Механизм предотвращения перегрузок

Механизм предотвращения перегрузок (Congestion avoidance) – это процесс выборочного отбрасывания пакетов с целью избежания перегрузок в сети в случае достижения выходными очередями своей максимальной длины (в пакетах).

Традиционной политикой обработки пакетов коммутаторами в случае переполнения всех выходных очередей является их отбрасывание, которое продолжается до тех пор, пока длина очередей не уменьшится за счет передачи находящихся в них пакетов. Такой алгоритм управления длиной выходных очередей получил название «отбрасывание хвоста» (Tail-Drop). Отбрасывание пакета будет служить сигналом о перегрузке сети источнику ТСР-соединения, т.к. он не получит подтверждения о доставке пакета от приемника ТСР-соединения. В этом случае он уменьшит скорость передачи путем уменьшения размера окна перегрузки до одного сегмента и перезапустит алгоритм медленного старта (slow start).

Поскольку коммутатор обрабатывает множество ТСР-потоков в один момент времени, отбрасывание пакетов послужит сигналом о перегрузке тысячам источникам ТСР-соединений, которые снизят скорость передачи. При этом почти все источники ТСР-соединений будут использовать одинаковое время таймеров задержки перед началом увеличения скорости передачи. Значения этих таймеров достигнут своего лимита практически в одно и тоже время, что вызовет увеличение интенсивности трафика и переполнение очередей, которое приведет к отбрасыванию пакетов, и весь процесс повторится вновь.

Процесс, когда каждый источник ТСР-соединения уменьшает и увеличивает скорость передачи одновременно с другими источниками ТСР-соединений, получил название эффекта глобальной синхронизации (global synchronization). Эффект глобальной синхронизации приводит к неэффективному использованию полосы пропускания, а также к возрастанию задержки передачи пакетов.

Для решения проблемы поведения источников ТСР-соединения в момент отбрасывания пакетов был разработан алгоритм произвольного раннего обнаружения (Random Early Detection, RED).

В отличие от алгоритма «отбрасывания хвоста», алгоритм RED отбрасывает поступающие пакеты вероятностно, на основе оценки среднего размера очередей. Он не дожидается полного заполнения очередей, а начинает отбрасывать пакеты с некоторой вероятностью, когда средний размер очереди превысит определенное минимальное пороговое значение. Это позволяет избежать эффекта глобальной синхронизации, т.к. будут отбрасываться не все пакеты, а только пакеты произвольным образом выбранных потоков.

В коммутаторах D-Link поддерживается простой алгоритм произвольного раннего обнаружения (Simple Random Early Detection, SRED), который является расширенной версией алгоритма RED, реализованной на основе ASIC, и выполняет вероятностное отбрасывание входящих «окрашенных» пакетов. «Окрашивание» пакетов позволяет реализовать разные политики обслуживания пакетов (различную вероятность отбрасывания) на основе их приоритетов. Так пакеты, «окрашенные» в зеленый цвет обладают наивысшим приоритетом. Пакеты «окрашенные» в желтый цвет – средним, в красный цвет – низшим приоритетом.

Алгоритм SRED позволяет задавать два пороговых значения размера для каждой очереди – минимальное и максимальное. Если длина очереди меньше минимального порогового значения, то пакеты будут помещаться в очередь. Если размер очереди будет находиться в интервале между минимальным и максимальным пороговыми значениями, т.е. будет наблюдаться умеренная перегрузка, то пакеты «окрашенные» в красные и желтые цвета будут отбрасываться с заданной вероятностью. Если длина очереди превысит максимальное пороговое значение, то пакеты любых цветов будут отбрасываться с заданной вероятностью. Т.е. алгоритм SRED обеспечивает возможность настройки более интенсивного отбрасывания пакетов низкоприоритетного трафика и менее интенсивного отбрасывания пакетов высокоприоритетного трафика.

В коммутаторах D-Link при настройке SRED существует возможность выбора из восьми значений скоростей (вероятностей) отбрасывания пакетов: