Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn

Chia sẻ: Khinh Kha Kha | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:17

0
157
lượt xem
72
download

Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN 3.1 Giới thiệu chương Trong chương này, chúng ta sẽ hệ thống hóa lại một số phương pháp điều khiển tắc nghẽn điển hình nhất, phân tích đánh giá chúng dựa trên cơ sở những tiêu chí đã đề xuất trong chương 2. Đó là các phương pháp điều khiển tắc nghẽn truyền thống như DECbit, và một vài phương pháp mới như EWA, ETCP, FBA- TCP, QSTCP để cải thiện hiệu suất hoạt động mạng. Trong đó đặc biệt đi sâu vào phương pháp điều khiển tắc nghẽn sử dụng TCP phổ biến...

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn

  1. Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn www.4tech.com.vn Chương 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN 3.1 Giới thiệu chương Trong chương này, chúng ta sẽ hệ thống hóa lại một số phương pháp điều khiển tắc nghẽn điển hình nhất, phân tích đánh giá chúng dựa trên cơ sở những tiêu chí đã đề xuất trong chương 2. Đó là các phương pháp điều khiển tắc nghẽn truyền thống như DECbit, và một vài phương pháp mới như EWA, ETCP, FBA- TCP, QS- TCP để cải thiện hiệu suất hoạt động mạng. Trong đó đặc biệt đi sâu vào phương pháp điều khiển tắc nghẽn sử dụng TCP phổ biến hiện nay (đặc biệt là trong mạng Internet) và XCP là ứng cử viên cho mạng dựa trên cơ sở IP sau này. 3.2 Một số phương pháp điều khiển tắc nghẽn truyền thống 3.2.1 DECbit DECbit là một trong các mô hình điều khiển tắc nghẽn sớm nhất. Phương pháp này sử dụng phản hồi Nn. Trong DECbit, mạng cung cấp thông tin phản hồi cho phép phía gởi điều chỉnh lưu lượng vào mạng. Các bộ định tuyến giám sát kích thước trung bình của hàng đợi trong khoảng thời gian được định nghĩa. Nếu độ dài trung bình của bộ đệm vượt quá ngưỡng (threshold) thì bộ định tuyến thiết lập một bit chỉ dẫn chống tắc nghẽn (gọi là DECbit) trong các gói tin để thông báo sự tắc nghẽn của mạng. Phía nhận gởi lại bit này trong thông báo nhận được đến phía gởi. Phía gởi giám sát các bit chỉ dẫn chống tắc nghẽn này để điều chỉnh kích thước của cửa sổ gởi như sau: Nếu xảy ra tắc nghẽn thì giảm đi theo phép nhân (nhân với 0,875), trong trường hợp ngược lại thì kích thước cửa sổ được tăng lên theo phép cộng. DECbit là phương pháp khá đơn giản và hữu hiệu. Tuy nhiên, căn cứ vào các tiêu chí nêu trên thì thuật toán này không đạt được tính hiệu quả vì lưu lượng bị gạt bỏ đáng kể (qua hệ số 0,875) dẫn đến thông lượng rất thấp. Ngoài ra, các tiêu chí về 34
  2. Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn www.4tech.com.vn tính bình đẳng, độ hội tụ, độ mịn điều khiển cũng không đạt được. Thuật toán không phù hợp cho các ứng dụng mới trong NGN. 3.2.2 Điều khiển chống tắc nghẽn trong TCP TCP (Transmission Control Protocol) [11] là giao thức phổ biến nhất hiện nay cho truyền dữ liệu tin cậy trên Internet. Ngoài điều khiển chống tắc nghẽn ra, nó còn thực hiện chức năng khôi phục dữ liệu đã mất và quản lý kết nối. Điều khiển chống tắc nghẽn trong TCP thuộc loại điều khiển vòng kín phản hồi N TCP dựa n, vào mất gói để phát hiện tắc nghẽn. Nó có 2 cơ cấu để phát hiện ra mất gói. Đầu tiên, khi gói được gởi, phía gởi TCP khởi tạo bộ định thời. Nếu bộ định thời hết hiệu lực trước khi gói được xác nhận, TCP xem như gói bị mất. Thứ 2, khi phía nhận TCP nhận gói không đúng trật tự. Nó gởi xác nhận ACK cho gói mà nó nhận gần nhất. Ví dụ, giả sử phía nhận nhận gói từ 1 đến 5, và gói 6 bị mất. Khi phía nhận nhận gói 7, nó gởi dupack cho gói 5. Phía gởi TCP xét các sự tới của 3 bản sao phúc đáp (3 dupack) như dấu hiệu của 1 gói mất. Kết nối TCP qua 2 pha: khởi đầu chậm và pha AIMD. Hình 3.1 cho ta thấy quỹ đạo điển hình của cửa sổ chống tắc nghẽn. Khởi đầu chậm: TCP đi vào mô hình khởi đầu chậm khi bắt đầu kết nối. Trong suốt quá trình khởi đầu chậm, phía gởi tăng tốc độ gởi theo hàm mũ. Cụ thể, khi bắt đầu khởi đầu chậm cửa sổ tắc nghẽn thiết lập là 1 đoạn, là MSS khởi tạo bởi phía gởi trong suốt giai đoạn thiết lập kết nối. Do đó, phía gởi gởi 1 đoạn và đợi cho tới khi phía nhận xác nhận nó. Một khi ACK đến phía gởi, phía gởi tăng cửa sổ chống tắc nghẽn của nó bởi 1, gởi 2 đoạn, và đợi ACK tương ứng. Mỗi khi ack đến, phía gởi có thể gởi 2 đoạn, 4 đoạn, ... gấp đôi lên dẫn đến tăng theo hàm mũ của cửa sổ chống tắc nghẽn. TCP thoát khỏi khởi đầu chậm khi đoạn bị mất. Khi đó phía gởi giảm cửa sổ tắc nghẽn đi 1 nửa và đi vào giai đoạn AIMD. 35
  3. Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn www.4tech.com.vn Cửa sổ tắc nghẽn AIMD (tăng tuyến tính) Cửa sổ giảm 1 Khởi đầu nửa khi phát Cửa sổ bằng chậm (tăng hiện tắc nghẽn 1 khi hết thời theo hàm mũ) gian chở Thời gian Hình 3.1 Cửa sổ tắc nghẽn AIMD: Trong mô hình này, miễn là không có đoạn nào bị mất, phía gởi TCP tăng cửa sổ tắc nghẽn của nó bởi 1 MSS mỗi RTT. Khi gói bị mất, TCP giảm cửa sổ tắc nghẽn đi một nửa. Như kết quả, thông lượng biểu thị 1 dãy tăng cộng theo sau bởi giảm nhân. Trạng thái này thường được xem như “TCP sawtooth” hình 3.1. Điều khiển chống tắc nghẽn trong TCP có những nhược điểm cơ bản là: • Thông tin phản hồi là N và vì vậy cửa sổ gửi luôn giảm đi một nửa khi xảy n ra tắc nghẽn là không thực sự hiệu quả. • TCP không chia sẻ thông tin điều khiển, vì vậy các kết nối cùng một thời điểm đến cùng một đích (một trường hợp thường xảy ra với lưu lượng web) sẽ phải cạnh tranh, thay vì phối hợp để sử dụng băng thông mạng một cách hợp lý. • Đối với mạng đa dịch vụ, thuật toán điều khiển chống tắc nghẽn của TCP không đem lại tính bình đẳng cần thiết cho các ứng dụng. • Đối với mạng có lưu lượng biến đổi động, biến đổi nhanh, điều khiển tắc nghẽn của TCP tỏ ra bất ổn định và không hội tụ [5] 36
  4. Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn www.4tech.com.vn 3.3 Một số phương pháp điều khiển tắc nghẽn mới 3.3.1 EWA (Explicit Window Adaptation) và FEWA (Fuzzy EWA) Phương pháp EWA [10] (Explicit Window Adaptation) dùng thông báo một cách rõ ràng đến phía gởi về băng thông còn khả dụng của các đường ra bằng cách sử dụng cơ chế điều khiển lưu lượng giống như trong TCP để truyền thông tin phản hồi từ các bộ định tuyến đến phía gởi. Sau mỗi khoảng đo i với thời gian tồn tại không đổi phụ thuộc vào băng thông của tuyến mà router có khả năng EWA được nối, chẳng hạn, 10ms, router với khả năng EWA đo độ dài hàng đợi hiện thời của nó Qi và tính toán độ dài hàng trung bình hiện thời Q i . Qi , Q i và độ dài hàng trung bình trước đó Qi −1 được dùng để tính toán cửa sổ gởi mới cho mỗi kết nối TCP đi qua router: Cửa sổ gởi = max{MSS ,α . log 2 (B − Qi ).MSS } (3.1) Trong đó, B là độ dài hàng lớn nhất trong router (tức là, tại cùng 1 thời điểm nhiều nhất B+1 gói có thể lưu trữ và được chuyển đi trong router), MSS là kích cỡ đoạn của tất cả các kết nối TCP đi qua router, và α là hệ số động được tính toán như trong phần sau. B và Qi được biểu diễn theo số gói và MSS được biểu diễn theo số byte. Biểu thức thuật toán trong (3.1) được giới thiệu để phản ánh kết nối TCP với khởi đầu chậm và có thể gởi nhiều hơn 2 lần số đoạn trong khoảng thời gian vòng truyền kế tiếp (RTT- Round Trip Time). Hệ số α có thể thay đổi trong đẳng thức (3.1) được giới thiệu để sử dụng tốt đường truyền nếu chỉ 1 vài kết nối TCP được truyền đoạn qua router. α được cập nhật mỗi milli giây như sau: ⎧α + ωup Nếu Qi < ngưỡng dưới ( ) α = f α , Qi = ⎨ (3.2) ⎩α .ω down Nếu Q i > ngưỡng trên với 127 1 Qi = Q i −1 + Qi (3.3) 128 128 Giá trị khởi tạo của hệ số sử dụng α được thiết lập là 1, tham số ωup ( để tăng cộng) và ω down (để giảm bằng cách nhân với α ) được thiết lập lần lượt là 1/8 và 37
  5. Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn www.4tech.com.vn 31/32, độ dài hàng đợi ngưỡng dưới và ngưỡng trên trung bình được thiết lập đến 20% và 60% của độ dài hàng B. Cửa sổ gởi đã tính toán được truyền đến mỗi TCP phía gởi bằng cách hiệu chỉnh cửa sổ thông báo phía nhận trong xác nhận TCP. Router (có khả năng TCP) chỉ giảm cửa sổ khi cần thiết, nhưng không tăng để duy trì điều khiển luồng điểm nối điểm của TCP. Cửa sổ gởi = min{cửa sổ gởi, cửa sổ thông báo phía nhận} (3.4) Với thông tin phản hồi tắc nghẽn rõ, TCP phía gởi có thể phản ứng lại thích hợp với tải hiện thời trong router hơn nó có thể với cơ cấu khác, chẳng hạn, ECN (Explicit Congestion Notigication) [9] hay RED (Random Early Detection) [4]. EWA cho thấy các kết quả hoạt động tốt trong các bộ định tuyến có tải lớn, nhưng có một số vấn đề trong các bộ định tuyến hoạt động ở dưới mức tải trong hầu hết thời gian. Lý do nằm ở việc tính toán α, nó đặt quá nhiều vào trọng tải trước đó của bộ định tuyến, vì vậy không thể phản ứng lại đủ nhanh đối với những thay đổi lớn của các điều kiện tải. Chính vì hạn chế đó EWA mờ (FEWA – Fuzzy EWA) [10] đã phát triển, khác với EWA cũ chủ yếu ở việc tính toán α. FEWA sử dụng một bộ điều khiển mờ để tính α dựa theo giá trị hiện tại và một giá trị gần nhất của bộ đệm bộ định tuyến. Với các thay đổi này trong việc tính toán phản hồi bên trong bộ định tuyến, hiệu suất từ đầu cuối đến đầu cuối có thể đạt được lớn hơn so với EWA. 3.3.2 ETCP (Enhanced TCP) Ý tưởng của ETCP [10] là sử dụng phản hồi FEWA (dựa trên sự điều khiển thích ứng lưu lượng-AWND) để tính cửa sổ gởi mới (SWND). ETCP phía gởi không thực hiện chu trình bắt đầu chậm (slow start) và tránh tắc nghẽn (congestion avoidance), mà bắt đầu với 1 cửa sổ gởi khởi tạo và cập nhật cửa sổ gởi theo các cách sau: - Nếu cửa sổ gởi hiện tại lớn hơn cửa sổ điều khiển lưu lượng thì cửa sổ gởi mới được thiết lập bằng cửa sổ điều khiển lưu lượng: SWND ← AWND 38
  6. Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn www.4tech.com.vn - Nếu cửa sổ gởi hiện tại nhỏ hơn cửa sổ điều khiển lưu lượng thì cửa sổ gởi được tính như sau: SWND ← SWND.( AWND / SWND )1 / SWND Với tính toán này cửa sổ của phía gởi ETCP được tăng theo hàm mũ để tiệm cận với cửa sổ điều khiển lưu lượng. Với các thay đổi nhỏ này có thể thu được sự cải thiện đáng kể về khả năng thực hiện. 3.3.3 XCP (Explicit Control Protocol) XCP [6] là giao thức truyền thông liên quan đến TCP. Không như TCP, XCP cung cấp phản hồi chống tắc nghẽn rõ từ router có khả năng XCP đến XCP phía gởi. Do đó, XCP phía gởi có thể điều khiển cửa sổ gởi thích hợp hơn để đạt được tính hiệu quả, bình đẳng, điều khiển tắc nghẽn có thể mở rộng qui mô và ổn định trong toàn mạng. Thuật toán điều khiển chống tắc nghẽn phản hồi trong router có khả năng XCP được phân thành 2 phần: thuật toán hiệu quả và bình đẳng. Với phương pháp này, tính hiệu quả và tính bình đẳng giữa các kết nối XCP trong 1 router có thể được quản lý 1 cách tách biệt nhau. 3.3.3.1 Mào đầu chống tắc nghẽn. Mỗi gói dữ liệu của 1 kết nối XCP mang theo phần mào đầu chống tắc nghẽn (CH) hình 3.2. Hai giá trị đầu tiên, H_cwnd và H_rtt, được thiết lập bởi XCP phía gởi là cửa sổ chống tắc nghẽn hiện thời và RTT ước lượng hiện thời và giữ nó không đổi trong suốt quá trình truyền thông. Giá trị thứ ba, H_feedback, được dùng cho phản hồi chống tắc nghẽn của router. Nó được khởi tạo bởi XCP phía gởi đến giá trị tăng theo yêu cầu cửa sổ chống tắc nghẽn và có thể được điều chỉnh bởi router dựa vào 2 giá trị đầu và thuật toán điều khiển tính hiệu quả và bình đẳng thực hiện trong router. 39
  7. Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn www.4tech.com.vn H_cwnd H_rtt H_feedback Hình 3.2 Header chống tắc nghẽn trong gói dữ liệu/xác nhận XCP Nếu XCP phía gởi có tốc độ gởi yêu cầu γ , giá trị khởi tạo cho H_feedback trong mào đầu có thể tính toán như sau: H _ feedback = (γ .rtt − cwnd ) / / số gói trong cửa sổ tắc nghẽn (3.5) Trong gói đầu tiên của kết nối XCP, H_feedback được khởi tạo bằng 0, khi XCP phía gởi có RTT ước lượng hiện thời không hợp lệ trong đường dẫn. XCP phía nhận sao chép mào đầu chống tắc nghẽn của gói dữ liệu đến sang xác nhận ACK và gởi xác nhận bao gồm mào đầu chống tắc nghẽn đến XCP phía gởi. Sau khi xác nhận ACK đến nơi, XCP phía gởi sửa lại cửa sổ chống tắc nghẽn mới theo phản hồi router chứa trong mào đầu chống tắc nghẽn: cwnd = max{cwnd + H _ feedback , s} (3.6) với s là kích cỡ gói. 3.3.3.2 Bộ điều khiển chống tắc nghẽn. Như đã đề cập, bộ điều khiển chống tắc nghẽn trong router có khả năng XCP được chia thành điều khiển hiệu quả (EC) và điều khiển bình đẳng (FC). Nhiệm vụ của bộ điều khiển hiệu quả là tận dụng kết nối lớn nhất, tốc độ mất gói nhỏ nhất và hàng của đường dẫn ổn định. Chỉ đề cập đến EC khi lưu lượng đường truyền ổn định và không quan tâm sự bình đẳng giữa các luồng có lưu lượng ổn định. Đây là nhiệm vụ của bộ điều khiển bình đẳng. Dùng thông tin phản hồi chống tắc nghẽn trên mỗi kết nối hiện thời được tính toán bởi EC, FC tính thông tin phản hồi chống tắc nghẽn trên mỗi gói hiện thời cho mỗi luồng. Thông tin chống tắc nghẽn được chứa trong trường H_feedback của mào đầu chống tắc nghẽn trong tất cả các gói và truyền lại cho mỗi XCP phía gởi. 40
  8. Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn www.4tech.com.vn Với mỗi kết nối, router duy trì bộ định thời điều khiển được thiết lập xấp xỉ đến giá trị RTT ước lượng trung bình của XCP phía gởi trên kết nối đó. Sau khi hết thời gian chờ (time-out) của bộ định thời điều khiển mỗi luồng, EC và FC được dùng để tính giá trị hiện thời của phản hồi điều khiển chống tắc nghẽn cho luồng XCP đi qua đường dẫn này. Các thuật toán điều khiển chống tắc nghẽn và điều khiển bình đẳng của bộ định tuyến XCP có đặc điểm là không đòi hỏi thông tin trạng thái của mỗi luồng. Thay vào đó, bộ định tuyến khai thác thông tin lưu lượng tổng bằng cách tích luỹ thông tin từ tất cả các gói truyền qua bộ định tuyến trong một khoảng thời gian nhất định. Trong phần sau, biểu thức toán học của phép tính EC và FC được trình bày. Bộ điều khiển hiệu quả (EC) Mục đích của bộ điều khiển hiệu quả là tăng tính sử dụng đường truyền trong khi tối thiểu hóa tốc độ mất gói và hàng đợi ổn định. Nó chỉ xét lưu lượng tổng và không chú ý đến tính hiệu quả cũng như luồng mà gói có liên quan. EC tính số byte mà lưu lượng tổng tăng hay giảm theo mong muốn trong khoảng thời gian điều khiển (RTT trung bình). Phản hồi tổng φ (tính theo byte) được tính trong mỗi khoảng điều khiển: φ = α .d .S − β .Q (3.7) Với d là RTT ước lượng trung bình cho kết nối, S là băng thông dự trữ (spare bandwidth) của đường truyền được định nghĩa là hiệu số giữa tốc độ lưu lượng vào và dung lượng đường truyền. Và Q là kích cỡ hàng ổn định của đường truyền (tính theo bytes) với kích cỡ hàng không tiêu hao trong thời gian trễ truyền (đi và về). Q được ước tính như là giá trị nhỏ nhất trong tất cả kích cỡ hàng bởi vài gói. α và β là tham số hằng có giá trị lần lượt là α = 0.4 và β = 0.226 trong [6]. Phản hồi chống tắc nghẽn tổng φ phải tỉ lệ với S, bởi nếu đường truyền sử dụng khôg đúng mức (S>0) hay tắc nghẽn (S
  9. Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn www.4tech.com.vn nghẽn tổng φ phải là giá trị âm để giảm số gói tại hàng. Đẳng thức (3.7) đảm bảo rằng phản hồi chống tắc nghẽn tổng φ của đường truyền tỉ lệ với S và –Q. Để đạt được tính hiệu quả, chúng ta phân bố phản hồi tổng đến từng gói qua H_feedback. EC chỉ phân phối với trạng thái tổng, nó không quan tâm đến gói nào có phản hồi và mỗi luồng riêng thay đổi cửa sổ chống tắc nghẽn bao nhiêu. Tất cả các yêu cầu của EC là lưu lượng tổng phải thay đổi 1 lượng φ trong khoảng thời gian điều khiển. Làm thế nào chúng ta chia phản hồi chính xác giữa các gói (và giữa các luồng) chỉ ảnh hưởng đến tính bình đẳng, và đó là công việc của bộ điều khiển bình đẳng. Bộ điều khiển bình đẳng XCP Công việc của bộ điều khiển bình đẳng (FC) là chia nhỏ phản hồi đến các gói riêng rẻ để đạt được tính bình đẳng. FC dựa vào nguyên lý giống như TCP dùng để hội tụ đến bình đẳng, gọi là tăng cộng giảm nhân (AIMD). Do đó, chúng ta muốn tính toán phản hồi trên mỗi gói theo nguyên lý: - Nếu φ >0, lưu lượng của tất cả các luồng tăng giống nhau. - Nếu φ
  10. Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn www.4tech.com.vn h + max{φ ,0} ξp = (3.10) H _ rtt i .S i d .∑ H _ cwnd i h + max{− φ ,0} và ξn = (3.11) d .∑ S i pi và ni có thể được tính toán như sau: 2 H _ rtt i .S i pi = ξ p . (3.12) H _ cwnd i ni = ξ n .H _ rtti .Si (3.13) Các công thức trên được chứng minh trong [6]. Trong XCP, bộ điều khiển hiệu quả và bình đẳng được tách riêng. Đặc biệt, bộ điều khiển hiệu quả EC dùng quy tắc MIMD, tăng mức lưu lượng tỉ lệ với băng thông dự trữ trong hệ thống (thay vì tăng 1 MSS/RTT/luồng như TCP). Điều này cho phép XCP nhanh chóng có được băng thông dự trữ dương ngay cả trên đường truyền dung lượng lớn. Bộ điều khiển tính bình đẳng FC dùng quy tắc AIMD, hội tụ đến tính bình đẳng. Do đó, việc tách cho phép mỗi bộ điều khiển dùng các quy tắc điều khiển thích hợp. Thông thường, nếu XCP được dùng thì mất gói là rất hiếm. Nhưng nếu mất gói xảy ra, quá trình phát lại trong XCP phía gởi giống trong TCP. 3.3.3.3 Tính thực tế của XCP Thực hiện XCP trong hệ thống đầu cuối là tương đối đơn giản. Chỉ thay đổi 1 ít trong mã nguồn của TCP phía gởi và TCP phía nhận để làm cho chúng có khả năng XCP. Trang bị router với khả năng XCP khá tốn kém, sự phức tạp của XCP trong router là tương đối cao. Tuy nhiên, XCP là ứng cử đầy hứa hẹn trong việc cải thiện điều khiển chống tắc nghẽn trong mạng cơ sở IP trong tương lai. XCP có thể phát triển 1 cách nhanh chóng trong mạng cơ sở IP. Hai trường hợp được phân biệt thành; • Vài router và phía nhận không có khả năng XCP. • Sự kết hợp kết nối XCP và không XCP cùng tồn tại trong mạng. 43
  11. Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn www.4tech.com.vn Trong trường hợp đầu tiên, XCP phía gởi phải kiểm tra rằng tất cả các router trong đường truyền và phía nhận có khả năng XCP. Điều này có thể thực hiện với cơ cấu XCP và IP hiện hành. Nếu chúng không có khả năng XCP, XCP phía gởi không thể sử dụng giao thức XCP và phải chuyển mạch sang giao thức truyền thông theo lối cổ truyền, chẳng hạn, TCP. Trong trường hợp thứ 2, router có khả năng XCP phải được xử lí bình đẳng 2 loại lưu lượng. Để thực hiện, router có khả năng XCP có thể phân biệt giữa lưu lượng XCP và không XCP và xếp hàng chúng 1 cách tách biệt. Nó có thể thực hiện được với cơ cấu xếp hàng chờ xử lý cân bằng thích nghi động theo phương pháp TCP-Friendly Rate Control (TFRC) [15] 3.3.4 FBA-TCP 3.3.4.1 CSFQ (Core-Stateless Fair Queueing) Ý tưởng của CSFQ (Core-Stateless Fair Queueing) là phân đoạn mạng trong một vùng router và phân biệt giữa biên và lõi trong 1 vùng. Hình 3.3 Vùng router biên (E) và lõi ( C) với khả năng CSFQ Mỗi router biên ước lượng tốc độ mỗi luồng cho mọi gói đi qua router biên trong mạng có khả năng CSFQ. Để tính toán, các router biên cần chứa trạng thái mỗi luồng. Tốc độ ước lượng mỗi luồng được dùng để dán nhãn gói bằng cách chèn tốc độ ước lượng vào trong mào đầu gói của mỗi luồng. Router lõi được trang bị với xếp hàng FIFO và không có chứa trạng thái luồng bất kỳ nào. Đặc tính này của 44
  12. Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn www.4tech.com.vn router lõi được gọi là core-stateless. Router lõi thực hiện thuật toán giảm xác suất cho gói đến dựa vào lưu lượng tổng và thông tin chứa trong nhãn của gói. Mục đích chính của thuật toán giảm gói theo xác suất là đạt được sự phân bổ băng thông hợp lý giữa các luồng đi qua router lõi. Trong phần dưới đây, thuật toán ước lượng tốc độ thực hiện trong router biên và thuật toán giảm gói thực hiện trong router lõi được nói đến. Nhiều chi tiết về CSFQ, chẳng hạn, giả mã cho thuật toán dùng trong router biên và lõi hay mở rộng cơ cấu CSFQ cơ bản, có thể tìm thấy trong [8] Ước lượng tốc độ mỗi luồng CSFQ trong router biên. Trong router biên tốc độ ước lượng ri của luồng i được cập nhật mỗi khi gói ˆ mới của luồng này đến. Ước lượng tốc độ luồng được thực hiện bằng cách dùng sự ước lượng dựa trên chuN hàm mũ. Với t i (k ) và li (k ) lần lượt là thời gian đến (arrival n time) và độ dài gói k của luồng i. Sau đó, ri được cập nhật như sau: ˆ ( ). Tl (k ) (k ) (k ) ˆ new = 1 − e − T i ri / K i (k ) + e − Ti / K ˆ .ri old (3.14) i với T i ( k ) = t i ( k ) − t i ( k − 1 ) và giá trị không đổi K. Mỗi gói của luồng i được dán nhãn với ri cập nhật mới nhất ˆ labeli = ri ˆ (3.15) Bổ sung vào sự ước lượng tốc độ mỗi luồng, thuật toán giảm gói của router lõi CSFQ được thực hiện trong router biên. Thuật toán giảm gói CSFQ trong router lõi Trong luồng lưu lượng, tốc độ đến tổng n luồng trong tuyến đơn của router lõi là: n A = ∑ ri (3.16) i =1 Mỗi luồng đó phải sử dụng tốc độ phân bổ công bằng α với tốc độ đường ra C của router lõi được khởi tạo: n C = ∑ min{ri , α } (3.17) i =1 45
  13. Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn www.4tech.com.vn ˆ Khi các luồng được đóng gói, A và α phải được ước lượng bởi A và α . Sau đó tốc ˆ độ lưu lượng tổng được phép của router lõi có thể được ước lượng: (3.18) n F (α ) = ˆ ∑ min {ri , α } ˆ ˆ i =1 Tổng tốc độ đến router lõi được ước lượng dựa vào hàm mũ trung bình: ˆ A new ( = 1 − e −T / Kα ). Tl + e −T / Kα ˆ . A old (3.19) với thời gian đến T giữa gói trước và gói hiện tại và giá trị hằng số K α . Đẳng thức ˆ dạng tương tự được dùng để ước lượng tốc độ lưu lượng tổng F cho phép bởi router. ˆ Nếu A ≥ C trong tất cả các khoảng Kc, đường truyền được giả thiết bị tắc ˆ nghẽn. Nếu A ≤ C trong tất cả các khoảng Kc, đường truyền giả thiết là không bị tắc nghẽn. Giá trị mới cho tốc độ phân bổ bình đẳng ước lượng α chỉ được tính sau một ˆ khoảng mà trong đó đường truyền được phân loại thành bị tắc nghẽn và không tắc nghẽn. Nếu đường truyền bị tắc nghẽn thì α được cập nhật như sau: ˆ C old α new = ˆ .α ˆ (3.20) ˆ F Nếu đường truyền không tắc nghẽn thì α new được thiết lập bằng tốc độ lớn ˆ nhất của luồng tích cực bất kỳ, tức là, đến nhãn lớn nhất trong gói, trong suốt khoảng thời gian Kc. Thêm vào đó, hai phỏng đoán được dùng để giới hạn sự dao động giữa các tính toán α liên tiếp nhau. ˆ • Sau mỗi khi hàng bị tràn, α bị giảm bởi 1 phân số nhỏ cố định, chẳng hạn, ˆ 0.01. • Để tránh sự điều chỉnh lại, giảm α phải giới hạn bởi 0.25 giá trị trước đó. ˆ α khi đó được dùng để tính toán xác suất giảm gói của các luồng. Với luồng ˆ i, mỗi bit đang đến bị giảm trong router lõi với xác suất: ⎧ α⎫ ˆ Pi = max ⎨0,1 − ⎬ (3.21) ⎩ ˆ ri ⎭ 46
  14. Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn www.4tech.com.vn Nếu các gói trong luồng i bị giảm, tốc độ mới ri của luồng i thay đổi đến xấp xỉ α , khi tốc độ đến của luồng i tại router lõi hay biên tiếp theo là xấp xỉ α . Do đó, ˆ ˆ các gói trong luồng i phải được dán nhãn lại với: { labelinew = min α , labeliold ˆ } (3.22) Do đó, sau khi gói đi qua router biên ở phía nhận của luồng đó nhãn của gói chứa tốc độ luồng hiện tại mà thành phần mạng CSFQ đã cung cấp. Thông tin này có thể được truyền đến phía nhận và truyền trở lại phía gởi để điều chỉnh tải mà phía gởi đặt vào mạng. Nhưng CSFQ không cung cấp cơ cấu phản hồi chống tắc nghẽn rõ. Chỉ có gói bị mất trong router lõi và biên của phần mạng có khả năng CSFQ được dùng để góp phần khai báo N cho phía gởi về tắc nghẽn (đang đe dọa) n trong 1 đoạn mạng. 3.3.4.2 FBA-TCP Phân bổ băng thông hợp lý cho TCP (FBA-TCP) [14] (Fair Bandwidth Allocation for TCP) là một phương pháp điều khiển lưu lượng TCP dựa trên thông tin phản hồi về mạng được cung cấp bởi CSFQ FBA-TCP dùng cơ cấu CSQB miêu tả trong phần trước để cải thiện điều khiển chống tắc nghẽn trong kết nối TCP. FBA-TCP làm việc như sau: trong router biên của vùng mạng (trong hình 3.3) FBA-TCP dùng thuật toán giống CSFQ để ước lượng tốc độ luồng và dán nhãn gói trong luồng với tốc độ luồng ước lượng. Trong mỗi router biên và lõi trong vùng mạng tốc độ phân bổ bình đẳng được ước lượng và các gói của luồng bị giảm theo đẳng thức (3.21) nếu nhãn của chúng lớn hơn phân bổ cân bằng. 47
  15. Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn www.4tech.com.vn Hình 3.4 Kết nối TCP đơn đi qua vùng router có khả năng CSFQ. Đặc tính mới của FBA-TCP là router biên ở phía nhận của luồng không xoá nhãn khỏi mỗi gói. Router biên đặt nhãn của gói vào trong mào đầu Ipv4 (hay mào đầu mở rộng của Ipv6) để truyền trong suốt nhãn này đến TCP phía nhận qua phần mạng không có khả năng CSFQ. Nếu hệ thống đầu cuối phía nhận của kết nối TCP nhận gói với nhãn l hay tốc độ ước lượng r , nó gởi giá trị này đến TCP phía nhận ˆ để tính cửa sổ gởi mới mà TCP phía gởi cho phép. Cửa sổ gởi được phép= RTT .r ˆ (3.23) sử dụng RTT ước lượng. Do khả năng song công của TCP, tức là, TCP phía nhận đồng thời là TCP phía gởi và ngược lại, nó giả thiết rằng TCP phía nhận có sự ước lượng RTT thích hợp trong đường dẫn mạng. Giá trị nhỏ nhất của cửa sổ gởi và số bytes hiện thời mà TCP phía nhận có thể được nhận được từ TCP phía gởi là cửa sổ thông báo phía nhận của TCP phía nhận. Cửa sổ thông báo phía nhận này được gởi đến TCP phía gởi trong xác nhận TCP tiếp theo. 3.3.5 QS-TCP (Quick Start TCP): QS-TCP (Quick Start TCP) đã được đề xuất năm 2002 bởi Jain và Floyd trong [3] như là một cách để tăng cửa sổ khởi tạo của một kết nối TCP. Trong thủ tục thiết lập kết nối TCP (TCP SYN và TCP SYN/ACK) phía gởi TCP chèn một yêu cầu bắt đầu nhanh (Quick Start Request) vào gói TCP, đó chính là tốc độ khởi 48
  16. Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn www.4tech.com.vn tạo mà phía gởi muốn truyền. Mỗi bộ định tuyến dọc theo đường truyền xác nhận liệu nó có thể đáp ứng yêu cầu lưu lượng mới này. Nếu nó có thể đáp ứng yêu cầu mới này thì nó sẽ truyền yêu cầu QS đi, ngược lại nó sẽ giảm tốc độ dữ liệu đến một giá trị phù hợp. Để làm được điều đó bộ định tuyến cần thiết phải giám sát sự khác nhau của trọng tải hiện tại và dung lượng sẵn sàng và những yêu cầu QS trong thời gian gần đây. Khi yêu cầu QS (QS request) tới TCP phía nhận, một đáp ứng QS (QS response) tương ứng được tạo ra và chèn vào một thông báo nhận được gởi trở về phía gởi. Nhận được đáp ứng QS, phía gởi điều chỉnh cửa sổ chống tắc nghẽn khởi tạo theo tốc độ dữ liệu chỉ ra trong đáp ứng QS. Để tránh lưu lượng bùng phát, phía gởi tăng dữ liệu từng bước vào cửa sổ khởi tạo. QSTCP đòi hỏi tất cả các bộ định tuyến, phía gởi và phía nhận hỗ trợ khởi tạo nhanh (QS). 3.4 Đánh giá chung Các phương pháp này được dùng trong mạng cơ sở IP tương lai dựa vào mức độ mong muốn tương thích với các phương thức truyền TCP và UDP triển khai hiện nay trong hệ thống đầu cuối. XCP, chẳng hạn, dường như là phương pháp mạnh nhất để cải thiện toàn bộ hiệu suất của mạng, ít nhất nếu mạng là mạng tốc độ cao. Nhưng XCP đòi hỏi đòi hỏi sự thích ứng của phương thức truyền thông trong hệ thống đầu cuối. Tương phản với XCP, (F)EWA không cần bất kì sự thay đổi nào trong hệ thống đầu cuối. Nhưng (F)EWA không mạnh như XCP, cửa sổ gởi của TCP phía gởi không thể được điều khiển chính xác như XCP. CSFQ không cung cấp phản hồi rõ cho (TCP) phía gởi. Nó phát triển chủ yếu để tăng tính bình đẳng giữa các luồng trong (phần) mạng. Do đó, độ gia tăng hiệu suất khá bị giới hạn. Nhưng FBA-TCP như là sự mở rộng của CSFQ có thể là ứng cử tiềm năng cho sự cải thiện điều khiển chống tắc nghẽn trong mạng cơ sở IP. Bất lợi chính của FBA-TCP là các router biên trong phần mạng có khả năng CSFQ phải chứa thông tin mỗi luồng để dán nhãn gói của luồng. Phương pháp này có thể 49
  17. Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn www.4tech.com.vn chỉ làm việc nếu số luồng đi qua router biên là khá ít. Sự khác nhau của XCP và FBA-TCP là XCP dán nhãn các gói trong giao thức truyền của hệ thống đầu cuối trong khi FBA-TCP dán nhãn (lại) các gói trong các router của phần mạng có khả năng CSFQ. Khuyết điểm chính của XCP là nó có sự phức tạp lớn so với các phương pháp khác. Thêm vào đó, XCP không thể triển khai dần dần trong phần mạng. Nếu ít nhất 1 router hay hệ thống đầu cuối trong đường dẫn mạng không thể đương đầu với XCP, XCP không được thực hiện và TCP chuN được dùng thay cho nó. Nhưng n XCP hứa hẹn hệ số hiệu suất mong muốn cao nhất so với các phương pháp - ít nhất trong mạng tốc độ cao. 3.5 Kết luận chương Chương này đã hệ thống các phương pháp điều khiển tắc nghẽn. Các phương pháp đó có thể triển khai dần và liệu hiệu suất của nó có giảm khi triển khai như thế không. Mỗi phương pháp hoạt động theo một nguyên tắc khác nhau và phù hợp với từng hoàn cảnh khác nhau. Theo ưu tiên, ứng cử viên đầy hứa hẹn cho việc điều khiển tắc nghẽn trong mạng cơ sở IP là XCP. Do đó, nó nên được nghiên cứu chi tiết trong các viễn cảnh và lưu lượng tải thay đổi khác nhau. Phần tiếp theo sẽ mô phỏng điều khiển tắc nghẽn dùng thuật toán tăng giảm trong các giao thức. 50
Đồng bộ tài khoản