда состояние сети изменится существенным образом (пороги по базовым параметрам задаются при конфигурации). Удаленный хост информирует МП о числе полученных и потерянных байтов, о результатах измерения RTT, полученных на уровне приложения. Приложение предоставляет информацию о причинах потерь (истечение таймаута, состояние транзитных сетей или отбрасывание на основе ECN-флагов).
В последнее время появилось достаточно много версий протокола “лучше чем ТСР”, большинство из них предлагаются в комплекте с веб-сервером. Чаще всего это модифицированные версии ТСР. Например, за счет таймера более высокого разрешения, позволяющего реагировать более быстро на изменения в сети. Некоторые версии предлагают большее стартовое значение CWND или более быструю версию медленного старта, где размер окна не удваивается, а утраивается на каждом из шагов (за RTT). Сходные модификации могут быть использованы на фазе избежания перегрузки (линейный участок увеличения CWND). Все эти модификации вынуждают отправителя вести себя более агрессивно, увеличивая давления на сетевые буферы. Возможно создание программ обмена, где, например, при копировании через сеть файла, формируется не одно, а несколько виртуальных соединений. Такого рода решения дают выигрыш главным образом за счет ухудшения условий реализаций других одновременных сессий. Это противоречит общей философии Интернет (Интернет – это клуб джентльменов). Но на самом деле агрессивное поведение ТСР-приложения в конечном итоге делает его неэффективным (менее эффективным, чем стандартный ТСР). Как правило, такие решения приводят к большим потерям пакетов, так как их усилия максимально загрузить ресурсы сети приводят к понижению чувствительности к сигналам перегрузки. Если же таких приложений в Интернет станет много, это приведет к серьезной деградации пропускной способности каналов из-за перегрузки. Приемлемыми усовершенствованиями ТСР можно признать только такие, которые не ухудшают условий работы для окружающих. Это наилучшая стратегия, так как позволяет использовать ресурсы сети более эффективно.
Работу протокола TCP AIMD в режиме исключения перегрузок можно характеризовать формулой

где BW – полоса пропускания, MSS – максимальный размер сегмента в байтах, используемый сессией. RTO – таймаут повторной пересылки. r - частота потери пакетов (0.01 означает 1% потерь) Эта формула является наилучшей аппроксимацией. Некоторое упрощение формулы можно получить, считая RTO=5*RTT. Еще более упрощенная формула:

выводы

1. Уязвимость TCP в отношении случайных потерь делает трудным мультиплексирование информационного потока с трафиком реального времени при вариации скорости передачи со временем (мультимедиа), в особенности если оба вида трафика работают с общим буфером, что типично для большинства современных сетей. В сетях ATM, однако, TCP-соединения могут поддерживаться с помощью классов трафика UBR или ABR, которые обычно буферизуются отдельно от высоко приоритетного VBR (Variable Bit Rate) или CBR (Constant Bit Rate) трафика. Если последние классы трафика имеют более высокий приоритет, TCP-соединения обнаружат для себя емкость канала, варьируемую со временем, оставшуюся после обслуживания потоков VBR и CBR. Эти вариации могут приводить к “случайным потерям”, которые сильно ухудшают рабочие характеристики. Однако если буфер имеет достаточный объем, чтобы сгладить эти вариации и удержать вероятность потери для соединения точка-точка ниже обратного квадрата произведения полосы на задержку, тогда рабочие характеристики TCP не будут серьезно ухудшены. Включение селективного подтверждения в TCP облегчит эту проблему, так как размер окна не нужно резко сокращать для изолированных случайных потерь.
2. В дополнение к уязвимости от случайных потерь, тот факт, что потери являются основным средством обратной связи, используемым TCP, приводит к непомерным задержкам. Это происходит потому, что в сетях с высоким коэффициентом использования, размер окна для TCP-соединения будет увеличиваться и, после того, как возможности узкого участка канала окажутся полностью исчерпанными, а буфер переполненным, произойдет потеря. Задержка и рабочие характеристики при потерях могут быть существенно улучшены, если мы вместо этого используем схему, которая лишь пытается поддерживать ширину окна, чтобы достичь высокого использования канала. Такая схема как DECbit реализует это, используя явную обратную связь со стороны коммутаторов.
Подобные схемы имеет смысл рассмотреть, особенно потому, что Explicit Congestion Notification (явное оповещение о перегрузке) встроена в качестве опции для сетей ATM. Заметим, однако, что схема DECbit в частности подвержена, как и TCP, проблемам при работе с соединениями при больших задержках распространения.
Другой возможностью является более изощренная оценка RTT. Это, конечно, привлекательно, так как исключает необходимость явной обратной связи. Однако если задержка RTT может меняться существенно без изменения загрузки в канале (например, из-за того, что задержка обработки в узлах зависит от загрузки операционной системы или потому, что задержки связаны с особенностями работы мобильных приложений), тогда адаптация, базирующаяся на обработке задержек, может оказаться менее устойчивой, чем адаптация на основе потерь или явной обратной связи. Кроме того, если различные соединения не изолированы друг от друга с точки зрения использования ими полосы и сетевых буферов, тогда соединение, которое более агрессивно в отношении получения полосы и поднимающее скорость передачи до тех пор, пока не произойдет потеря, забьет соединения, которые анализируют RTT, чтобы избежать перегрузки. Таким образом, изменения на транспортном уровне должны либо адаптироваться универсально, либо тесно сотрудничать с сетевым уровнем, отслеживающим “алчные” соединения.
3. Использование групповых подтверждений в TCP мотивирует в TCP-tahoe сокращение ширины окна до единицы после потери, чтобы избежать всплеска пакетов из- за повторной их передачи. Это, в свою очередь, приводит к экспоненциальному увеличению размера окна при медленном старте, необходимому для сетей с большим произведением полосы на задержку. С другой стороны, это экспоненциальное увеличение вызывает серьезные флуктуации трафика, которые, если размер буфера меньше чем 1/3 от произведения полосы на задержку, вызывает переполнение буфера и второй медленный старт, понижая пропускную способность. TCP-reno пытается избежать этого явления путем сокращения окна вдвое при обнаружении потери. В то время, как это при идеальных условиях обеспечивает улучшенную пропускную способность, TCP-reno в его нынешнем виде слишком уязвим для фазовых эффектов и множественной потери пакетов, чтобы стать заменителем для TCP-tahoe. Основной проблемой с TCP-reno является то, что могут быть множественные ограничения на окно, связанные с одним эпизодом перегрузки, и что множественные потери могут приводить к таймауту (который на практике вызывает значительное снижение пропускной способности, если используется таймеры с низким разрешением).
Предложенная в последнее время версия TCP-Vegas пытается реализовать ряд усовершенствований, таких, как более изощренная обработка и оценка RTT. Но для флуктуаций RTT в Интернет существует много других причин помимо заполнения буфера. Для того чтобы существенно улучшить существующие версии TCP, необходимо избегать резких сокращений размеров окна как в TCP-tahoe, так и в TCP-reno за исключением случая, когда имеет место продолжительная перегрузка (которая вызывает массовые потери пакетов). Одним возможным средством обработки изолированных потерь без изменения размера окна является использование некоторой формы селективного подтверждения. В ожидании разработки удовлетворительного нового варианта предлагается использовать TCP-tahoe (в сочетании с управлением сетевого уровня, чтобы оптимизировать рабочие характеристики), так как этот вариант несравненно устойчивей, чем TCP-reno.
4. Несовершенство TCP для соединений с высокими задержками распространения может вызвать проблемы при мультиплексировании потоков на короткие и дальние расстояния в WAN. Короче говоря, эти эксплуатационные проблемы могут не проявиться, так как WAN может быть существенно недогружена и там может не оказаться узких мест (т.e. размер окна, необходимый для хорошей работы, может быть слишком мал, чтобы вызвать переполнение буфера, так что достигается максимальное стационарная пропускная способность). Однако для гарантирования рабочих характеристик в высоко загруженных сетях, каждое TCP-соединение должно иметь зарезервированный буфер и полосу пропускания вдоль всего сетевого маршрута. Обычно, выделение ресурсов осуществляется при формировании соединения и заставляет коммутаторы и маршрутизаторы формировать независимые очереди для каждого соединения.Так как администрирование ресурсов по принципу “наилучшего возможного” может оказаться весьма дорого, более приемлемой альтернативой может оказаться резервирование ресурсов для каждого класса трафика. В такой ситуации несовершенство будет сохраняться, если TCP поддерживается поверх ATM с классом трафика UBR. Однако если TCP поддерживается поверх класса трафика ABR, варьирующаяся со временем скорость передачи, доступная для каждого соединения определяется на сетевом уровне и администрируется отправителем, так чтобы различные TCP соединения были изолированы друг от друга, даже если они используют совместно буферы.
5. Так как предубеждение против соединений с большими задержками RTT связано с механизмом адаптации окна, оно в принципе может быть преодолено путем модификации механизма мониторинга полосы во время фазы избежания перегрузки, например, путем увеличения размера окна так, чтобы темп увеличения пропускной способности для всех соединений был одним и тем же. Однако невозможно выбрать универсальный временной масштаб для настройки окна, который бы работал для сетей с разной пропускной способностью и топологией. Например, зондирование дополнительной полосы с темпом 1 Mb/s в секунду может быть слишком быстрым для сети с каналом 1 Mb/s, но слишком медленным для гигабитной сети. Таким образом, чтобы заставить работать такую схему, некоторый обмен между сетевым и транспортным уровнем был бы крайне существенным.
Во-вторых, такая схема будет все же подвержена сильному воздействию некоторых недостатков TCP, таких, как деградация рабочих характеристик при наличии случайных потерь и чрезмерных задержек, связанных с попытками использования дополнительной полосы в условиях полного использования канала. Таким образом, эта модификация не может считаться лучшим подходом к проблеме оптимальности.
Суммируя, можно сказать, что мы идентифицировали несколько недостатков TCP, мы также представили возможные средства получения хороших рабочих характеристик посредством решений сетевого уровня, таких как изоляция соединений друг от друга, и предоставление буферов достаточного объема, чтобы устранить быстрые вариации доступной канальной емкости. Но нужно помнить, что нельзя увеличивать объем буфера беспредельно, так как это может привести к таймаутам и в конечном итоге к большим потерям пропускной способности. Особенно интересным является вопрос, как наилучшим образом поддержать TCP поверх ATM классов услуг ABR и UBR, так как это включает адаптацию сетевого и транспортного уровней. Другой важной областью исследований является разработка альтернативного механизма управления окном, который устранит некоторые недостатки TCP, сохранив его децентрализованную структуру. Децентрализованное адаптивное управление скоростью передачи, при сохранении справедливости распределения ресурсов является трудным, если вообще возможным, но некоторое улучшение TCP несомненно реально. Возможные усовершенствования могут превзойти алгоритм исключение перегрузки за счет более изощренной оценки задержек RTT, и использования селективного подтверждения, чтобы улучшить рабочие характеристики при наличии случайных потерь. Здесь уместно сказать, что радикальным решением могло бы быть исчерпывающее информирование отправителя о состояние и динамике заполнения всех буферов вдоль виртуального соединения. Такой алгоритм можно реализовать лишь при условии, что все сетевое оборудование вдоль виртуального пути способно распознавать сегменты-отклики и выдавать требующиеся данные в рамках определенного протокола (в том числе и оборудование уровня L2!). Здесь предполагается, что маршрут движения сегментов туда и обратно идентичны. В последнее время появилось оборудование L2 (Ethernet), способное фильтровать трафик по IP-адресам и даже номерам портов (а это уже уровень L4). Так что это уже не представляется чем-то совершенно фантастическим. Такие сетевые приборы могли бы помещать в пакеты откликов ACK информацию о состоянии своих буферов. Учитывая, что объемы буферов в разных устройствах могут отличаться весьма сильно, имеет смысл выдавать не число занятых позиций, а относительную долю занятого буферного пространства. Проблема здесь в том, что длительное время даже в локальных сетях, я уже не говорю про Интернет, будут сосуществовать сетевые устройства, как поддерживающие этот новый протокол, так и старые – не поддерживающие. Но даже в таких условиях этот протокол будет давать заметный выигрыш. Ведь новые устройства будут ставиться в первую очередь именно в “узких” местах сети, где потери были наиболее значимы. Условия загрузки нового устройства останутся теми же, но о них отправитель получит исчерпывающую информацию и за счет этого оптимизировать трафик. При этом отправитель должен отслеживать не просто состояние на текущий момент, но и темп заполнения и освобождения буферов. Ширина окна в этом случае может определяться на основе прогноза состояния буфера на момент, когда туда придет соответствующий ТСР-сегмент. Для этого отправителю придется выделить дополнительную память для хранения коэффициентов заполнения буферов. Задержка в цепи отслеживания состояния тракта при этом будет минимальной. Проблема усложнена разнообразием технологий L2, ведь трудно себе представить, чтобы нужную информацию о состоянии буферов будет выдавать ATM или SDH. Но наметившаяся тенденция использования Ethernet не только в LAN, но в региональных сетях, может упростить задачу. Альтернативой этому алгоритму могла бы служить схема, где каждому виртуальному соединению в каждом вовлеченном сетевом устройстве (включая L2) выделялся свой независимый буфер известного объема.
Любое из названных решений требует замены огромного объема оборудования. Но, во-первых, раз в 2-5 лет оборудование все равно обновляется, во-вторых, это даст выигрыш в пропускной способности не менее двух раз и существенно упростит задачу обеспечения требуемого уровня QoS. Первым шагом на пути внедрения отслеживания уровня заполнения буфера может служить ECN-алгоритм, описанный выше. Разрабатывая новые версии драйверов ТСР-протокола, надо с самого начала думать и о сетевой безопасности, устойчивости программ против активных атак.

Семенов Ю.А. (ГНЦ ИТЭФ)