Лекция 4. Сетевой уровень. Алгоритмы борьбы с перегрузкой

1. Адаптивные сервис-ориентированные сети

Адаптивные сервисориентированные сети
Лекция 4. Сетевой уровень. Алгоритмы
борьбы с перегрузкой.

2. Перегрузка сети

Когда количество кадров, передаваемых
одновременной в сети (подсети), превышает
некий пороговый уровень,
производительность сети начинает снижаться.
Такая ситуация называется перегрузкой.

3. Перегрузка сети

4. Перегрузка сети

Причины перегрузки:
переполнение буфера маршрутизатора
медленный процессор маршрутизатора
линии с низкой пропускной способностью

5. Перегрузка сети

Борьба с перегрузкой и управление потоком
существенно отличаются:
предотвращение перегрузки – глобальная
задача, включающая поведение всех хостов и
маршрутизаторов, процессов хранения и
пересылки на всем протяжении пути пакетов
задача управления потоком – состоит в
согласовании скорости передачи отправителя
со скоростью, с которой получатель способен
принимать поток пакетов.

6. Борьба с перегрузкой сети

Проблему борьбы с перегрузкой в сети
следует рассматривать с точки зрения теории
управления.
При таком подходе все решения делятся на
две группы:
без обратной связи
с обратной связью

7. Борьба с перегрузкой сети

Решения без обратной связи заключаются в
попытках решить проблему путем изменения
конфигурации системы для предотвращения
самой ситуации перегрузки:
ограничение на трафик
увеличение пропускной способности сети
увеличение производительности устройств
составление расписания и проч.

8. Борьба с перегрузкой сети

Решения без обратной связи основываются на
учете текущего состояния системы.
Данный подход состоит из трех частей:
наблюдение за системой с целью определить,
где и когда произойдет перегрузка
передачи информации о перегрузке в те
места, где могут быть предприняты
соответствующие действия
принятие необходимых мер при работе
системы для устранения перегрузок

9. Борьба с перегрузкой сети

Сигналы о растущей перегрузке:
процент пакетов, отвергаемых из-за
отсутствия свободного места в буфере
средняя длина очереди
процент пакетов, переданных повторно по
причине истекшего времени ожидания
подтверждения
среднее время задержки пакетов
среднеквадратичное отклонение задержки
пакетов

10. Борьба с перегрузкой сети

Оповещение о перегрузке может быть
реализовано следующими способами:
Информация о перегрузке должна
передаваться от места ее обнаружения туда,
где могут быть приняты какие-то меры по ее
устранению (рассылка пакетов с извещением
о наличии проблемы).
Хосты или маршрутизаторы периодически
посылают пробные пакеты, явно спрашивая
друг друга о перегрузке.

11. Борьба с перегрузкой сети

Наличие перегрузки означает, что нагрузка
временно превысила возможности ресурсов
данной части системы.
Решения проблемы следующие:
увеличить ресурсы системы (подключение
резервных мощностей)
снизить нагрузку (отказ в обслуживании или
снижение уровня обслуживания)

12. Борьба с перегрузкой сети

Стратегии предотвращения перегрузки:
Уровень
Стратегии
транспортный
Повторная передача
Кэширование пакетов, приходящих в неверном
порядке
Подтверждение
Управление потоком
Определение тайм-аутов
сетевой
Создание виртуальных каналов
Составление очередей пакетов и обслуживания
Игнорирование пакетов
Управление временем жизни пакетов
канальный
Повторная передача
Кэширование
Подтверждение
Управление потоком

13. Борьба с перегрузкой в подсетях виртуальных каналов

Метод управления допуском: запрет на
создание новых виртуальных каналов.
Альтернативный метод: создание новых
виртуальных каналов в обход заторов.

14. Борьба с перегрузкой в подсетях виртуальных каналов

Достижение соглашения между хостом и подсетью
во время установки виртуального канала:
объем и форма трафика
требуемое качество обслуживания
резервирование ресурсов (память для буферов и
таблиц маршрутизаторов, пропускная способность
линий)
Достоинство – перегрузка маловероятна
Недостаток – неиспользованная пропускная
способность

15. Борьба с перегрузкой в дейтаграммных подсетях

Контроль использования линии:
Пусть U( ) – загруженность линии,
Если значение U начинает превышать некий
пороговый уровень, это означает, что на линии
начинается перегрузка

16. Борьба с перегрузкой в дейтаграммных подсетях

Биты предупреждения устанавливаются
маршрутизатором во все проходящие мимо него
пакеты. Источник пакетов начинает снижать
скорость до тех пор, пока в пакетах не исчезнет
бит предупреждения.
Сдерживающие пакеты – маршрутизатор сам
отправляет источнику сдерживающий пакет

17. Борьба с перегрузкой в дейтаграммных подсетях

Сдерживающий
пакет сообщает
источнику о
перегрузке

18. Борьба с перегрузкой в дейтаграммных подсетях

Сдерживающий
пакет сообщает
о перегрузке
всем
промежуточным
участкам

19. Борьба с перегрузкой в дейтаграммных подсетях

Сброс нагрузки – игнорирование пакетов,
которые маршрутизаторы не могут обработать.
Выбор
отвергаемого
пакета
зависит
от
приложения, пересылающего данный пакет.
Стратегии:
Винная стратегия - старый пакет лучше нового
(передача файлов)
Молочная стратегия - новый пакет лучше
старого (передача мультимедиа информации)

20. Борьба с перегрузкой в дейтаграммных подсетях

При борьбе с перегрузкой проще вовремя
обнаружить затор, чем дать ему развиться до
критических размеров.
Алгоритм случайного раннего обнаружения
(алгоритм RED) – пакеты начинают отвергаться
еще до того, как буферное пространство будет
заполнено.
Пакеты из очереди выбираются случайным
образом.
Источники пакетов, обнаруживая их потерю,
начинают снижать скорость передачи.

21. Борьба с флуктуациями

Колебание (среднеквадратичное отклонение)
времени доставки пакетов называется
флуктуацией.

22. Борьба с флуктуациями

Для ограничения флуктуаций должно быть
вычислено ожидаемое время пересылки по
каждому транзитному участку:
если пакет приходит с опережением графика, он
удерживается некоторое время
если пакет запаздывает, маршрутизатор пытается
отправить его дальше как можно быстрее.

23. Качество обслуживания QoS

Для обеспечения гарантированного качества
обслуживания сетей необходимо знать
требования конкретных приложений к
производительности сетей.

24. Качество обслуживания QoS

Последовательность пакетов, передающихся от
источника к приемнику, называется потоком.
Каждому потоку требуются определенные
условия, которые характеризуются следующими
параметрами:
надежность
задержка
флуктуация
пропускная способность
Вместе все эти условия формируют качество
обслуживания (QoS – Quality of Service)

25. Качество обслуживания QoS

Приложение
Надежность
Задержка
Флуктуации
Пропускная
способность
Электр. почта
Высокая
Низкая
Слабые
Низкая
Передача
файлов
Высокая
Низкая
Слабые
Средняя
Веб-доступ
Высокая
Средняя
Слабые
Средняя
Удал. доступ
Высокая
Средняя
Средние
Низкая
Аудио
Низкая
Низкая
Сильные
Средняя
Видео
Низкая
Низкая
Сильные
Высокая
Телефония
Низкая
Высокая
Сильные
Низкая
Видеоконфере
нция
Низкая
Высокая
Сильные
Высокая

26. Качество обслуживания QoS

Методы достижения высокого QoS:
избыточное обеспечение
буферизация
формирование трафика

27. Качество обслуживания QoS

Избыточное обеспечение:
необходимо
обеспечить
такую
емкость
маршрутизаторов, буферной памяти и пропускную
способность, чтобы пакеты двигались по сети без
затруднений

28. Качество обслуживания QoS

Буферизация:
потоки можно сохранять в буферной памяти на
принимающей стороне перед доставкой их
потребителю
буферизация увеличивает задержку, но снижает
уровень флуктуаций

29. Качество обслуживания QoS

Буферизация:

30. Качество обслуживания QoS

Формирование трафика:
качество обслуживания можно повысить, если
передавать данные с предсказуемой скоростью за
счет регулирования средней и пиковой скорости
передачи данных.

31. Формирование трафика

Алгоритм дырявого ведра:

32. Формирование трафика

Алгоритм дырявого ведра:
а – вход дырявого ведра
б – выход дырявого ведра

33. Формирование трафика

Алгоритм маркерного ведра:

34. Формирование трафика

Алгоритм маркерного ведра:
Недостатком алгоритма
маркерного ведра является
слишком большая скорость
передачи данных при
опустошении ведра.
Для получения более
гладкого трафика после
маркерного ведра
помещают дырявое ведро.

35. Резервирование ресурсов

Резервироваться могут три вида ресурсов:
пропускная способность
буферное пространство
время центрального процессора

36. Резервирование ресурсов

Для обслуживания потока его необходимо
правильно описать с помощью определенных
параметров.
Набор таких параметров называется
спецификацией потока.

37. Управление доступом

Спецификации потока (согласно RFC 2210 и RFC
2211):
1. скорость маркерного ведра, байт/с
2. размер маркерного ведра, байт
3. пиковая скорость передачи данных, байт/с
4. минимальный размер пакета, байт
5. максимальный размер пакета, байт

38. Диспетчеризация пакетов

Алгоритм справедливого обслуживания: