Эндрю Уэзеролл - Компьютерные сети. 5-е издание

Первая проблема заключается в том, что многие протоколы используют 32-разрядные порядковые номера. В прежние годы, когда типичная скорость выделенных линий между маршрутизаторами равнялась 56 Кбит/с, хосту, который постоянно выдавал бы данные в сеть на полной скорости, потребовалось бы больше недели на то, чтобы у него закончились порядковые номера. С точки зрения разработчиков TCP 232 считалось неплохим приближением к бесконечности, поскольку вероятность блуждания пакетов по сети в течение недели практически равна нулю. В Ethernet со скоростью 10 Мбит/с критическое время снизилось с одной недели до 57 минут. Это, конечно, гораздо меньше, но даже с таким интервалом еще можно иметь дело. Когда же Ethernet выдает в Интернет данные со скоростью 1 Гбит/с, порядковые номера закончатся примерно через 34 с. Это уже никуда не годится, поскольку максимальное время жизни пакета в Интернете равно 120 с. Внезапно оказалось, что 232 совершенно не подходит в качестве значения, приближенного к бесконечности, поскольку стало очевидно, что отправителю, посылающему достаточно много пакетов, придется повторять их порядковые номера в то время, как старые пакеты все еще будут блуждать по сети.

Проблема состоит в том, что многие разработчики протоколов просто предполагали, что время цикла пространства порядковых номеров значительно превосходит максимальное время жизни пакетов. Соответственно, в этих протоколах даже не рассматривалась сама возможность того, что старые пакеты еще могут находиться где-то в сети, когда порядковые номера опишут полный круг. В гигабитных сетях это предположение оказалось неверным. К счастью, оказалось возможным расширить эффективный порядковый номер, взяв в качестве старших битов метку времени, которая добавляется в TCP-заголовок каждого пакета в качестве дополнительного параметра. Этот механизм называется детектированием повторного использования порядковых номеров ( PAWS, Protection Against Wrapped Sequence numbers). Он описан в RFC 1323.

Вторая проблема состоит в необходимости существенного увеличения окна управления потоком. Рассмотрим, например, процесс отправки 64 Кбайт данных из Сан-Диего в Бостон при размере буфера получателя в 64 Кбайт. Пусть скорость передачи данных в линии составляет 1 Гбит/с, а время прохождения сигнала в одну сторону, ограниченное скоростью света в стекле оптоволокна, равно 20 мс. Вначале (t = 0), как показано на рис. 6.48, а, канал пуст. Только 500 мкс спустя все сегменты попадут в канал (рис. 6.48, б). Первый сегмент оказывается где-то в окрестностях Броли, все еще в Южной Калифорнии. Тем не менее передатчик уже должен остановиться, пока он не получит в ответ новую информацию об окне.

Через 20 мс первый сегмент, как показано на рис. 6.48, в, достигнет Бостона, и в ответ будет передано подтверждение. Наконец, через 40 мс после начала операции первое подтверждение возвращается к отправителю, после чего передается следующая порция данных. Поскольку линия передачи использовалась всего 0,5 мс из 40 мс, эффективность ее использования составит около 1,25 %. Такая ситуация является типичной для работы старых протоколов по гигабитным линиям.

При анализе производительности сетей полезно обращать внимание на произведение пропускной способности и времени задержки( bandwidth-delay product). Пропускная способность канала (в битах в секунду) умножается на время прохождения сигнала в оба конца (в секундах). В результате получается емкость канала в битах.

В примере на рис. 6.48 произведение пропускной способности и времени задержки равно 40 млн бит. Другими словами, отправитель к моменту получения ответа успеет переслать 40 млн бит, если будет передавать с максимальной скоростью. Столько бит потребуется, чтобы заполнить канал в обоих направлениях. Таким образом, порция данных в полмиллиона бит составляет всего 1,25 % емкости канала, что и выражается в 1,25 % эффективности использования канала.

Рис. 6.48.Передача половины мегабита из Сан-Диего в Бостон: а — в момент времени t = 0; б — через 500 мкс; в — через 20 мс; г — через 40 мс

Отсюда следует, что для эффективного использования канала размер окна получателя должен быть, по меньшей мере, равен произведению пропускной способности и времени задержки, а лучше превосходить его, так как получатель может сразу и не ответить. Для трансконтинентальной гигабитной линии каждому соединению потребуется, по меньшей мере, по 5 Мбайт.