گلوگاه:کنترل ازدحام

در این مقاله قصد معرفی “گلوگاه” و “ازدحام” را داریم.این تعاریف را از دو منظر سخت افزار و شبکه بررسی کرده و سعی می کنیم که با زبان ساده به سوالات تمامی شما عزیزان پاسخ دهیم.با نظر به اینکه دوستان بسیاری این پرسش را از ما کرده و یا قصد ارتقاء و خرید یک سیستم کامپیوتری را دارند،تصمیم به انتشار یک مقاله جامع گرفته ایم.در اولین بخش از این مطلب شما را با کنترل ازدحام در شبکه آشنا خواهیم کرد.

کنترل ازدحام، (congestion control)، در شبکه شبکه‌های کامپیوتری به مفهوم جلوگیری از تجمع بیش از اندازهٔ داده‌های انتقالی در صف انتظار و در نتیجه از بین رفتن بسته‌ها می‌باشد. ازدحام زمانی رخ می‌دهد که میزان دادهٔ ورودی به گذرگاه داده بیشتر از حد تحمل آن گذرگاه باشد. گلوگاه‌ها بزرگترین منبع ایجاد ازدحام در شبکه‌های اینترنتی می‌باشند. راهکارهایی که برای جلوگیری از ایجاد ازدحام ارائه می‌شوند اکثراً بر اساس کاهش نرخ ارسال داده توسط فرستنده با توجه به ظرفیت رسانهٔ انتقال است. این مفهوم نباید با مفهوم کنترل جریان که جلوگیری فرستنده از مستغرق کردن گیرنده می‌باشد، اشتباه گرفته شود.

الگوریتم کنترل ازدحام

وقتی به بخشی از زیر شبکه تعداد بسیار زیادی بسته تحویل شود کارایی آن کاهش می یابد. به این وضعیت ازدحام «Congestion» گفته می شود. هرگاه تعداد بسته هایی که توسط ماشین های میزبان به زیر شبکه سرازیر می شوند متناسب با ظرفیت حمل زیر شبکه باشد تمام این بسته ها تحویل مقصدشان خواهند شد و تعداد بسته های تحویلی متناسب با تعداد بسته های ارسالی است. ولیکن به محض افزایش بی رویه ترافیک ، مسیریابها قادر نیستند از عهده آن برآمده و بسته ها شروع به از دست رفتن می کنند. این مسئله حادتر نیز می شود و در ترافیک بسیار بالا کارایی بطور کامل سقوط کرده و هیچ بسته ای تحویل مقصد نخواهد شد! چندین عامل می تواند به بروز ازدحام بینجامد. اگر به ناگاه دنباله ای از بسته ها بر روی سه یا چهار خط ورودی دریافت شده و خط خروجی همه آنها یکی باشد صف تشکیل خواهد شد و اگر فضای حافظه کافی برای نگهداری تمام آنها وجود نداشته باشد، بسته ها از بین می روند. پردازنده های کند نیز می توانند عامل بروز ازدحام باشند. اگر پردازنده اصلی مسیریاب در انجام وظایف محوله به خود کند عمل نماید، صف ایجاد می شود، حتی وقتی که ظرفیت خطوط خروجی بیش از حد مورد نیاز است. خطوط با پهنای باند کم نیز می توانند منجر به بروز ازدحام شوند. ارتقاء پهنای باند خطوط بدون تغییر در پردازنده ها یا بالعکس اغلب فایده چندانی ندارد و فقط جای گلوگاه و منشاء مشکل را تغییر می دهد. همچنین ارتقاء کامل یک بخش کوچک بدون تغییر در کل سیستم، فقط محل بروز مشکل و گلوگاه را جابجا می کند و در بهبود کارایی کل سیستم تاثیر چشمگیری نخواهد داشت. مشکل اساسی یک سیستم، عدم تطابق و تناسب بخشهای مختلف آن است. این مشکل تا زمانی که کلیه مولفه های سیستم متعادل نشوند باقی خواهد ماند.

تفاوت بین کنترل ازدحام و کنترل جریان

کنترل ازدحام مکانیزم هایی است جهت ایجاد اطمینان از این که زیر شبکه قادر به حمل ترافیک عرضه شده به آن هست. این مشکل یک مورد همگانی و سراسری است و از رفتار و عملکرد تمام ماشینهای میزبان، کلیه مسیریابها، عملیات پردازشی «ذخیره و هدایت» درون مسیریابها یا هر عامل دیگری که ظرفیت حمل زیر شبکه را کاهش بدهد، ناشی می شود. در مقابل کنترل جریان به ترافیک نقطه به نقطه بین یک فرستنده و گیرنده مفروض مربوط می شود و وظیفه اصلی آن ایجاد اطمینان از این موضوع است که یک فرستنده سریع نمی تواند متوالیا داده ها را با سرعتی بیش از توانایی دریافت گیرنده، ارسال نماید. در کنترل جریان، گزارشها و فیدبکهای مستقیمی از گیرنده به فرستنده ارسال می شود تا به فرستنده طرف مقابل تفهیم کند که کارها را چگونه انجام بدهد.

اصول کلی در کنترل جریان

بسیاری از مشکلات و مسائل سیستم های پیچیده مثل شبکه های کامپیوتری را می توان از دیدگاه نظریه کنترل بررسی کرد. در این روش تمام راه حل ها به دو گروه تقسیم می شوند: 1- حلقه باز 2- حلقه بسته. راه حلهای حلقه باز سعی می کنند یک مسئله را با طراحی خوب حل کرده و از همان ابتدا اطمینان بدهد که مشکلی رخ نخواهد داد. وقتی این سیستم شروع به کار و انجام فعالیت نمود هیچگونه نظارت یا تصحیح عملکرد ممکن نیست.  راه حلهای حلقه بسته مبتنی بر مفهوم حلقه فیدبک هستند. اینگونه راه کارهای کنترل ازدحام سه بخش را در بر می گیرند: 1) نظارت بر سیستم به منظور تشخیص آنکه در کجا و چه وقت ازدحام رخ داده است. 2) تحویل این اطلاعات به محلی که بایستی واکنش نشان بدهد. تنظیم عملکرد سیستم برای رفع مشکل.

سیاستهای پیشگیری از ازدحام

سیاستهای مختلفی که در لایه انتقال، لایه شبکه، لایه پیوند داده می تواند بر پدیده ازدحام تاثیر بگذارد: لایه انتقال:  سیاستهای ارسال مجدد

 سیاستهای ذخیره بسته هایی که خارج از ترتیب می رسند

 سیاستهای تصدیق وصول بسته ها

 سیاستهای کنترل جریان

 تعیین زمان انقضای مهلت تایمرها

لایه شبکه:

مدار مجازی در مقابل روش دیتاگرام در زیر شبکه

 مکانیزمهای صف بندی بسته ها و روشهای متنوع سرویس دهی سیاستهای حذف بسته

الگوریتم مسیریابی

 مدیریت طول عمر بسته ها

لایه پیوند داده:

سیاستهای ارسال مجدد

 سیاستهای ذخیره بسته هایی که خارج از ترتیب می رسند

سیاستهای تصدیق وصول بسته ها

 سیاستهای کنترل جریان