Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Quản lý hàng đợi và các thuật toán TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI TRONG MẠNG IP CHƯƠNG 3: QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI VÀ CÁC THUẬT TOÁN Hoạt động của thuật toán ARED ARED thích ứng giá trị max p để giữ cho kích thước hàng đợi trung bình nằm trong khoảng giá trị min th và max th . Để đạt được điều này có 4 cách:  Max p được thích ứng không chỉ giữ cho kích thước hàng đợi trung bình nằm giữa hai giá trị min th và max th mà còn giữ cho kích thước hàng đợi trung bình nằm trong một giải cho phép trong khoảng min th và max th .  Max p thích nghi chậm, thời gian vượt quá được chia lớn hơn thời gian roundtrip và trong những bước nhỏ.  Giá trị max p được duy trì trong khoảng [0.01 ; 0.5] 1 max p Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Quản lý hàng đợi và các thuật toán Hình 3.13 : Phát hiện sớm ngẫu nhiên thay đổi thích ứng với max p thay đổi  Thay cho việc tăng theo cấp số nhân và giảm giá trị max p ta thực hiện chế độ giảm theo cấp số nhân và tăng theo cấp số cộng (AIMD). Thuật toán ARED: Every interval seconds: If (avg > target and max p ≤ 0.5) Tăng giá trị max p max p ← max p + α; else if (avg < target and max p ≥ 0.01) giảm max p ; max p ← max p * β ; Các biến : avg : kích thước hàng đợi trung bình Các tham số cố định : interval : khoảng thời gian khoảng 0,5 s Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Quản lý hàng đợi và các thuật toán target : giá trị mong đợi cho avg nằm trong khoảng [min th + 0.4 * (max th - min th ) ; min th + 0.6 * (max th - min th )] α : nhân tố tăng ; min (0.01 ; max p /4) β : nhân tố giảm ; 0.9 Chính sách tương thích giá trị max p cho phép giá trị xác suất loại bỏ gói Đáp ứng được với sự thay đổi của kích thước hàng đợi trung bình để có thể chiếm ưu thế trong các khoảng thời gian nhỏ. Việc thích ứng chậm giá trị max p , ARED đưa ra hiệu quả sử dụng cao trong một dải rộng các môi trường. Thuật toán ARED trong hình trên sử dụng AIMD tương thích max p . Ngoài cách này ra còn có một cách điều khiển tuyến tính khác là MIDC (tăng theo cấp số nhân, giảm theo cấp số nhân) cũng được yêu cầu để quản lý hàng đợi. 3.3.5.2 Các tham số của ARED a. Giá trị max p Giới hạn trên của giá trị max p =0.5 có thể được chỉnh sửa theo cách: Cố gắng tối ưu RED để tốc độ loại bỏ gói tin <50%. Hơn nữa khi tốc độ loại bỏ gói tăng từ max p → 1 khi kích thước hàng đợi thay đổi từ giá trị max p - >2max p . Còn khi t ốc độ loại bỏ gói giảm từ 1→ max p khi kích thước hàng đợi thay đổi từ min th → max th . Do đó với giá trị Maxp được thiết lập tới giá trị 0.5 thì xác suất loại bỏ các gói thay đổi từ 0→ 1 khi kích thước hàng đợi thay đổi từ Minth→ 2Maxth. Điều này giúp cho hiệu năng truyền lớn ngay cả khi tốc độ loại bỏ gói vượt quá 50%. b. Tham số α, β Có ít nhất 0.49/α khoảng giành cho giá trị max p để tăng từ 0.01→ 0.5 (với tham số đưa ra là 24.5s). Tương tự có ít nhất log0.02/logβ khoảng cho giá trị max p để giảm từ 0.5→ 0.01(với tham số là 20.1s). Khi xét đến giá trị α, β yêu Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Quản lý hàng đợi và các thuật toán cầu đặt ra là ngay cả khi hoạt động dưới điều kiện bình thường thì bất kì một chỉnh sửa đơn nào của giá trị max p cũng không ảnh hưởng tới sự thay đổi của kích thước hàng đợi trung bình Khi giá trị max p được thích ứng với xác suất loại bỏ gói trạng thái ổn định p cũng được duy trì và kích thước hàng đợi trung bình dịch chuyển đơn giản để phù hợp với giá trị max p mới. Do đó p < max p khi max p tăng bởi α, và giá trị hàng đợi trung bình có thể giảm từ giá trị min th + p p max (max th - min th ) tới min th +   p p max (max th - min th ) Nó là sự giảm của giá trị:    p max + p p max (max th - min th ) Giá trị max p nhỏ hơn 0.2(max th - min th ), do đó kích thước hàng đợi trung bình không phụ thuộc vào giá trị max p và để tránh hiện tượng kích thước hàng đợi giảm đột ngột từ giá trị biên trên xuống giá trị biên dưới. Tham số α, β phải thoả mãn:    p max ≤ 0.2 với α < 0.25 max p Tương tự có thể kiểm tra việc giảm max p theo cấp số nhân để không gây ra hiện tượng kích thước hàng đợi trung bình tăng từ giá trị biên giới tới giá trị biên trên. Phân tích tương tự như α:   p p max )1(  (max th - min th ) < 0.2(max th - min th ) Chọn β:    1 ≤ 0.2 ; β > 0.83 c. Thiết lập các tham số max th và w q Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Quản lý hàng đợi và các thuật toán ARED loại bỏ sự phụ thuộc của RED vào tham số max p và một số tham số khác thì ta có thể tự động thiết lập tham số max th ,w q . Giá trị Maxp sẽ được tự động thiết lập từ giá trị 3min th . Trong trường hợp này thì kích thước hàng đợi trung bình tập trung xung quanh giá trị 2min th do đó nó chỉ chịu ảnh hưởng của tham số min th của RED. Tham số w q: nếu kích thước hàng đợi trung bình thay đổi từ giá trị này sang giá trị khác thì số lượng các gói đến là -1/ln(1-w q ). Giá trị này được gọi là “hằng số thời gian”. Nó được chỉ định trong các gói đến để đánh giá kích thước hàng đợi trung bình, nhưng bản thân nó lại không mang tính chất thời gian. Các kết nối có tốc độ cao hơn yêu cầu giá trị w q nhỏ hơn, do đó “hằng số thời gian” được duy trì theo trật tự của RRT. w q được thiết lập tự động là 1s (tương đương với 10 RTT) để đánh giá kích thước hàng đợi trung bình. Giả sử rằng RTT mặc định là 100ms thì w q được thiết lập: w q = 1- exp(-1/C) C : là khả năng kết nối các gói trên 1s, được tính bắng số các gói trên một kích thước mặc định đã được chỉ ra. 3.3.6 RED với các cổng vào ra (RIO-RED with In/Out) 3.3.6.1 Giới thiệu chung về RIO Trong chương 1 đã giới thiệu về các dịch vụ DS. Nhìn chung kiến trúc DS nhằm mục đích cung cấp QoS có đảm bảo tại mức các luồng được tổng hợp. Nó phân loại các gói tin IP thành các nhóm lưu lượng nhỏ hơn tuỳ theo các giá trị DSCP được đánh dấu trong tiêu đề gói IP tại các đường biên của mạng. Trong lõi mạng chúng sẽ được truyền theo các PHB tương ứng. DS không yêu cầu duy trì trạng thái luồng, hay các tiến trình báo hiệu bên trong các mạng lõi, do đó nó giảm bớt gánh nặng làm việc cho các router trong mạng lõi. Các router biên trong các mạng DS giám sát và đánh dấu các gói của luồng lưu lượng. Các gói tuân theo các profile của người sử dụng sẽ được đánh dấu là “In profile” còn các Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Quản lý hàng đợi và các thuật toán gói nằm ngoài các profile dịch vụ sẽ được đánh dấu là out profile. Một thuật toán được hỗ trợ bên trong các router lõi của mạng phân biệt là RIO (phát hiện sớm ngẫu nhiên vào ra). Trong suốt quá trình tắc nghẽn các gói có profile out sẽ bị loại bỏ trước các gói In profile. Với các chính sách loại bỏ gói, các AFPHB sẽ đưa ra quyền ưu tiên cho các gói In và cung cấp các mức dịch vụ khác nhau cho người sử dụng trên cơ sở các proifile dịch vụ của họ. Để điều khiển tắc nghẽn cho các luồng được tổng hợp trong mạng DS ta có thể sử dụng lược đồ điều khiển tắc nghẽn từ biên tới biên (edge to edge congestion control scheme-E2E- CCS). Trong lược đồ này thì gói điều khiển QoS được gửi từ các router bên trong ra các router bên ngoài tại mỗi khoảng thời gian cố định. Các router bên trong sử dụng thuật toán để điều chỉnh tốc độ gửi của luồng theo thông tin QoS được phản hồi về từ các router biên. Ta đang xét thuật toán RIO trong mạng DS. Kiến trúc một mạng DS bao gồm 2 loại router: router biên và router lõi. Các router biên được lắp đặt tại đường biên của các mạng, nó hỗ trợ cho các điều kiện lưu lượng như: phân lớp, định dạng, và đánh dấu gói tin. Còn các router lõi được lắp đặt bên trong mạng, cung cấp chức năng phân loại đơn giản và một số chức năng định hướng khác. Các router biên lại bao gồm các node đầu ra và các node đầu vào vùng DS. E2E-CCS coi các router đầu vào và đầu ra cũng như phía thu và phía phát các gói điều khiển QoS. Phía phát sẽ gửi các gói tin điều khiển trong cùng một nhóm tới phía thu để tại các khoảng thời gian T đều đặn. Gói điều khiển được sử dụng để truyền các thông tin QoS giữa các router đầu ra và router đầu vào. Khi router đầu ra nhận được gói điều khiển, nó sẽ tính toán tốc độ đầu ra của các gói In và Out được đánh dấu bởi ECN. Các router đầu ra sau đó sẽ điền các tham số QoS vào các trường tương ứng trong các gói điều khiển và gửi chúng ngược trở lại router đầu vào. Các gói điều khiển luôn có mức ưu tiên cao nhất trong các mạng DS. Khi các router đầu vào nhận được các gói điều khiển phản hồi từ các Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Quản lý hàng đợi và các thuật toán router đầu ra thì nó sẽ chỉnh sửa tốc độ gửi trong các thông tin QoS đặt trong các gói điều khiển. Thuật toán quản lý hàng đợi của router lõi là thuật toán RIO, có thể được xem như sự phối hợp của hai thuật toán RED với các xác suất loại bỏ gói tin khác nhau cho các gói In và các gói Out. Do đó nó cũng có hai bộ giá trị ngưỡng giống như trong RED: (min th(in) , max th(in) ,max p(in) ) và (min th(out) max th(out) , max p(out) ), được sử dụng cho việc tính toán xác suất loại bỏ các gói In, Out. Thông thường các tham số của các gói Out được thiết lập cao hơn các gói In để có thể loại bỏ các Out trước khi có bất kì một gói In nào bị loại bỏ. Thêm vào đó kích thước hàng đợi trung bình của các gói Out được tính toán dựa trên cơ sở tổng các gói (gói In và các gói Out) trong hàng đợi. Trong khi kích thước hàng đợi trung bình của các gói In chỉ được tính toán dựa trên các gói In. a. Cấu trúc router đầu vào Hình 3.14 : Cấu trúc router đầu vào TC (Traffic Controller) : bộ điều khiển lưu lượng Tr af fic Cl as sifie T C T C Rate Controler QoS controller Hander To network core router Q oS c ontr ol packet from egress router Incoming traffic from end Host Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Quản lý hàng đợi và các thuật toán Rate Controller : bộ điều khiển tốc độ Traffic Classifier : bộ phân loại lưu lượng Tại các router đầu vào mạng lưu lượng đến đầu tiên sẽ được phân loại trong các tập hợp lưu lượng theo các giá trị DSCP được đánh dấu trong phần tiêu đề của gói tin. Mỗi tập hợp này được giám sát bởi bộ điều phối lưu lượng để đánh giá tốc độ tổ hợp lưu lượng hiện hành và phải chắc chắn rằng mỗi tổ hợp lưu lượng này sẽ không vượt quá tốc độ thông tin đỉnh của nó. Các lưu lượng mà vượt quá tốc độ có thể cho phép thì sẽ bị loại bỏ và bị đánh dấu lại để ngăn chặn việc các luồng lưu lượng này chiếm giữ tài nguyên mạng nhiều hơn tìa nguyênđã được chia sẻ. Bộ điều khiển tốc độ điều chỉnh tốc độ đầu ra của bộ điều phối lưu lượng theo các tham số đã được ấn định trong các gói điều khiển QoS khi nó được phản hồi lại từ các router đầu ra. b. Cấu trúc router đầu ra Về cấu trúc thì các router đầu ra tương tự như các router đầu vào. Bộ giám sát lưu lượng có thể đáp ứng cho việc đánh giá tốc độ đến của các gói In và Out với số đo profile TSW (Time Sliding Window - cửa sổ trượt thời gian) và ghi lại số lượng các gói In, Out nhận được trong suốt các khoảng thời gian đều đặn T. Traffic cl as sifier T C T C Q oS c ontr oller Hand er Incoming traffic from core Router QoS control packet to ingress Router Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Quản lý hàng đợi và các thuật toán Hình 3.15 : Cấu trúc router đầu ra Thuật toán điều khiển tốc độ gói In và Out cho cả router đầu vào và đầu ra Tại mỗi khoảng thời gian T Router cổng vào sẽ nhận các gói điều khiển QoS If N s = N r then If EN r In > 0 then giảm tốc độ của các gói In và Out else if EN r Out > 0 then giảm tốc độ gửi của các gói Out else tăng tốc độ gửi else giảm tốc độ gửi của cả gói In và Out Kí hiệu: N s : số lượng các gói gửi tại router đầu vào N r : số lượng các gói nhận được tại router đầu ra. EN r In : số lượng các gói In nhận được router đầu ra với ECN = 1 EN r Out : số lượng các gói Out nhận được tại router đầu ra với ECN =1 Tại router đầu vào, thuật toán tăng đơn giản thực hiện chức năng tăng tốc độ gửi R s : R s = R s * (1+ α) 0< α < 1 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Quản lý hàng đợi và các thuật toán Trong E2E-CCS thuật toán giảm được sử dụng để chỉnh sửa tốc độ gửi của các gói In và Out tuỳ theo thông tin điều khiển QoS nhận được. Thuật toán giảm: If EN r Out > 0 then R s = R r In + R r Out * β Với 0 < β < 1 , R r In và R r Out là tốc độ đầu ra của các gói In và Out tại các router cổng ra. Và If EN r In > 0 or N s  N r then R s = R r In * γ Với 0< γ < 1 3.3.6.2 Thuật toán RIO RED có các cổng vào ra In/Out (RIO) là cơ chế AQM cơ sở phù hợp cho bộ AF PHB. RIO là phần mở rộng của RED sử dụng hai tập các tham số để phân biệt loại bỏ các gói In(In profile) và các gói ngoài Out(out profile). Để quyết định khi nào loại bỏ các gói Out thì RIO sử dụng kích thước trung bình của tổng chiều dài hàng đợi. RIO sẽ được mở rộng để xử lý n>2 precedence cho cùng một nguyên lý. Xác suất loại bỏ các gói của Precedence 1≤ j <n phụ thuộc vào kích thước trung bình của hàng đợi ảo chứa các gói có Precedence từ 1 tới j. Với các gói có mức precedence n (ví dụ là ưu tiên thấp nhất), xác suất loại bỏ các gói là chức năng của độ chiếm giữ trung bình của hàng đợi vật lý. Cách thức ban đầu này còn gọi là RIO-C (RIO coupled) để phân biệt với các cách thức sau đó. Ví dụ WRED sử dụng kích thước hàng đợi trung bình tổng cho tất cả precedence trong khi RIO-DC (RIO decoupled) tính toán xác suất mất gói của precedence j như một chức năng của số lượng trung bình các gói có cùng một Precedence. RIO-C phân biệt các gói theo các precedence theo 3 cách. Cách thứ nhất sử dụng các mức ngưỡng khác nhau cho các precedence khác nhau, do đó các gói có precedence thấp sẽ bị loại bỏ trước các gói có độ ưu tiên cao hơn. Cách thứ [...]... việc thuật toán RED tính toán sự thay đổi của kích thước hàng đợi để loại bỏ gói và phát hiện tắc nghẽn Trong thuật toán RED còn phân ra thành nhiều thuật toán khác Ở chương này đề cập tới một số thuật toán đó : WRED, RIO, ARED….Có sự so sánh giữa các thuật Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Quản lý hàng đợi và các thuật toán toán này để tìm ra thuật toán tối ưu nhất trong việc quản lý hàng đợi trong. .. Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Quản lý hàng đợi và các thuật toán Hình 3.16: Hàm phân bố dừng của Tail Drop và RED với p=2 3.4.2 So sánh thuật toán RED và thuật toán Blue Một vấn đề quan trọng trong quản lý hàng đợi bằng thuật toán Blue là điều khiển tắc nghẽn có thể được thể hiện bởi kích thước hàng đợi nhỏ nhất Trong khi đó thuật toán RED thì lại yêu cầu kích thước hàng đợi lớn hơn cho cùng một... thông qua trong thuật toán này cũng phụ thuộc nhiều vào tải lưu lượng và các tham số Do thuật toán ARED quản lý kích thước trung bình của hàng đợi dựa trên việc tương thích giá trị maxp sao cho kích thước trung bình hàng đợi thay đổi trong khoảng minth và maxth nên khắc phục được sự phụ thuộc của trễ hàng đợi và khả năng thông qua của hàng đợi vào các tham số và tải lưu lượng 3.5 Tổng kết chương Chương... lưu lượng quan trọng đến hàng đợi mà kích thước hàng đợi vượt quá giá trị lớn nhất thì gói đó vẫn bị loại bỏ Nó quản lý kích thước hàng đợi không linh hoạt như trong thuật toán RED Khi đầu ra của hàng đợi đầy, Tail Drop sẽ hoạt động, các gói sẽ được loại bỏ cho tới khi tắc nghẽn được đánh giá lại và kích thước hàng đợi giảm xuống Còn RED sẽ tránh ảnh hưởng xấu của Tail Drop trong các phiên TCP khi tắc... giói thiệu sơ lược về các thuật toán quản lý hàng đợi Các thuạt toán quản lý hàng đợi bao gồm thuật toán Blue, Tail Drop, thuật toán RED Mỗi thuật có các ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với các tham số lưu lượng khác nhau nên khi sử dụng các thuật toán nên tìm hiểu kĩ về các đặc điẻm của từng loại lưu lượng để việc sử dụng đạt hiệu quả Nhình chung các thuật toán thì thuật toán RED vẫn có ưu điểm... nhiên thuật toán Blue ít nhạy với các chọn lựa tham số hơn là đối với RED 3.4.3 So sánh các thuật toán RED Chỉ so sánh RED và ARED để thấy được ưu điểm của ARED so với RED Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Quản lý hàng đợi và các thuật toán Thuật toán ARED là phiên bản tiếp theo của RED do đó ARED khắc phục được mặt hạn chế của RED :  RED quản lý hàng đợi dựa trên kích trước trung bình của hàng đợi. .. trung bình hàng đợi thay đổi theo các mức tắc nghẽn và quá trình thiết lập các tham số Điều này được thể hiện bằng việc khi tắc nghẽn xảy ra nhẹ hay maxp cao thì kích thước hàng đợi gần tới giá trị minth Khi tắc nghẽn trong mạng nặng hay kích thước hàng đợi trung bình bằng hoặc lớn hơn maxth Kết quả trễ hàng đợi trong thuật toán RED phụ thuộc vào tải lưu lượng và các tham số, do đó mà trễ hàng đợi không... tốc độ đầu ra FRED không chỉnh sửa độ trung bình nếu gói tới bị loại bỏ trừ khi kích thước hàng đợi tạm thời bằng 0 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Quản lý hàng đợi và các thuật toán 3.4 So sánh các kĩ thuật quản lý bộ đệm 3.4.1 So sánh RED và Tail Drop Thuật toán Tail Drop hoạt động đơn giản hơn so với thuật toán RED Tail Drop không có sự chia sẻ giữa các luồng khác nhau Không có các chính sách... dụng trong các luồng khác nhau hoặc trong các hàng đợi Các gói của tất cả các người sử dụng được tậphợp lại trong một hàng đợi Các người sử dụng khác nhau có các Profile khác nhau do họ có số lượng các gói In trong hàng đợi khác nhau Thuật toán RIO: For arrival packet If là gói In Tính toán kích thước hàng đợi In trung bình avgin Else tính toán kích thước hàng đợi tổng avgtotal If là gói In If minin ≤... đầu vào và đầu ra trong trường hợp không có tắc nghẽn 3.3.7 Thuật toán RIO thích ứng (ARIO) Một phần mở rộng của thuật toán RIO là thuật toán ARIO (Adaptive RIO) được dùng trong quản lý hàng đợi tích cực Thuật toán ARIO là sự pha trộn của hai thuật toán ARED và RIO Mục đích chính của thuật toán ARIO là:  Đơn giản hoá cấu hình của các router hỗ trợ DS bằng việc làm giảm bớt các vấn đề trong việc thiết . nghiệp Đại học Chương 3: Quản lý hàng đợi và các thuật toán TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI TRONG MẠNG IP CHƯƠNG 3: QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI VÀ CÁC THUẬT TOÁN. kích thước hàng đợi tạm thời bằng 0. Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Quản lý hàng đợi và các thuật toán 3. 4 So sánh các kĩ thuật quản lý bộ đệm 3. 4.1 So sánh RED và Tail Drop Thuật toán. nghiệp Đại học Chương 3: Quản lý hàng đợi và các thuật toán router đầu ra thì nó sẽ chỉnh sửa tốc độ gửi trong các thông tin QoS đặt trong các gói điều khiển. Thuật toán quản lý hàng đợi của router