อาวุธลับของ TCP: การควบคุมการไหลของเครือข่ายและการควบคุมความแออัดของเครือข่าย

การควบคุมความแออัดของเครือข่าย
ก่อนที่จะนำการควบคุมความแออัดมาใช้ เราจำเป็นต้องเข้าใจว่านอกเหนือจากหน้าต่างรับและหน้าต่างส่งแล้ว ยังมีหน้าต่างความแออัดด้วย ซึ่งส่วนใหญ่ใช้เพื่อแก้ปัญหาว่าผู้ส่งเริ่มส่งข้อมูลไปยังหน้าต่างรับในอัตราใด ดังนั้น หน้าต่างความแออัดจึงได้รับการดูแลโดยผู้ส่ง TCP ด้วย เราจำเป็นต้องมีอัลกอริทึมเพื่อตัดสินใจว่าข้อมูลจำนวนเท่าใดจึงจะเหมาะสมที่จะส่ง เนื่องจากการส่งข้อมูลน้อยเกินไปหรือมากเกินไปนั้นไม่เหมาะสม ดังนั้นจึงมีแนวคิดของหน้าต่างความแออัด

ในการควบคุมการไหลของเครือข่ายก่อนหน้านี้ สิ่งที่เราหลีกเลี่ยงคือผู้ส่งที่เติมข้อมูลลงในแคชของผู้รับ แต่เราไม่ทราบว่าเกิดอะไรขึ้นในเครือข่าย โดยทั่วไป เครือข่ายคอมพิวเตอร์จะอยู่ในสภาพแวดล้อมที่ใช้ร่วมกัน ส่งผลให้อาจเกิดความแออัดของเครือข่ายเนื่องจากการสื่อสารระหว่างโฮสต์อื่น

เมื่อเครือข่ายติดขัด หากมีการส่งแพ็กเก็ตจำนวนมากอย่างต่อเนื่อง อาจทำให้เกิดปัญหาต่างๆ เช่น ความล่าช้าและการสูญหายของแพ็กเก็ต เมื่อถึงจุดนี้ TCP จะส่งข้อมูลซ้ำ แต่การส่งซ้ำจะเพิ่มภาระให้กับเครือข่าย ส่งผลให้เกิดความล่าช้าและการสูญเสียแพ็กเก็ตมากขึ้น ซึ่งอาจกลายเป็นวงจรอุบาทว์และใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ

ดังนั้น TCP จึงไม่สามารถละเลยสิ่งที่เกิดขึ้นบนเครือข่ายได้ เมื่อเครือข่ายเกิดความแออัด TCP จะเสียสละตัวเองโดยลดปริมาณข้อมูลที่ส่ง

ดังนั้นจึงมีการเสนอวิธีควบคุมความแออัด ซึ่งมุ่งหวังที่จะหลีกเลี่ยงการเติมข้อมูลของผู้ส่งลงในเครือข่ายทั้งหมด เพื่อควบคุมปริมาณข้อมูลที่ผู้ส่งควรส่ง TCP จึงกำหนดแนวคิดที่เรียกว่าหน้าต่างความแออัด อัลกอริธึมการควบคุมความแออัดจะปรับขนาดของหน้าต่างความแออัดตามระดับความแออัดของเครือข่าย เพื่อควบคุมปริมาณข้อมูลที่ผู้ส่งส่ง

Congestion window คืออะไร เกี่ยวข้องกับหน้าต่างการส่งอย่างไร

Congestion Window คือตัวแปรสถานะที่ผู้ส่งดูแล โดยจะกำหนดปริมาณข้อมูลที่ผู้ส่งสามารถส่งได้ Congestion Window จะเปลี่ยนแปลงแบบไดนามิกตามระดับความแออัดของเครือข่าย

Sending Window คือขนาดหน้าต่างที่ตกลงกันระหว่างผู้ส่งและผู้รับ ซึ่งระบุปริมาณข้อมูลที่ผู้รับสามารถรับได้ หน้าต่างความแออัดและหน้าต่างการส่งมีความเกี่ยวข้องกัน โดยทั่วไปแล้ว หน้าต่างการส่งจะเท่ากับค่าต่ำสุดของหน้าต่างความแออัดและหน้าต่างการรับ นั่นคือ swnd = min(cwnd, rwnd)

หน้าต่างความแออัด cwnd เปลี่ยนแปลงดังนี้:

ถ้าไม่มีการติดขัดในเครือข่าย กล่าวคือ ไม่มีการหมดเวลาการส่งข้อมูลซ้ำ หน้าต่างการติดขัดจะเพิ่มขึ้น

หากเกิดการติดขัดในเครือข่าย หน้าต่างความติดขัดจะลดลง

ผู้ส่งจะพิจารณาว่าเครือข่ายติดขัดหรือไม่โดยสังเกตว่าได้รับแพ็กเก็ตยืนยัน ACK ภายในเวลาที่กำหนดหรือไม่ หากผู้ส่งไม่ได้รับแพ็กเก็ตยืนยัน ACK ภายในเวลาที่กำหนด จะถือว่าเครือข่ายติดขัด

นอกจากหน้าต่างความแออัดแล้ว ก็ได้เวลามาพูดคุยถึงอัลกอริทึมการควบคุมความแออัดของ TCP อัลกอริทึมการควบคุมความแออัดของ TCP ประกอบด้วยสามส่วนหลัก:

การเริ่มต้นช้า:ในช่วงแรก หน้าต่างความแออัดของเครือข่ายจะค่อนข้างเล็ก และผู้ส่งจะเพิ่มหน้าต่างความแออัดขึ้นแบบทวีคูณเพื่อให้ปรับตัวเข้ากับความจุของเครือข่ายได้อย่างรวดเร็ว
การหลีกเลี่ยงความแออัด:หลังจากหน้าต่างความแออัดเกินเกณฑ์บางอย่าง ผู้ส่งจะเพิ่มหน้าต่างความแออัดในลักษณะเชิงเส้นเพื่อลดอัตราการเติบโตของหน้าต่างความแออัดและหลีกเลี่ยงการโอเวอร์โหลดของเครือข่าย
การกู้คืนอย่างรวดเร็ว:หากเกิดความแออัด ผู้ส่งจะแบ่งหน้าต่างความแออัดออกเป็นสองส่วน และเข้าสู่สถานะการกู้คืนอย่างรวดเร็ว เพื่อระบุตำแหน่งของการกู้คืนเครือข่ายผ่านการยืนยันข้อมูลซ้ำซ้อนที่ได้รับ จากนั้นจึงขยายหน้าต่างความแออัดต่อไป

การเริ่มต้นช้า
เมื่อสร้างการเชื่อมต่อ TCP หน้าต่างความแออัด cwnd จะถูกตั้งค่าเป็นค่า MSS ขั้นต่ำ (ขนาดเซกเมนต์สูงสุด) ในตอนแรก วิธีนี้ทำให้อัตราการส่งเริ่มต้นอยู่ที่ประมาณไบต์ MSS/RTT ต่อวินาที แบนด์วิดท์ที่พร้อมใช้งานจริงมักจะมากกว่า MSS/RTT มาก ดังนั้น TCP จึงต้องการค้นหาอัตราการส่งที่เหมาะสม ซึ่งสามารถทำได้โดยใช้การเริ่มต้นแบบช้า

ในกระบวนการเริ่มต้นช้า ค่าของหน้าต่างความแออัด cwnd จะถูกตั้งค่าเริ่มต้นเป็น 1 MSS และทุกครั้งที่มีการยอมรับเซกเมนต์แพ็กเก็ตที่ส่งออก ค่าของ cwnd จะเพิ่มขึ้นหนึ่ง MSS นั่นคือ ค่าของ cwnd จะกลายเป็น 2 MSS หลังจากนั้น ค่าของ cwnd จะเพิ่มเป็นสองเท่าสำหรับการส่งเซกเมนต์แพ็กเก็ตที่ประสบความสำเร็จแต่ละครั้ง และเป็นเช่นนี้ต่อไป กระบวนการเติบโตที่เฉพาะเจาะจงจะแสดงไว้ในรูปต่อไปนี้

 

อย่างไรก็ตาม อัตราการส่งไม่สามารถเพิ่มขึ้นได้เสมอไป การเติบโตนั้นจะต้องสิ้นสุดลงในสักวันหนึ่ง ดังนั้น การเพิ่มขึ้นของอัตราการส่งจะสิ้นสุดลงเมื่อใด การเริ่มต้นช้ามักจะยุติการเพิ่มขึ้นของอัตราการส่งด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งจากหลายวิธีดังต่อไปนี้

วิธีแรกคือกรณีของการสูญเสียแพ็กเก็ตระหว่างกระบวนการส่งที่มีการเริ่มต้นช้า เมื่อเกิดการสูญเสียแพ็กเก็ต TCP จะตั้งค่าหน้าต่างความแออัดของผู้ส่ง cwnd เป็น 1 และเริ่มกระบวนการเริ่มต้นช้าใหม่ ณ จุดนี้ แนวคิดของเกณฑ์การเริ่มต้นช้า ssthresh จะถูกนำเสนอ ซึ่งค่าเริ่มต้นคือครึ่งหนึ่งของค่า cwnd ที่สร้างการสูญเสียแพ็กเก็ต นั่นคือ เมื่อตรวจพบความแออัด ค่าของ ssthresh จะเป็นครึ่งหนึ่งของค่าหน้าต่าง

วิธีที่สองคือการเชื่อมโยงโดยตรงกับค่าเกณฑ์การเริ่มต้นช้า ssthresh เนื่องจากค่าของ ssthresh เท่ากับครึ่งหนึ่งของค่าหน้าต่างเมื่อตรวจพบความแออัด จึงอาจเกิดการสูญเสียแพ็กเก็ตได้ทุกครั้งที่มีการเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าเมื่อ cwnd มีค่ามากกว่า ssthresh ดังนั้น จึงควรตั้งค่า cwnd เป็น ssthresh ซึ่งจะทำให้ TCP สลับไปที่โหมดควบคุมความแออัดและสิ้นสุดการเริ่มต้นช้า

วิธีสุดท้ายที่สามารถยุติการเริ่มต้นช้าได้คือ หากตรวจพบการตอบรับซ้ำซ้อนสามครั้ง TCP จะดำเนินการส่งสัญญาณซ้ำอย่างรวดเร็วและเข้าสู่สถานะการกู้คืน (หากไม่ชัดเจนว่าทำไมจึงมีแพ็กเก็ต ACK สามแพ็กเก็ต เราจะอธิบายแยกกันในกลไกการส่งสัญญาณซ้ำ)

การหลีกเลี่ยงความแออัด
เมื่อ TCP เข้าสู่สถานะควบคุมความแออัด cwnd จะถูกตั้งค่าเป็นครึ่งหนึ่งของเกณฑ์ความแออัด ssthresh ซึ่งหมายความว่าค่าของ cwnd ไม่สามารถเพิ่มเป็นสองเท่าได้ทุกครั้งที่ได้รับเซกเมนต์ของแพ็กเก็ต แทนที่จะเป็นเช่นนั้น จะใช้แนวทางที่ค่อนข้างอนุรักษ์นิยม ซึ่งค่าของ cwnd จะเพิ่มขึ้นเพียงหนึ่ง MSS (ความยาวเซกเมนต์ของแพ็กเก็ตสูงสุด) หลังจากการส่งแต่ละครั้งเสร็จสิ้น ตัวอย่างเช่น แม้ว่าจะมีการยอมรับเซกเมนต์ของแพ็กเก็ต 10 เซกเมนต์ ค่าของ cwnd จะเพิ่มขึ้นเพียงหนึ่ง MSS เท่านั้น นี่คือโมเดลการเติบโตเชิงเส้นและยังมีขอบเขตบนของการเติบโตอีกด้วย เมื่อเกิดการสูญเสียแพ็กเก็ต ค่าของ cwnd จะเปลี่ยนเป็น MSS และค่าของ ssthresh จะถูกตั้งค่าเป็นครึ่งหนึ่งของ cwnd หรือจะหยุดการเติบโตของ MSS เมื่อได้รับการตอบสนอง ACK ซ้ำซ้อน 3 ครั้ง หากยังได้รับการตอบรับซ้ำซ้อนสามครั้งหลังจากลดค่า cwnd ลงครึ่งหนึ่ง ค่าของ ssthresh จะถูกบันทึกเป็นครึ่งหนึ่งของค่า cwnd และเข้าสู่สถานะการกู้คืนอย่างรวดเร็ว

การกู้คืนอย่างรวดเร็ว
ในสถานะการกู้คืนอย่างรวดเร็ว ค่าของหน้าต่างความแออัด cwnd จะเพิ่มขึ้นหนึ่ง MSS สำหรับ ACK ซ้ำซ้อนที่ได้รับแต่ละรายการ นั่นคือ ACK ที่ไม่มาถึงตามลำดับ นี่คือการใช้ประโยชน์จากเซกเมนต์แพ็กเก็ตที่ส่งสำเร็จในเครือข่ายเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพในการส่งข้อมูลให้ได้มากที่สุด

เมื่อได้รับ ACK ของเซกเมนต์แพ็กเก็ตที่สูญหาย TCP จะลดค่าของ cwnd จากนั้นจึงเข้าสู่สถานะหลีกเลี่ยงความแออัด ซึ่งเป็นการควบคุมขนาดของหน้าต่างความแออัดและหลีกเลี่ยงการเพิ่มความแออัดของเครือข่ายเพิ่มเติม

หากเกิดการหมดเวลาหลังจากสถานะควบคุมความแออัด สภาพเครือข่ายจะยิ่งร้ายแรงขึ้น และ TCP จะย้ายจากสถานะหลีกเลี่ยงความแออัดไปเป็นสถานะเริ่มต้นช้า ในกรณีนี้ ค่าของหน้าต่างความแออัด cwnd จะถูกตั้งเป็น 1 MSS ความยาวเซกเมนต์แพ็กเก็ตสูงสุด และค่าของเกณฑ์การเริ่มต้นช้า ssthresh จะถูกตั้งเป็นครึ่งหนึ่งของ cwnd จุดประสงค์ของสิ่งนี้คือเพื่อเพิ่มขนาดหน้าต่างความแออัดอีกครั้งอย่างค่อยเป็นค่อยไปหลังจากที่เครือข่ายฟื้นตัวเพื่อสร้างสมดุลระหว่างอัตราการส่งข้อมูลและระดับความแออัดของเครือข่าย

สรุป
ในฐานะโปรโตคอลการขนส่งที่เชื่อถือได้ TCP ใช้การขนส่งที่เชื่อถือได้โดยใช้หมายเลขลำดับ การรับทราบ การควบคุมการส่งซ้ำ การจัดการการเชื่อมต่อ และการควบคุมหน้าต่าง ในบรรดานั้น กลไกการควบคุมการไหลจะควบคุมปริมาณข้อมูลที่ส่งโดยผู้ส่งตามความจุการรับจริงของผู้รับ ซึ่งหลีกเลี่ยงปัญหาความแออัดของเครือข่ายและการเสื่อมประสิทธิภาพ กลไกการควบคุมความแออัดจะหลีกเลี่ยงการเกิดความแออัดของเครือข่ายโดยการปรับปริมาณข้อมูลที่ส่งโดยผู้ส่ง แนวคิดของหน้าต่างความแออัดและหน้าต่างการส่งมีความเกี่ยวข้องกัน และปริมาณข้อมูลที่ผู้ส่งจะถูกควบคุมโดยการปรับขนาดหน้าต่างความแออัดแบบไดนามิก การเริ่มต้นช้า การหลีกเลี่ยงความแออัด และการกู้คืนอย่างรวดเร็วเป็นสามส่วนหลักของอัลกอริทึมการควบคุมความแออัดของ TCP ซึ่งปรับขนาดหน้าต่างความแออัดผ่านกลยุทธ์ต่างๆ เพื่อปรับให้เข้ากับความจุและระดับความแออัดของเครือข่าย

ในหัวข้อถัดไป เราจะมาศึกษากลไกการส่งข้อมูลซ้ำของ TCP อย่างละเอียด กลไกการส่งข้อมูลซ้ำเป็นส่วนสำคัญของ TCP ที่ช่วยให้การส่งข้อมูลมีความน่าเชื่อถือ กลไกนี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่าข้อมูลจะถูกส่งต่อได้อย่างน่าเชื่อถือโดยการส่งข้อมูลที่สูญหาย เสียหาย หรือล่าช้าซ้ำ หลักการและกลยุทธ์การใช้งานของกลไกการส่งข้อมูลซ้ำจะได้รับการแนะนำและวิเคราะห์อย่างละเอียดในหัวข้อถัดไป โปรดติดตาม!