Компьютерные сети. 6-е изд.

До сих пор мы по умолчанию подразумевали, что время, необходимое на передачу фрейма от отправителя к получателю и на обратную передачу подтверждения, пренебрежимо мало. Иногда это совершенно не так. Длительное время прохождения фреймов по сети может значительно снижать эффективность использования пропускной способности канала. В качестве примера рассмотрим 50-килобитный спутниковый канал. Время прохождения сигнала в оба конца равно 500 мс. Попытаемся использовать протокол 4 для пересылки фреймов размером 1000 бит через спутник. В момент времени t = 0 начинается отправка первого фрейма. При t = 20 мс фрейм полностью отправлен. Не раньше чем при t = 270 мс получатель принимает фрейм целиком и высылает подтверждение. Отправитель получает его в момент времени t = 520 мс (в самом лучшем случае — при нулевом времени ожидания на принимающей стороне и коротком фрейме подтверждения). Это означает, что отправляющее устройство заблокировано в течение 500/520, или 96 % времени. Другими словами, использовалось только 4 % доступной полосы пропускания. Очевидно, что сочетание большого времени прохождения сигнала, высокой пропускной способности и коротких фреймов совершенно неприемлемо с точки зрения эффективности.

Описанная выше проблема — следствие правила, которое обязывает отправителя дожидаться подтверждения, прежде чем посылать следующий фрейм. Смягчив это требование, можно значительно повысить эффективность. Нужно разрешить отправителю посылать не один фрейм, а несколько, например w, прежде чем остановиться и перейти в режим ожидания подтверждений. Если подобрать достаточно большое число w, то отправитель сможет безостановочно посылать фреймы, так как подтверждения для предыдущих фреймов будут приходить до того, как окно заполнится. Это предотвратит блокировку отправителя.

Чтобы найти подходящее значение w, необходимо понять, сколько фреймов «вмещается» в канал, в то время как они передаются от отправителя к получателю. Емкость определяется путем умножения полосы пропускания в битах в секунду на время пересылки в одну сторону. Это значение можно разделить на число битов во фрейме, чтобы выразить число фреймов. Назовем эту величину BD (bandwidth-delay product — полоса пропускания, умноженная на задержку). Следовательно, w должно соответствовать 2BD + 1. 2BD — это число фреймов, которое может находиться в пути (неподтвержденные фреймы), если отправитель передает фреймы непрерывно (с учетом времени на получение подтверждения). Единица прибавляется, так как фрейм подтверждения отправляется только после приема полного фрейма данных.

В качестве примера возьмем канал с полосой пропускания 50 Кбит/с, в котором на пересылку фрейма в одну сторону тратится 250 мс. Значение BD равно 12,5 Кбит/с или 12,5 фрейма, каждый из которых включает 1000 бит. 2BD + 1 равно 26 фреймам. Отправитель начинает, как и ранее, с передачи фрейма 0 и отправляет очередной фрейм каждые 20 мс. К тому моменту, когда он закончит отправку 26 фреймов (при t = 520 мс), как раз прибудет подтверждение фрейма 0. Затем подтверждения станут приходить каждые 20 мс. Таким образом, отправитель будет получать разрешения на передачу следующего фрейма как раз вовремя. Начиная с этого момента у отправителя будет 25 или 26 неподтвержденных фреймов и, следовательно, достаточно будет окна размером 26.

При меньшем размере окна канал будет загружен не на 100 %, так как иногда отправитель будет блокироваться. Коэффициент загруженности можно выразить как долю времени, когда отправитель не заблокирован:

Данное значение выражает верхнюю границу, при этом не учитывается время на обработку фрейма и считается, что длина фрейма подтверждения равна нулю (обычно они действительно короткие). Из этого неравенства понятно, что для высоких значений BD необходимо устанавливать большое значение размера окна w. Если задержка большая, то отправитель быстро опустошит свое окно даже при средней полосе пропускания, как в примере со спутником. Если полоса пропускания широкая, то даже при средней задержке отправитель также быстро обработает окно, если только оно не отличается особо крупным размером (например, канал с пропускной способностью 1 Гбит/с и задержкой в 1 мс удерживает 1 Мбит). Если у протокола с остановкой и ожиданием значение w = 1, то даже при задержке распространения, равной всего одному фрейму, его эффективность падает ниже 50 %.

Метод одновременной отправки сразу нескольких фреймов называется конвейерной обработкой (pipelining). При конвейерном режиме передачи фреймов по ненадежному каналу возникает ряд серьезных проблем. Что произойдет, если в середине длинного потока повредится или потеряется фрейм? Большое количество последующих фреймов придет к получателю прежде, чем отправитель обнаружит ошибку. Когда поврежденный фрейм приходит к получателю, он, конечно, должен быть отвергнут. Но что делать получателю со всеми правильными последующими фреймами? Как уже говорилось, получающий канальный уровень обязан передавать пакеты сетевому уровню, соблюдая строгий порядок.