Операционная система UNIX - Андрей Робачевский

В случае, когда требуется немедленная передача данных, без ожидания заполнения сегмента определенного размера, протокол верхнего уровня (приложение) устанавливает флаг PSH, который указывает модулю TCP на необходимость немедленной доставки данных, находящихся в очереди на отправление. Это может потребоваться, например, при передаче пользовательского ввода при удаленном доступе (протокол Telnet).

Как уже говорилось, протокол TCP обеспечивает надежный последовательный виртуальный канал передачи данных между приложениями. Поскольку нижележащий сетевой протокол IP является по определению ненадежным, а среда передачи вносит дополнительные ошибки, переданные данные могут быть утеряны, продублированы или испорчены, при этом порядок их доставки может быть нарушен. В случае ошибочности полученного сегмента модуль TCP узнает об этом, проверив контрольную сумму. Другие ошибки являются более сложными, и TCP должен обеспечить их определение и исправление.

Рассмотренные выше порядковый номер и номер подтверждения играют ключевую роль в обеспечении надежности доставки. По существу порядковый номер адресует каждый октет логического потока данных между источником и получателем, позволяя последнему определить правильность доставки (порядок доставки и потерю отдельных октетов). TCP является протоколом с позитивным подтверждением и повторной передачей (Positive Acknowledgement and Retransmission, PAR). Это означает, что если данные доставлены без ошибок, получатель подтверждает это сегментом ACK. Если отправитель не получает подтверждения в течение некоторого времени, он повторно посылает данные. В любом случае отсутствует негативное подтверждение (NAK).

В качестве примера рассмотрим передачу данных между двумя хостами сети А и В, проиллюстрированную на рис. 6.13. Для простоты предположим симплексную передачу большого количества данных от хоста А к B. Начиная с SEQ=100 хост А посылает хосту В 200 октетов. Первый посланный сегмент (SEQ=300) доставлен без ошибок и подтвержден хостом В (ACK=301). Следующий сегмент передан с ошибкой и не доставлен получателю. Таким образом, хост А не получает подтверждения на второй сегмент и повторно посылает его после определенного тайм-аута.[75] В конечном итоге все данные, переданные хостом А будут получены и подтверждены хостом В.

Рис. 6.13. Повторная передача

Говоря об управлении потоком данных, следует отметить, что TCP представляет собой протокол со скользящим окном. Окно определяет объем данных, который может быть послан (send window — окно передачи) или получен (receive window — окно приема) TCP-модулем. Размеры окон фактически отражают состояние буферов приема коммуникационных узлов. Так окно приема свидетельствует о количестве данных, которое принимающая сторона готова получить, а окно передачи определяет количество данных, которое отправителю позволяется послать, не ожидая подтверждения о получении. Несомненно, между этими двумя параметрами существует связь — окно передачи одного узла отражает состояние буферов другого (его окно приема) и наоборот. Принимающая сторона имеет возможность изменять окно передачи отправителя (с помощью подтверждения или явного обновления значения окна в поле Window заголовка передаваемого сегмента), и, таким образом, регулировать трафик.

Интерпретация отправителем окна передачи показана на рис. 6.14. Размер окна передачи отправителя в данном случае покрывает с 4 по 8 байт. Это означает, что отправитель получил подтверждения на все байты, включая 3, а получатель анонсировал размер окна равным 5 байтам. Это также означает, что отправитель может еще передать 2 байта (7 и 8). По мере подтверждения получения данных окно будет смещаться вправо, открывая новые "горизонты" для передачи. Однако окно может изменять свои размеры, при этом имеет значение, смещение какого края окна (правого или левого) приводит к изменению размера.

□ Окно закрывается по мере смещения левого края вправо. Это происходит при отправлении данных.

□ Окно открывается по мере смещения правого края вправо. Это происходит в соответствии с освобождением буфера приема получателя данных.

□ Окно сжимается, когда правый край смещается влево. Хотя такое поведение не рекомендуется, модуль TCP должен быть готов к обработке этой ситуации.

Рис. 6.14. Окно передачи TCP

Если левый край окна достигает правого, размер окна становится равным нулю, что запрещает дальнейшую передачу данных.

Суммируя вышесказанное, можно отметить, что размер окна, сообщаемый получателем данных отправителю, является предлагаемым окном (offered window), которое в простейшем случае равно размеру свободного места в буфере приема. При получении этого значения отправитель данных вычисляет фактическое, доступное для использования окно (usable window), которое равно предлагаемому за вычетом объема отправленных, но не подтвержденных данных. Таким образом, доступное для использования, или просто доступное, окно меньше или равно предлагаемому. Неэффективная стратегия подтверждений может привести к чрезвычайно малым значениям доступного окна и, как следствие, к низкой производительности передачи данных. Это явление, известное под названием синдром "глупого окна" (Silly Window Syndrome, SWS), будет рассмотрено ниже.

Стратегии реализации TCP

Рассмотренный стандарт протокола TCP определяет взаимодействие между удаленными объектами, достаточное для обеспечения совместимых реализаций. Другими словами, модуль протокола, в точности следующий спецификации стандарта, является гарантированно совместимым с модулями TCP, разработанными другими производителями. Тем не менее ряд вопросов функционирования протокола остается за рамками стандарта и допускает различные реализации, в конечном итоге влияющие не на совместимость, а на производительность приложений, использующих этот протокол. В данном разделе мы рассмотрим различные подходы к реализации TCP, направленные на повышение его производительности.

Синдром "глупого окна"

Механизм подтверждения получения данных является ключевым в протоколе TCP. Стандарт указывает, что подтверждение должно быть передано без задержки, но не определяет конкретно, насколько быстро данные должны быть подтверждены, и объем подтверждаемых данных. К сожалению, корректная с точки зрения спецификации протокола, но неоптимальная реализация стратегии подтверждения приводит к неудовлетворительной работе механизма управления потоком данных (оконного механизма), что приводит к синдрому "глупого окна" (SWS).

Для иллюстрации этого явления рассмотрим передачу файла большого размера между двумя приложениями, использующими протокол TCP. Допустим, что модуль протокола осуществляет передачу сегментами, размер которых составляет 200 октетов. В начале передачи предлагаемое окно отправителя — 1000 октетов. Он полностью использует этот кредит, послав пять сегментов по 200 октетов каждый. После обработки первого полученного сегмента адресат отправляет подтверждение (сегмент ACK), которое также содержит обновленное значение предлагаемого окна. Предположим, что адресат передал полученные данные приложению, и таким образом его буфер приема вновь содержит 1000 байтов свободного места. Поэтому обновленное значение окна будет также равным 1000 октетов. Эта ситуация показана на рис. 6.15.

Рис. 6.15. Возникновение SWS

При получении подтверждения отправитель вычисляет доступное окно. Поскольку получение 800 октетов данных еще не подтверждено, значение доступного окна получается равным 200.

Рассмотрим теперь процесс возникновения SWS. Предположим, что отправитель вынужден передать сегмент размером 50 октетов (например, если приложение указало флаг PSH). Таким образом, он отправляет 50 байтов, и вслед за этим следующий сегмент, размером 150 октетов (поскольку размер доступного окна равен 200). Через некоторое время адресат получит 50 байтов, обработает их и подтвердит получение, не изменяя значения предлагаемого окна (1000 октетов). Однако теперь при вычислении доступного окна, отправитель обнаружит, что не подтверждены 950 байтов, и, таким образом, его окно равняется всего 50 октетам. В результате отправитель вновь вынужден будет передать всего 50 байтов, хотя приложение этого уже не требует.

Если мы продолжим анализировать передачу данных, то заметим, что рисунок транзакций будет периодически повторяться, т.е. отправитель будет вынужден периодически передавать сегмент необоснованно малого размера. Этот порочный круг не может быть разорван естественным образом. Происхождение сегментов малого размера очевидно: периодически у отправителя возникает необходимость разделить доступное окно на несколько мелких сегментов. При непрерывной передаче больших объемов данных такие ситуации будут время от времени возникать, оставляя неизгладимый след на характере транзакций. В результате это может привести к "засорению" сети множеством мелких пакетов в одну сторону и множеством подтверждений в другую.