TCP-də Tıxanma Nəzarəti: Qısa və Praktik Giriş

Giriş

Hər dəfə bir veb-səhifə açanda, video yayımlayanda və ya fayl endirəndə, kompüteriniz paketləri ortaq qlobal şəbəkəyə göndərməyə başlayır. Eyni anda milyonlarla başqa cihaz da tam olaraq bunu edir. Buna baxmayaraq, bir çox səviyyədə ucuz, kütləvi istehsal olunan avadanlıqlardan ibarət olan İnternet sabit qalır və istifadəçilərinə xidmət etməyə davam edir. Təsəvvür etdiyiniz kimi, bu, heç də sehr deyil, marşrutlaşdırıcıların dolub-daşmasının dolub-daşmasının və şəbəkənin yüklənib iflic olmasının qarşısını alan düşünülmüş və ağıllı mexanizmlərin nəticəsidir.

1980-ci illərin sonlarında İnternetin bəzi hissələrində bu gün “tıxac çöküşü” adlandırılan vəziyyət yaşanmışdı. Şəbəkələr yenidən göndərilən paketlərlə o qədər yüklənmişdi ki, faydalı ötürmə sürəti mövcud tutumun çox kiçik bir hissəsinə düşmüşdü. Xətlər dolu idi, amma demək olar ki, heç bir real məlumat qarşı tərəfə çatmırdı. Bu böhranın həlli TCP-nin ən vacib xüsusiyyətlərindən birinə çevrildi: tıxanma nəzarəti. Bu gün hər bir TCP bağlantısı (istər kiçik bir API sorğusu, istərsə də çox-giqabaytlıq fayl yükləməsi) məlumatı hansı sürətlə göndərməli olduğunu müəyyən etmək üçün bu alqoritmlərə güvənir.

Hazırda Imperial College-də şəbəkə sistemləri üzrə tezis üzərində işləyərkən, son iki il ərzində bu mövzunu yaxından öyrənmişəm. Bu bloq yazısı isə mövzu ilə bağlı bəzi bilikləri paylaşmaq və oxucunu bu sahəni daha dərindən araşdırmağa həvəsləndirmək cəhdimdir.

Tıxanma nəzarəti nədir?

Tıxanma Nəzarəti (CC) şəbəkədə yaranan tıxacların qarşısını alan, onları aşkar edən və idarə edən mexanizmdir. Bu mexanizmin vacib olmasının səbəbi odur ki, tıxaclı şəbəkələrdə performans qeyri-sabit və proqnozlaşdırılması çətin olur, üstəlik məlumat itkisi baş verə bilər. Daha ağır hallarda isə tıxac hətta şəbəkənin tam çökməsinə səbəb ola bilər.

CC necə həyata keçirilir?

Aşağıdakı müzakirəni başa düşmək üçün TCP protokolunu qısa şəkildə anlamaq vacibdir. Əsasən, TCP etibarlı və bağlantıya əsaslanan nəqliyyat səviyyəli protokoldur. Burada “etibarlı” anlayışı çox önəmlidir: TCP məlumatı paketlərə bölür, paketlərin təyinat nöqtəsinə çatmasını və düzgün ardıcıllıqla qəbul olunmasını təmin edir. UDP kimi alternativlərdən fərqli olaraq, TCP paketlərin etibarlı çatdırılması və düzgün sıralanması üçün mexanizmlər təqdim edir. Bu proses ACK adlanan təsdiq mesajları vasitəsilə həyata keçirilir. Qəbul edən tərəf müəyyən bir paketi aldığını bildirmək üçün göndərənə ACK göndərir. Göndərən bütün ACK-ləri aldıqdan sonra həmin “pəncərə” daxilindəki bütün məlumatın çatdırıldığını hesab edə bilər. Burada “pəncərə” anlayışı vacibdir: göndərən tərəf göndərmə pəncərəsini təyin edir və bu, eyni anda (hamısı ACK olunana qədər) nə qədər məlumatın göndəriləcəyini müəyyənləşdirir. Pəncərənin ölçüsünə təsir edən başqa faktorlar da var, məsələn, göndərənin imkanları və axın nəzarəti mexanizmləri. Amma CC bu ölçünü müəyyən edən əsas komponentlərdən biridir. Xüsusilə, tıxac pəncərəsi (cong_wnd) anlayışı var ki, bu da şəbəkənin eyni anda daşıya biləcəyi maksimum məlumat həcmini müəyyən edir.

Şəbəkənin tıxaclı olduğunu necə anlayırıq?

Tıxacı idarə etmək üçün əvvəlcə onu aşkar etməyi bacarmalıyıq. Tıxacın əsas əlamətlərindən biri paket itkisidir. Paketlərin itirildiyini, müəyyən bir paket üçün ACK almadıqda başa düşə bilərik (ya paket, ya da ACK özü itmiş ola bilər), bəzən bu hal bir neçə dəfə təkrarlana bilər. TCP bağlantısı həmçinin vaxt aşımı verə bilər, yəni bütün paketlərin çatdırıldığını təsdiqləmək üçün həddən artıq uzun gözləmiş oluruq — bu da əslində itki deməkdir.

Amma paketlər tam itməzdən əvvəl də erkən tıxac siqnallarını müşahidə etmək mümkündür. Bunun üçün RTT, yəni gediş-gəliş vaxtının artmasına baxırıq — başqa sözlə, çatdırılma gecikməsi böyüyür. Avtomobillərlə dolu bir yolda olduğu kimi, tıxaclı linklərdən keçmək də daha çox vaxt aparır.

CC-yə əsas yanaşmalar

TCP tıxanma nəzarəti üçün müxtəlif alqoritmik yanaşmalar mövcuddur. Onların əsas fərqi tıxac siqnalını necə aşkar etmələri və göndərmə sürətini necə tənzimləmələridir.

İtkiyə əsaslanan CC

İtkiyə əsaslanan CC ən fundamental və adətən ən geniş yayılmış yanaşmadır. Əsas ideya paket itkisini aşkar etmək və göndərmə pəncərəsini azaltmaqdır. Bu yanaşma Reno, NewReno, Tahoe və CUBIC (Linux-da standart) kimi klassik TCP variantlarında tətbiq olunur.

Adətən itkiyə əsaslanan nəzarət aşağı göndərmə sürəti ilə başlayıb onu additiv şəkildə artırmaq prinsipinə əsaslanır. Əgər itki aşkar edilərsə (bu, adətən eyni paket üçün 3 təkrarlanan ACK vasitəsilə başa düşülür) göndərmə sürəti multiplikativ şəkildə azaldılır. Bu texnika Additiv Artım, Multiplikativ Azalma (AIMD) adlanır.

Əsas üstünlüyü ondadır ki, bu yanaşma bir çox ənənəvi şəbəkə quruluşlarında kifayət qədər yaxşı işləyir. Həm də nisbətən sadə tətbiq olunur və şəbəkə dizaynının əsas prinsiplərinə uyğundur.

Əsas çatışmazlıq isə ondan ibarətdir ki, itki yalnız şəbəkə artıq tıxaclı vəziyyətə düşəndə baş verir, yəni infrastruktur artıq yüklənmiş olur. Bu mexanizm işə düşəndə, switch-lərdəki buferlər artıq dolmuş olur və gecikmə bir müddətdir artmaqda davam edir.

ECN-ə əsaslanan CC

Bəzi hallarda tıxac haqqında siqnalı mümkün qədər tez almaq faydalı olur. Buna görə də bəzi infrastruktur mühitlərində şəbəkədaxili (in-network) mexanizmlərə üstünlük verilir.

Xüsusilə, ECN şəbəkə üzərində tıxac yaranmağa yaxınlaşanda ruter və ya switch-lərin paketləri atmaq əvəzinə onları işarələməsi mexanizmidir. Adətən şəbəkə inzibatçıları bufer doluluğu üçün müəyyən hədd təyin edirlər (məsələn, 70%). Bu hədd keçildikdə, paketlər ECN ilə işarələnir. Qəbul edən tərəf bu işarəni gördükdə, bunu göndərənə bildirir və göndərən də göndərmə pəncərəsini azaldaraq sürətini uyğunlaşdırır.

Əsas üstünlüyü ondan ibarətdir ki, bu yanaşma heç bir məlumat itirilmədən əvvəl göndərmə sürətini azaltmağa imkan verir və beləliklə tıxacın qarşısını almaq mümkün olur. Yəni şəbəkə tıxacı məlumat itirmədən siqnal verə bilir.

Bu yanaşmanın əsas problemi isə məşhur uçdan-uca prinsipi ilə müəyyən dərəcədə ziddiyyət təşkil etməsidir. Bu prinsipə görə, şəbəkənin özü tərəfindən təmin olunmayan əlavə funksionallıq tam şəkildə son nöqtələrdə (yəni göndərən və qəbul edən tərəfdə) həyata keçirilməlidir. Buna görə də, şəbəkə üzərində nəzarət edə bilmədiyimiz bir çox ssenaridə bu yanaşmanı tətbiq etmək mümkün olmur.

BBR

Tıxanma nəzarətinə müasir yanaşmalardan biri Google tərəfindən təqdim olunub: BBR (Bottleneck Bandwidth and Round-trip propagation time). Bu, Google-ın bu gün də öz infrastrukturunda istifadə etdiyi alqoritmlərdən biridir.

Əsas ideya ondan ibarətdir ki, itkiyə və ya switch bildirişlərinə əsaslanmaq əvəzinə, şəbəkə haqqında model qurmaq üçün müxtəlif metrikləri davamlı şəkildə ölçürük. Bu model əsasən iki vacib göstəriciyə əsaslanır:

1. Bottleneck bandwidth — marşrut üzərindəki ən zəif linkin bant genişliyi
2. Minimum RTT — paketin ən kiçik gediş-gəliş vaxtı

Sadə bir bənzətmə ilə desək, sanki məlumat yox, su ötürürük. Birinci metrik borunun ən dar hissəsinin enini, ikinci metrik isə uzunluğunu göstərir. Təbii olaraq, biz Bandwidth × RTT sürəti ilə göndərmək istəyərik. Bu, borunun “həcmi”nə, yəni şəbəkənin eyni anda daşıya biləcəyi maksimum məlumat miqdarına uyğun gəlir.

Nəticədə, əsas üstünlük ondan ibarətdir ki, yüksək ötürmə sürəti və aşağı gecikmə əldə olunur, yəni tıxacın özü demək olar ki, ümumiyyətlə yaranmır. BBR-in başqa bir yaxşı xüsusiyyəti də ədalətli paylaşmadır: əgər eyni linki bölüşən bir neçə axın varsa və onların hamısı BBR istifadə edirsə, onlar arasında nisbətən ədalətli paylaşma müşahidə olunur.

Çatışmazlığı isə odur ki, bu yanaşma hələ də geniş yayılma və inkişaf mərhələsindədir. Həmçinin bəzi digər TCP variantları ilə eyni şəbəkəni paylaşanda davranış problemləri müşahidə oluna bilir.

Nəticə

Ümid edirəm bu yazı sizin üçün maraqlı oldu. Bu bloqa tıxanma nəzarəti mövzuları üçün bir növ “menyu” kimi baxa bilərsiniz — qısa icmal verərək mövzunu daha dərindən araşdırmağa həvəsləndirmək məqsədi daşıyır. Məncə bu, kompüter sistemlərinin ən maraqlı sahələrindən biridir, çünki real həyatda da oxşar prinsiplərlə işləyən çoxlu analoqlar görmək mümkündür. Bu mövzu həm də istifadə ssenarisindən çox asılıdır: ənənəvi şəbəkələr, simsiz mühitlər, AI data mərkəzləri — hamısının trafik nümunələri fərqlidir və buna uyğun müxtəlif yanaşmalar tələb olunur.

Əlavə resurslar

Əgər bu mövzu xoşunuza gəldisə və daha dərindən öyrənmək istəyirsinizsə, aşağıda yolunuza kömək edəcək bir neçə resurs tapa bilərsiniz:

• Congestion Control in Computer Networks
• UC Berkeley CS 168: Introduction to the Internet
• Stanford CS 144: Introduction to Computer Networking
• TCP Congestion Control
• TCP Tahoe and TCP Reno
• BBR: Congestion-Based Congestion Control
• What is ECN (Explicit Congestion Notification)?
• Congestion Avoidance and Control
• Computer Networking: a Top Down Approach
• CUBIC for Fast Long-Distance Networks