TCP యొక్క రహస్య ఆయుధం: నెట్‌వర్క్ ప్రవాహ నియంత్రణ మరియు నెట్‌వర్క్ రద్దీ నియంత్రణ

నెట్‌వర్క్ రద్దీ నియంత్రణ
కంజెషన్ కంట్రోల్‌ను పరిచయం చేసే ముందు, రిసీవ్ విండో మరియు సెండ్ విండోతో పాటు, కంజెషన్ విండో కూడా ఉంటుందని మనం అర్థం చేసుకోవాలి. పంపేవాడు (సెండర్) రిసీవ్ విండోకు ఏ రేటుతో డేటాను పంపడం ప్రారంభిస్తాడనే సమస్యను పరిష్కరించడానికి ఇది ప్రధానంగా ఉపయోగపడుతుంది. అందువల్ల, కంజెషన్ విండోను కూడా TCP పంపేవాడే నిర్వహిస్తాడు. ఎంత డేటాను పంపడం సముచితమో నిర్ణయించడానికి మనకు ఒక అల్గారిథం అవసరం, ఎందుకంటే చాలా తక్కువ లేదా చాలా ఎక్కువ డేటాను పంపడం ఆదర్శప్రాయం కాదు, అందుకే కంజెషన్ విండో అనే భావన వచ్చింది.

మునుపటి నెట్‌వర్క్ ఫ్లో కంట్రోల్‌లో, పంపేవారు స్వీకరించేవారి కాష్‌ను డేటాతో నింపడాన్ని మనం నివారించాము, కానీ నెట్‌వర్క్‌లో ఏమి జరుగుతుందో మనకు తెలియదు. సాధారణంగా, కంప్యూటర్ నెట్‌వర్క్‌లు ఒక షేర్డ్ వాతావరణంలో ఉంటాయి. ఫలితంగా, ఇతర హోస్ట్‌ల మధ్య కమ్యూనికేషన్ కారణంగా నెట్‌వర్క్ రద్దీ ఏర్పడవచ్చు.

నెట్‌వర్క్ రద్దీగా ఉన్నప్పుడు, పెద్ద సంఖ్యలో ప్యాకెట్‌లను నిరంతరం పంపుతూ ఉంటే, అది ఆలస్యం మరియు ప్యాకెట్ల నష్టం వంటి సమస్యలకు దారితీయవచ్చు. ఈ సమయంలో, TCP డేటాను తిరిగి పంపుతుంది, కానీ ఈ పునఃప్రసారం నెట్‌వర్క్‌పై భారాన్ని పెంచుతుంది, ఫలితంగా మరింత ఆలస్యం మరియు ఎక్కువ ప్యాకెట్ నష్టాలు సంభవిస్తాయి. ఇది ఒక దుష్టచక్రంగా మారి, అంతకంతకూ పెద్దది అవుతూ పోవచ్చు.

అందువల్ల, నెట్‌వర్క్‌లో ఏమి జరుగుతుందో TCP విస్మరించలేదు. నెట్‌వర్క్ రద్దీగా ఉన్నప్పుడు, TCP తాను పంపే డేటా పరిమాణాన్ని తగ్గించడం ద్వారా తనను తాను త్యాగం చేసుకుంటుంది.

అందువల్ల, పంపేవారి నుండి వచ్చే డేటాతో మొత్తం నెట్‌వర్క్‌ను నింపడాన్ని నివారించడమే లక్ష్యంగా, కంజెషన్ కంట్రోల్ ప్రతిపాదించబడింది. పంపేవారు పంపవలసిన డేటా పరిమాణాన్ని నియంత్రించడానికి, TCP కంజెషన్ విండో అనే భావనను నిర్వచిస్తుంది. కంజెషన్ కంట్రోల్ అల్గోరిథం, నెట్‌వర్క్ యొక్క రద్దీ స్థాయికి అనుగుణంగా కంజెషన్ విండో పరిమాణాన్ని సర్దుబాటు చేస్తుంది, తద్వారా పంపేవారు పంపే డేటా పరిమాణాన్ని నియంత్రిస్తుంది.

కంజెషన్ విండో అంటే ఏమిటి? దీనికి సెండ్ విండోతో సంబంధం ఏమిటి?

కంజెషన్ విండో అనేది పంపేవారు నిర్వహించగల ఒక స్టేట్ వేరియబుల్, ఇది పంపేవారు పంపగల డేటా పరిమాణాన్ని నిర్ధారిస్తుంది. నెట్‌వర్క్ యొక్క రద్దీ స్థాయికి అనుగుణంగా కంజెషన్ విండో డైనమిక్‌గా మారుతుంది.

పంపే విండో అనేది పంపేవారు మరియు స్వీకరించేవారి మధ్య అంగీకరించబడిన ఒక విండో పరిమాణం, ఇది స్వీకరించేవారు ఎంత డేటాను స్వీకరించగలరో సూచిస్తుంది. కంజెషన్ విండో మరియు పంపే విండో ఒకదానికొకటి సంబంధం కలిగి ఉంటాయి; పంపే విండో సాధారణంగా కంజెషన్ మరియు స్వీకరించే విండోల కనిష్టానికి సమానంగా ఉంటుంది, అంటే, swnd = min(cwnd, rwnd).

కంజెషన్ విండో cwnd ఈ క్రింది విధంగా మారుతుంది:

నెట్‌వర్క్‌లో రద్దీ లేకపోతే, అంటే రీట్రాన్స్‌మిషన్ టైమ్‌అవుట్ సంభవించకపోతే, కంజెషన్ విండో పెరుగుతుంది.

నెట్‌వర్క్‌లో రద్దీ ఉంటే, కంజెషన్ విండో తగ్గుతుంది.

నిర్దిష్ట సమయంలోగా ACK అంగీకార ప్యాకెట్ అందిందో లేదో గమనించడం ద్వారా పంపేవారు నెట్‌వర్క్ రద్దీగా ఉందో లేదో నిర్ధారిస్తారు. ఒకవేళ పంపేవారు నిర్దిష్ట సమయంలోగా ACK అంగీకార ప్యాకెట్‌ను అందుకోకపోతే, నెట్‌వర్క్ రద్దీగా ఉన్నట్లుగా పరిగణించబడుతుంది.

కంజెషన్ విండోతో పాటు, ఇప్పుడు TCP కంజెషన్ కంట్రోల్ అల్గోరిథం గురించి చర్చించాల్సిన సమయం వచ్చింది. TCP కంజెషన్ కంట్రోల్ అల్గోరిథం మూడు ప్రధాన భాగాలను కలిగి ఉంటుంది:

నెమ్మదిగా ప్రారంభం:ప్రారంభంలో, cwnd కంజెషన్ విండో సాపేక్షంగా చిన్నదిగా ఉంటుంది, మరియు నెట్‌వర్క్ సామర్థ్యానికి త్వరగా అనుగుణంగా మారడానికి సెండర్ కంజెషన్ విండోను ఘాతాంక పద్ధతిలో పెంచుతుంది.
రద్దీ నివారణ:కంజెషన్ విండో ఒక నిర్దిష్ట పరిమితిని దాటిన తర్వాత, పంపేవాడు కంజెషన్ విండో యొక్క పెరుగుదల రేటును తగ్గించడానికి మరియు నెట్‌వర్క్‌పై అధిక భారాన్ని నివారించడానికి కంజెషన్ విండోను సరళ పద్ధతిలో పెంచుతాడు.
వేగవంతమైన కోలుకోవడం:రద్దీ ఏర్పడితే, పంపేవాడు రద్దీ విండోను సగానికి తగ్గించి, స్వీకరించిన డూప్లికేట్ అక్‌ల ద్వారా నెట్‌వర్క్ పునరుద్ధరణ స్థానాన్ని నిర్ధారించడానికి ఫాస్ట్ రికవరీ స్థితిలోకి ప్రవేశించి, ఆపై రద్దీ విండోను పెంచడం కొనసాగిస్తాడు.

నెమ్మదిగా ప్రారంభం
ఒక TCP కనెక్షన్ ఏర్పడినప్పుడు, కంజెషన్ విండో cwnd ప్రారంభంలో కనిష్ట MSS (గరిష్ట సెగ్మెంట్ పరిమాణం) విలువకు సెట్ చేయబడుతుంది. ఈ విధంగా, ప్రారంభ పంపే రేటు సుమారుగా MSS/RTT బైట్లు/సెకను ఉంటుంది. వాస్తవంగా అందుబాటులో ఉన్న బ్యాండ్‌విడ్త్ సాధారణంగా MSS/RTT కంటే చాలా ఎక్కువగా ఉంటుంది, కాబట్టి TCP సరైన పంపే రేటును కనుగొనాలని కోరుకుంటుంది, దీనిని స్లో-స్టార్ట్ ద్వారా సాధించవచ్చు.

స్లో-స్టార్ట్ ప్రక్రియలో, కంజెషన్ విండో cwnd విలువ 1 MSS కు ప్రారంభించబడుతుంది, మరియు ప్రసారం చేయబడిన ప్యాకెట్ సెగ్మెంట్ అంగీకరించబడిన ప్రతిసారీ, cwnd విలువ ఒక MSS పెరుగుతుంది, అంటే, cwnd విలువ 2 MSS అవుతుంది. ఆ తర్వాత, ఒక ప్యాకెట్ సెగ్మెంట్ యొక్క ప్రతి విజయవంతమైన ప్రసారానికి cwnd విలువ రెట్టింపు అవుతుంది, మరియు ఈ విధంగా కొనసాగుతుంది. నిర్దిష్ట పెరుగుదల ప్రక్రియ కింది చిత్రంలో చూపబడింది.

 

అయితే, పంపే రేటు ఎల్లప్పుడూ పెరగదు; ఆ పెరుగుదల ఎప్పుడో ఒకప్పుడు ముగియాల్సిందే. కాబట్టి, పంపే రేటు పెరుగుదల ఎప్పుడు ముగుస్తుంది? స్లో-స్టార్ట్ సాధారణంగా పంపే రేటులోని పెరుగుదలను అనేక విధాలుగా ముగిస్తుంది:

స్లో స్టార్ట్ పంపే ప్రక్రియలో ప్యాకెట్ నష్టం జరగడం మొదటి పద్ధతి. ప్యాకెట్ నష్టం జరిగినప్పుడు, TCP పంపేవారి కంజెషన్ విండో cwndను 1కి సెట్ చేసి, స్లో-స్టార్ట్ ప్రక్రియను పునఃప్రారంభిస్తుంది. ఈ సమయంలో, స్లో స్టార్ట్ థ్రెషోల్డ్ ssthresh అనే భావన ప్రవేశపెట్టబడుతుంది, దీని ప్రారంభ విలువ ప్యాకెట్ నష్టాన్ని కలిగించే cwnd విలువలో సగం ఉంటుంది. అంటే, కంజెషన్‌ను గుర్తించినప్పుడు, ssthresh విలువ విండో విలువలో సగం ఉంటుంది.

రెండవ మార్గం స్లో-స్టార్ట్ థ్రెషోల్డ్ ssthresh విలువతో నేరుగా అనుసంధానించడం. కంజెషన్ గుర్తించినప్పుడు ssthresh విలువ విండో విలువలో సగం ఉంటుంది కాబట్టి, cwnd విలువ ssthresh కంటే ఎక్కువగా ఉన్నప్పుడు, ప్రతి రెట్టింపుతో ప్యాకెట్ నష్టం జరగవచ్చు. అందువల్ల, cwnd విలువను ssthresh కు సెట్ చేయడం ఉత్తమం. దీనివల్ల TCP కంజెషన్ కంట్రోల్ మోడ్‌లోకి మారి, స్లో-స్టార్ట్‌ను ముగిస్తుంది.

స్లో స్టార్ట్ ముగిసే చివరి మార్గం ఏమిటంటే, మూడు అనవసరమైన ACKలు కనుగొనబడినప్పుడు, TCP వేగవంతమైన రీట్రాన్స్‌మిషన్‌ను జరిపి రికవరీ స్థితిలోకి ప్రవేశిస్తుంది. (మూడు ACK ప్యాకెట్లు ఎందుకు ఉన్నాయో స్పష్టంగా లేకపోతే, దానిని రీట్రాన్స్‌మిషన్ మెకానిజంలో విడిగా వివరించడం జరుగుతుంది.)

రద్దీ నివారణ
TCP కంజెషన్ కంట్రోల్ స్థితిలోకి ప్రవేశించినప్పుడు, cwnd విలువ కంజెషన్ థ్రెషోల్డ్ ssthreshలో సగానికి సెట్ చేయబడుతుంది. దీని అర్థం, ఒక ప్యాకెట్ సెగ్మెంట్ అందిన ప్రతిసారీ cwnd విలువ రెట్టింపు అవ్వదు. దానికి బదులుగా, ఒక సాపేక్షంగా సంప్రదాయబద్ధమైన విధానం అనుసరించబడుతుంది, దీనిలో ప్రతి ట్రాన్స్‌మిషన్ పూర్తయిన తర్వాత cwnd విలువ కేవలం ఒక MSS (గరిష్ట ప్యాకెట్ సెగ్మెంట్ పొడవు) మాత్రమే పెంచబడుతుంది. ఉదాహరణకు, 10 ప్యాకెట్ సెగ్మెంట్లు అక్నాలెడ్జ్ చేయబడినప్పటికీ, cwnd విలువ కేవలం ఒక MSS మాత్రమే పెరుగుతుంది. ఇది ఒక లీనియర్ గ్రోత్ మోడల్ మరియు దీని పెరుగుదలకు ఒక ఎగువ పరిమితి కూడా ఉంటుంది. ప్యాకెట్ లాస్ సంభవించినప్పుడు, cwnd విలువ ఒక MSSకి మార్చబడుతుంది మరియు ssthresh విలువ cwndలో సగానికి సెట్ చేయబడుతుంది. లేదా, 3 రిడండెంట్ ACK ప్రతిస్పందనలు అందినప్పుడు ఇది MSS పెరుగుదలను కూడా ఆపివేస్తుంది. cwnd విలువను సగానికి తగ్గించిన తర్వాత కూడా మూడు రిడండెంట్ ACKలు అందినట్లయితే, ssthresh విలువ cwnd విలువలో సగంగా నమోదు చేయబడుతుంది మరియు ఫాస్ట్ రికవరీ స్థితిలోకి ప్రవేశిస్తుంది.

వేగవంతమైన కోలుకోవడం
ఫాస్ట్ రికవరీ స్థితిలో, వరుస క్రమంలో రాని ప్రతి అదనపు ACK కోసం కంజెషన్ విండో cwnd విలువ ఒక MSS చొప్పున పెంచబడుతుంది. నెట్‌వర్క్‌లో విజయవంతంగా ప్రసారం చేయబడిన ప్యాకెట్ విభాగాలను ఉపయోగించుకుని, ప్రసార సామర్థ్యాన్ని సాధ్యమైనంత వరకు మెరుగుపరచడమే దీని ఉద్దేశ్యం.

కోల్పోయిన ప్యాకెట్ సెగ్మెంట్ యొక్క ACK అందినప్పుడు, TCP cwnd విలువను తగ్గించి, ఆపై కంజెషన్ అవాయిడెన్స్ స్థితిలోకి ప్రవేశిస్తుంది. కంజెషన్ విండో పరిమాణాన్ని నియంత్రించడానికి మరియు నెట్‌వర్క్ రద్దీ మరింత పెరగకుండా నివారించడానికి ఇది జరుగుతుంది.

కంజెషన్ కంట్రోల్ స్టేట్ తర్వాత టైమ్‌అవుట్ సంభవిస్తే, నెట్‌వర్క్ పరిస్థితి మరింత తీవ్రమవుతుంది మరియు TCP కంజెషన్ అవాయిడెన్స్ స్టేట్ నుండి స్లో-స్టార్ట్ స్టేట్‌కు మారుతుంది. ఈ సందర్భంలో, కంజెషన్ విండో cwnd విలువను గరిష్ట ప్యాకెట్ సెగ్మెంట్ పొడవు అయిన 1 MSSకు, మరియు స్లో-స్టార్ట్ థ్రెషోల్డ్ ssthresh విలువను cwndలో సగానికి సెట్ చేస్తారు. నెట్‌వర్క్ కోలుకున్న తర్వాత, ట్రాన్స్‌మిషన్ రేటును మరియు నెట్‌వర్క్ రద్దీ స్థాయిని సమతుల్యం చేయడానికి కంజెషన్ విండో పరిమాణాన్ని క్రమంగా తిరిగి పెంచడమే దీని ఉద్దేశ్యం.

సారాంశం
ఒక విశ్వసనీయ రవాణా ప్రోటోకాల్‌గా, TCP సీక్వెన్స్ నంబర్, అంగీకారం, పునఃప్రసార నియంత్రణ, కనెక్షన్ నిర్వహణ మరియు విండో నియంత్రణ ద్వారా విశ్వసనీయ రవాణాను అమలు చేస్తుంది. వీటిలో, ప్రవాహ నియంత్రణ యంత్రాంగం (flow control mechanism), స్వీకర్త యొక్క వాస్తవ స్వీకరణ సామర్థ్యానికి అనుగుణంగా పంపేవారు పంపే డేటా పరిమాణాన్ని నియంత్రిస్తుంది, ఇది నెట్‌వర్క్ రద్దీ మరియు పనితీరు క్షీణత సమస్యలను నివారిస్తుంది. రద్దీ నియంత్రణ యంత్రాంగం (congestion control mechanism), పంపేవారు పంపే డేటా పరిమాణాన్ని సర్దుబాటు చేయడం ద్వారా నెట్‌వర్క్ రద్దీ ఏర్పడకుండా నివారిస్తుంది. రద్దీ విండో (congestion window) మరియు పంపే విండో (sending window) భావనలు ఒకదానికొకటి సంబంధం కలిగి ఉంటాయి, మరియు రద్దీ విండో పరిమాణాన్ని డైనమిక్‌గా సర్దుబాటు చేయడం ద్వారా పంపేవారి వద్ద ఉన్న డేటా పరిమాణం నియంత్రించబడుతుంది. స్లో స్టార్ట్, రద్దీ నివారణ మరియు ఫాస్ట్ రికవరీ అనేవి TCP రద్దీ నియంత్రణ అల్గారిథం యొక్క మూడు ప్రధాన భాగాలు, ఇవి నెట్‌వర్క్ యొక్క సామర్థ్యం మరియు రద్దీ స్థాయికి అనుగుణంగా వివిధ వ్యూహాల ద్వారా రద్దీ విండో పరిమాణాన్ని సర్దుబాటు చేస్తాయి.

తదుపరి విభాగంలో, మనం TCP యొక్క పునఃప్రసార యంత్రాంగాన్ని వివరంగా పరిశీలిద్దాం. విశ్వసనీయ ప్రసారాన్ని సాధించడానికి TCPలో పునఃప్రసార యంత్రాంగం ఒక ముఖ్యమైన భాగం. ఇది కోల్పోయిన, పాడైన లేదా ఆలస్యమైన డేటాను తిరిగి ప్రసారం చేయడం ద్వారా డేటా యొక్క విశ్వసనీయ ప్రసారాన్ని నిర్ధారిస్తుంది. పునఃప్రసార యంత్రాంగం యొక్క అమలు సూత్రం మరియు వ్యూహం తదుపరి విభాగంలో వివరంగా పరిచయం చేయబడి, విశ్లేషించబడతాయి. వేచి ఉండండి!