อาวุธลับของ TCP: การควบคุมการไหลของเครือข่ายและการควบคุมความแออัดของเครือข่าย

การควบคุมความแออัดของเครือข่าย
ก่อนที่จะกล่าวถึงการควบคุมความแออัด เราต้องเข้าใจก่อนว่า นอกเหนือจากหน้าต่างรับข้อมูล (Receive Window) และหน้าต่างส่งข้อมูล (Send Window) แล้ว ยังมีหน้าต่างความแออัด (Congestion Window) ซึ่งส่วนใหญ่ใช้เพื่อแก้ปัญหาว่าผู้ส่งเริ่มส่งข้อมูลไปยังหน้าต่างรับข้อมูลในอัตราเท่าใด ดังนั้น หน้าต่างความแออัดจึงถูกดูแลโดยผู้ส่ง TCP ด้วยเช่นกัน เราจำเป็นต้องมีอัลกอริทึมเพื่อตัดสินใจว่าควรส่งข้อมูลมากน้อยเพียงใด เนื่องจาก1การส่งข้อมูลน้อยเกินไปหรือมากเกินไปนั้นไม่เหมาะสม จึงเป็นที่มาของแนวคิดเรื่องหน้าต่างความแออัด

ในการควบคุมการไหลของข้อมูลในเครือข่ายแบบเดิม สิ่งที่เราหลีกเลี่ยงคือการที่ผู้ส่งเติมข้อมูลลงในแคชของผู้รับจนเต็ม แต่เราไม่ทราบว่าเกิดอะไรขึ้นในเครือข่าย โดยทั่วไปแล้ว เครือข่ายคอมพิวเตอร์จะอยู่ในสภาพแวดล้อมแบบใช้ร่วมกัน ดังนั้นจึงอาจเกิดความแออัดของเครือข่ายเนื่องจากการสื่อสารระหว่างโฮสต์อื่นๆ

เมื่อเครือข่ายเกิดความแออัด หากมีการส่งแพ็กเก็ตจำนวนมากอย่างต่อเนื่อง อาจทำให้เกิดปัญหา เช่น ความล่าช้าและการสูญหายของแพ็กเก็ต ในกรณีนี้ TCP จะส่งข้อมูลซ้ำ แต่การส่งซ้ำจะเพิ่มภาระให้กับเครือข่าย ส่งผลให้เกิดความล่าช้าและการสูญหายของแพ็กเก็ตมากขึ้น ซึ่งอาจกลายเป็นวงจรที่เลวร้ายและทวีความรุนแรงขึ้นเรื่อยๆ

ดังนั้น TCP จึงไม่สามารถเพิกเฉยต่อสิ่งที่เกิดขึ้นบนเครือข่ายได้ เมื่อเครือข่ายเกิดความแออัด TCP จะเสียสละตัวเองโดยการลดปริมาณข้อมูลที่ส่งออกไป

ดังนั้น จึงมีการเสนอการควบคุมความแออัด ซึ่งมีเป้าหมายเพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้เครือข่ายทั้งหมดเต็มไปด้วยข้อมูลจากผู้ส่ง เพื่อควบคุมปริมาณข้อมูลที่ผู้ส่งควรส่ง TCP จึงกำหนดแนวคิดที่เรียกว่าหน้าต่างความแออัด (congestion window) อัลกอริทึมควบคุมความแออัดจะปรับขนาดของหน้าต่างความแออัดตามระดับความแออัดของเครือข่าย เพื่อควบคุมปริมาณข้อมูลที่ผู้ส่งส่ง

หน้าต่างควบคุมความแออัดคืออะไร? และเกี่ยวข้องกันอย่างไรกับหน้าต่างส่งข้อมูล?

หน้าต่างควบคุมปริมาณการรับส่งข้อมูล (Congestion Window) เป็นตัวแปรสถานะที่ผู้ส่งใช้กำหนดปริมาณข้อมูลที่ผู้ส่งสามารถส่งได้ หน้าต่างควบคุมปริมาณการรับส่งข้อมูลจะเปลี่ยนแปลงแบบไดนามิกตามระดับความหนาแน่นของเครือข่าย

หน้าต่างการส่ง (Sending Window) คือขนาดหน้าต่างที่ตกลงกันระหว่างผู้ส่งและผู้รับ ซึ่งระบุปริมาณข้อมูลที่ผู้รับสามารถรับได้ หน้าต่างการแออัด (Congestion Window) และหน้าต่างการส่งมีความสัมพันธ์กัน โดยปกติแล้วหน้าต่างการส่งจะมีขนาดเท่ากับค่าต่ำสุดของหน้าต่างการแออัดและหน้าต่างการรับ นั่นคือ swnd = min(cwnd, rwnd)

ค่าหน้าต่างความแออัด cwnd จะเปลี่ยนแปลงดังนี้:

หากไม่มีความแออัดในเครือข่าย กล่าวคือ ไม่มีการหมดเวลาของการส่งซ้ำเกิดขึ้น หน้าต่างความแออัดจะเพิ่มขึ้น

หากเกิดความแออัดในเครือข่าย ค่าหน้าต่างความแออัดจะลดลง

ผู้ส่งจะตรวจสอบว่าเครือข่ายเกิดความแออัดหรือไม่ โดยสังเกตว่าได้รับแพ็กเก็ตยืนยันการรับ (ACK) ภายในเวลาที่กำหนดหรือไม่ หากผู้ส่งไม่ได้รับแพ็กเก็ตยืนยันการรับ (ACK) ภายในเวลาที่กำหนด จะถือว่าเครือข่ายเกิดความแออัด

นอกเหนือจากหน้าต่างการแออัดแล้ว ถึงเวลาที่จะพูดคุยเกี่ยวกับอัลกอริทึมควบคุมการแออัดของ TCP แล้ว อัลกอริทึมควบคุมการแออัดของ TCP ประกอบด้วยสามส่วนหลัก:

เริ่มต้นช้า:ในขั้นต้น ขนาดของหน้าต่างควบคุมความแออัด (cwnd) จะค่อนข้างเล็ก และผู้ส่งจะเพิ่มขนาดของหน้าต่างควบคุมความแออัดขึ้นแบบทวีคูณ เพื่อปรับให้เข้ากับความจุของเครือข่ายได้อย่างรวดเร็ว
การหลีกเลี่ยงความแออัด:เมื่อขนาดของหน้าต่างควบคุมการจราจรเกินเกณฑ์ที่กำหนด ผู้ส่งจะเพิ่มขนาดของหน้าต่างควบคุมการจราจรแบบเชิงเส้น เพื่อชะลออัตราการเติบโตของหน้าต่างควบคุมการจราจรและหลีกเลี่ยงการโอเวอร์โหลดเครือข่าย
ฟื้นตัวเร็ว:หากเกิดความแออัด ผู้ส่งจะลดขนาดหน้าต่างความแออัดลงครึ่งหนึ่งและเข้าสู่สถานะการกู้คืนอย่างรวดเร็วเพื่อกำหนดตำแหน่งการกู้คืนเครือข่ายผ่านการยืนยันการรับซ้ำที่ได้รับ จากนั้นจึงค่อยเพิ่มขนาดหน้าต่างความแออัดขึ้นอีกครั้ง

เริ่มต้นช้า
เมื่อมีการสร้างการเชื่อมต่อ TCP หน้าต่างควบคุมความแออัด (cwnd) จะถูกตั้งค่าเริ่มต้นเป็นค่า MSS (ขนาดส่วนสูงสุด) ขั้นต่ำ ด้วยวิธีนี้ อัตราการส่งข้อมูลเริ่มต้นจะอยู่ที่ประมาณ MSS/RTT ไบต์ต่อวินาที แบนด์วิดท์ที่ใช้งานได้จริงมักจะมากกว่า MSS/RTT มาก ดังนั้น TCP จึงต้องการค้นหาอัตราการส่งข้อมูลที่เหมาะสมที่สุด ซึ่งสามารถทำได้โดยใช้การเริ่มต้นแบบช้า (slow-start)

ในกระบวนการเริ่มต้นช้า (slow-start) ค่าของหน้าต่างความแออัด (congestion window) cwnd จะถูกกำหนดค่าเริ่มต้นเป็น 1 MSS และทุกครั้งที่ส่วนของแพ็กเก็ตที่ส่งไปได้รับการยืนยัน ค่าของ cwnd จะเพิ่มขึ้นทีละ 1 MSS นั่นคือ ค่าของ cwnd จะกลายเป็น 2 MSS หลังจากนั้น ค่าของ cwnd จะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าทุกครั้งที่มีการส่งส่วนของแพ็กเก็ตสำเร็จ และเป็นเช่นนี้เรื่อยไป กระบวนการเติบโตโดยละเอียดแสดงอยู่ในรูปต่อไปนี้

 

อย่างไรก็ตาม อัตราการส่งไม่สามารถเพิ่มขึ้นได้ตลอดเวลา การเติบโตต้องสิ้นสุดลงในที่สุด ดังนั้น การเพิ่มขึ้นของอัตราการส่งจะสิ้นสุดลงเมื่อใด? โดยทั่วไปแล้ว การเริ่มต้นอย่างช้าๆ จะทำให้การเพิ่มขึ้นของอัตราการส่งสิ้นสุดลงด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งดังต่อไปนี้:

วิธีแรกคือกรณีแพ็กเก็ตสูญหายระหว่างกระบวนการส่งข้อมูลแบบ Slow Start เมื่อแพ็กเก็ตสูญหาย TCP จะตั้งค่าหน้าต่างความแออัด (congestion window) cwnd ของผู้ส่งเป็น 1 และเริ่มกระบวนการ Slow Start ใหม่ ในจุดนี้ จะมีการนำแนวคิดของค่าเกณฑ์ Slow Start (ssthresh) มาใช้ โดยค่าเริ่มต้นของ ssthresh จะเป็นครึ่งหนึ่งของค่า cwnd ที่ทำให้เกิดการสูญหายของแพ็กเก็ต กล่าวคือ เมื่อตรวจพบความแออัด ค่าของ ssthresh จะเป็นครึ่งหนึ่งของค่าหน้าต่าง

วิธีที่สองคือการเชื่อมโยงโดยตรงกับค่าเกณฑ์การเริ่มต้นช้า (ssthresh) เนื่องจากค่าของ ssthresh คือครึ่งหนึ่งของค่าหน้าต่างเมื่อตรวจพบความแออัด การสูญหายของแพ็กเก็ตอาจเกิดขึ้นทุกครั้งที่ค่า cwnd เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าเมื่อ cwnd มีค่ามากกว่า ssthresh ดังนั้นจึงควรตั้งค่า cwnd ให้เท่ากับ ssthresh ซึ่งจะทำให้ TCP เปลี่ยนไปใช้โหมดควบคุมความแออัดและยุติการเริ่มต้นช้า

วิธีสุดท้ายที่การเริ่มต้นช้า (slow start) จะสิ้นสุดลงได้คือ หากตรวจพบ ACK ที่ซ้ำซ้อนสามรายการ TCP จะทำการส่งซ้ำอย่างรวดเร็วและเข้าสู่สถานะการกู้คืน (หากไม่เข้าใจว่าทำไมจึงมีแพ็กเก็ต ACK สามรายการ จะมีการอธิบายเพิ่มเติมในส่วนกลไกการส่งซ้ำ)

การหลีกเลี่ยงความแออัด
เมื่อ TCP เข้าสู่สถานะควบคุมความแออัด (congestion control state) ค่า cwnd จะถูกตั้งเป็นครึ่งหนึ่งของค่าเกณฑ์ความแออัด ssthresh หมายความว่าค่า cwnd จะไม่เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าทุกครั้งที่ได้รับส่วนของแพ็กเก็ต แต่จะใช้วิธีการที่ค่อนข้างระมัดระวัง โดยค่า cwnd จะเพิ่มขึ้นเพียงหนึ่ง MSS (ความยาวส่วนของแพ็กเก็ตสูงสุด) หลังจากส่งข้อมูลเสร็จสิ้นแต่ละครั้ง ตัวอย่างเช่น แม้ว่าจะมีการยืนยันส่วนของแพ็กเก็ต 10 ส่วน ค่า cwnd ก็จะเพิ่มขึ้นเพียงหนึ่ง MSS เท่านั้น นี่คือแบบจำลองการเติบโตเชิงเส้นและมีขีดจำกัดสูงสุดของการเติบโตด้วย เมื่อเกิดการสูญหายของแพ็กเก็ต ค่า cwnd จะเปลี่ยนเป็นค่า MSS และค่า ssthresh จะถูกตั้งเป็นครึ่งหนึ่งของ cwnd หรือจะหยุดการเติบโตของ MSS เมื่อได้รับคำตอบ ACK ที่ซ้ำซ้อน 3 ครั้ง หากยังคงได้รับ ACK ที่ซ้ำซ้อนสามครั้งหลังจากลดค่า cwnd ลงครึ่งหนึ่ง ค่า ssthresh จะถูกบันทึกเป็นครึ่งหนึ่งของค่า cwnd และเข้าสู่สถานะการกู้คืนอย่างรวดเร็ว

ฟื้นตัวเร็ว
ในสถานะการกู้คืนอย่างรวดเร็ว (Fast Recovery) ค่าของหน้าต่างความแออัด (congestion window) cwnd จะเพิ่มขึ้นหนึ่ง MSS สำหรับแต่ละ ACK ที่ได้รับซ้ำซ้อน กล่าวคือ ACK ที่ไม่ได้มาถึงตามลำดับ ทั้งนี้เพื่อใช้ประโยชน์จากส่วนของแพ็กเก็ตที่ส่งผ่านเครือข่ายสำเร็จแล้ว เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการส่งข้อมูลให้มากที่สุด

เมื่อได้รับ ACK ของส่วนแพ็กเก็ตที่สูญหายแล้ว TCP จะลดค่าของ cwnd ลง จากนั้นจะเข้าสู่สถานะการหลีกเลี่ยงความแออัด เพื่อควบคุมขนาดของหน้าต่างความแออัดและหลีกเลี่ยงการเพิ่มความแออัดของเครือข่ายต่อไป

หากเกิดการหมดเวลาหลังจากสถานะควบคุมความแออัด เครือข่ายจะมีสภาพที่รุนแรงขึ้น และ TCP จะเปลี่ยนจากสถานะหลีกเลี่ยงความแออัดไปเป็นสถานะเริ่มต้นช้า ในกรณีนี้ ค่าของหน้าต่างความแออัด cwnd จะถูกตั้งค่าเป็น 1 MSS ซึ่งเป็นความยาวส่วนแพ็กเก็ตสูงสุด และค่าของเกณฑ์เริ่มต้นช้า ssthresh จะถูกตั้งค่าเป็นครึ่งหนึ่งของ cwnd จุดประสงค์ของการทำเช่นนี้คือเพื่อค่อยๆ เพิ่มขนาดของหน้าต่างความแออัดอีกครั้งหลังจากที่เครือข่ายฟื้นตัว เพื่อรักษาสมดุลระหว่างอัตราการส่งข้อมูลและระดับความแออัดของเครือข่าย

สรุป
TCP เป็นโปรโตคอลการขนส่งที่เชื่อถือได้ โดยใช้กลไกต่างๆ เช่น หมายเลขลำดับ การยืนยัน การควบคุมการส่งซ้ำ การจัดการการเชื่อมต่อ และการควบคุมหน้าต่าง ในบรรดากลไกเหล่านี้ กลไกการควบคุมการไหลจะควบคุมปริมาณข้อมูลที่ผู้ส่งส่งตามความสามารถในการรับข้อมูลจริงของผู้รับ ซึ่งจะช่วยหลีกเลี่ยงปัญหาความแออัดของเครือข่ายและประสิทธิภาพการทำงานที่ลดลง ส่วนกลไกการควบคุมความแออัดจะช่วยป้องกันการเกิดความแออัดของเครือข่ายโดยการปรับปริมาณข้อมูลที่ผู้ส่งส่ง แนวคิดของหน้าต่างความแออัดและหน้าต่างการส่งมีความสัมพันธ์กัน และปริมาณข้อมูลที่ผู้ส่งจะถูกควบคุมโดยการปรับขนาดของหน้าต่างความแออัดแบบไดนามิก การเริ่มต้นช้า การหลีกเลี่ยงความแออัด และการกู้คืนอย่างรวดเร็ว เป็นสามส่วนหลักของอัลกอริทึมการควบคุมความแออัดของ TCP ซึ่งจะปรับขนาดของหน้าต่างความแออัดผ่านกลยุทธ์ต่างๆ เพื่อให้เข้ากับความจุและระดับความแออัดของเครือข่าย

ในส่วนถัดไป เราจะมาพิจารณากลไกการส่งซ้ำของ TCP อย่างละเอียด กลไกการส่งซ้ำเป็นส่วนสำคัญของ TCP เพื่อให้การส่งข้อมูลมีความน่าเชื่อถือ โดยจะช่วยให้มั่นใจได้ว่าข้อมูลจะถูกส่งอย่างน่าเชื่อถือด้วยการส่งข้อมูลที่สูญหาย เสียหาย หรือล่าช้าซ้ำอีกครั้ง หลักการและกลยุทธ์การทำงานของกลไกการส่งซ้ำจะถูกนำเสนอและวิเคราะห์อย่างละเอียดในส่วนถัดไป โปรดติดตาม!