Модели реализации протокола TCP и его перспективы

Семёнов Ю.А. (ГНЦ ИТЭФ), book.itep.ru

Как известно протокол TCP (описание протокола смотри, например, в []) ориентирован на соединение, он использует для транспортировки IP-дейтограммы (L3), которые пересылаются посредством протокольных кадров уровня L2. Между двумя партнерами может быть прямое соединение, а может располагаться большое число сетевых приборов 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 переключатели 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.

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).

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.

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.

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.

Длительность TCP-сессии больше нескольких RTT, чтобы оправдать используемую протокольную избыточность. Короткие ТСР-сессии, широко используемые WEB-технологией снижают эффективность обмена. (Именно это обстоятельство вынудило в версиях HTTPv1.1 и выше не разрывать ТСР-соединение после вызова очередной страницы).

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.

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 коммуникаций.

В тех случаях, когда поток данных расщепляется, должны предприниматься специальные меры по балансировке загрузки каналов.

Для прояснения модели работа протокола ТСР рассмотрим простой фрагмент сети, отображенный на рис. 1.

Рис. 1.

На данном рисунке ЭВМ С1-С3 могут осуществлять обмен друг с другом и с ЭВМ С4-С6. Переключатели SW работают на уровне L2 имеют буферы и могут быть причиной потерь также как сами ЭВМ и маршрутизаторы GW1-GW2. Понятно, что объектом перегрузки помимо названных устройств может стать любой сетевой объект сети 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.

Содержание раздела