Khảo sát giải thuật điều khiển tắc nghẽn cho luồng TCP

Bài báo khảo sát một số giải thuật điều khiển tắc nghẽn thông dụng dùng trong các hệ điều hành window và Linux như TCP-Tahoe, TCP-Reno, TCP-NewReno, BIC-TCP và CUBIC. Trong từng giải pháp, các cơ chế điều khiển cửa sổ tắc nghẽn sử dụng các hàm khác nhau được phân tích và so sánh dựa vào mức độ tận dụng tài nguyên mạng của từng giải pháp. Mời các bạn cùng tham khảo!

Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Khảo sát giải thuật điều khiển tắc nghẽn cho luồng TCP Nguyễn Xuân Khánh Khoa Viễn Thơng II, Học Viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng Email: xuankhanh@ptithcm.edu.vn lưu trữ gói truyền hàng đợi đầu router tạm thời bị tràn gây tình trạng gói (mất segment TCP) Mặc dù, nguyên nhân khác gây tượng gói lỗi sai truyền dẫn lý tình trạng tắc nghẽn mạng (hiện mạng sử dụng phương tiện truyền dẫn quang rộng rãi nên lỗi truyển dẫn thấp) Abstract— TCP (Transmisssion Control Protocol) mang hầu hết lưu lượng Internet, hiệu Internet phụ thuộc lớn vào TCP thực truyển qua Internet, hiệu giải thuật điều khiển tắc nghẽn mà TCP sử dụng Bài báo khào sát số giải thuật điều khiển tắc nghẽn thông dụng dùng hệ điều hành window Linux TCP-Tahoe, TCP-Reno, TCP-NewReno, BIC-TCP CUBIC Trong giải pháp, chế điều khiển cửa sổ tắc nghẽn sử dụng hàm khác phân tích so sánh dựa vào mức độ tận dụng tài nguyên mạng giải pháp Luồng TCP qua mạng Internet thường qua nhiều đường truyền, liên kết có tốc độ khác Do đó, tốc độ truyền segment toàn tuyến xác định liên kết có tốc độ thấp Tắc nghẽn xảy phía phát liên kết (hàng đợi đầu ra) có nhiều segment nhiều kết nối TCP đồng hành tới với tốc độ nhanh tốc độ truyển liên kết Trong tình này, số lượng gói hàng đợi đầu tăng dần lên đệm đầy xảy tượng gói bị loại bỏ Điều ảnh hưởng đến ACK liên quan đến gói có ảnh hưởng đáng kể đến tổng thời gian truyền tin Keywords- TCP, Điều khển tắc nghẽn, giải thuật tránh tắc nghẽn, Khởi động chậm I GIỚI THIỆU Các giải thuật điều khiển tránh tắc nghẽn TCP nhằm giải vấn đề sử dụng tài nguyên mạng cách hiệu quả, công giảm thiểu gói xảy Mỗi kết nối TCP phản ứng với tượng cách điều chỉnh tải đưa vào mạng cho đảm bảo mức độ hợp lý chất lượng kết nối TCP, giảm thiểu mức độ tắc nghẽn xảy mạng ảnh hưởng Bên cạnh đó, giải thuật cịn đảm bảo cơng việc sử dụng tài nguyên mạng kết nối Tuy nhiên báo đề cập đến góc độ điều chỉnh mức độ phát bên phát thông qua điều chỉnh cửa sổ tắc nghẽn Để giảm khả xảy segment, host TCP phát có thủ tục điều khiển tắc nghẽn cho kết nối TCP, thủ tục sử dụng tốc độ đến ACK kết nối để ổn định tốc độ đưa segment vào Internet Bên cạnh thủ tục điều khiển lưu lượng dùng cửa sổ trượt, kết nối TCP có biến cửa sổ tắc nghẽn Wc kết hợp với thủ tục điều khiển tắc nghẽn Mỗi kết nối phải trì biến thực truyền segment kết nối cửa số trạng thái mở (con hạn mức truyền) Phần lại báo tổ chức sau: phần II, miêu tả hoạt động điều khển tắc nghẽn Phần III, IV V giới thiệu giải pháp TAHOE, RENO, NEWRENO Phần VI VI giới thiệu giải thuật cho mạng tộc độ cao độ trễ lớn BIC-TCP CUBIC Phần VIII cung cấp kết mơ phân tích lý thuyết Cuối cùng, kết luận báo phần IX II Như trình bày, thủ tục điều khiển tắc nghẽn có tác dụng xảy trường hợp mạng nặng tải trạng thái luồng segment điều khiển cửa sổ tắc nghẽn Wc Còn trường hợp mạng có tải nhẹ điều khiển cửa sổ phát Ws Tuy nhiên, kết nối TCP bắt đầu truyền chưa nhận ACK nên TCP phát mức độ tải hành mạng Nên để ngăn tránh việc truyền khối lượng lớn segment (lên đến kích thước cửa sổ Ws cực đại thỏa thuận đầu phát nhận) kích thước sổ tắc nghẽn Wc thiết lập ban đầu segment Do kích thước Wc tính theo đơn vị byte nên giá trị ban đầu với kích thước segment lớn MSS (Maximum Segment Size) thỏa thuận đầu thu phát kết nối TCP vào lúc thiết lập kết nối ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN TRONG TCP Cơ chế điều khiển lưu lượng TCP nhằm tránh tượng tải/tắc nghẽn phía TCP nhận tốc độ TCP phát cao tốc độ xử lý TCP nhận Tuy nhiên, khơng giải tình trạng tắc nghẽn đường truyển luồng TCP truyền qua mạng (ví dụ Internet) Hiện tượng tắc nghẽn mạng gây router hay gateway đường luồng TCP bị tắc nghẽn khoản thời gian tải nặng Trong khoản thời gian tắc nghẽn này, đệm dùng ISBN: 978-604-67-0635-9 51 51 HộiHội Thảo Quốc GiaGia 2015 Công CôngNghệ NghệThông Thông (ECIT 2015) Thảo Quốc 2015vềvềĐiện ĐiệnTử, Tử,Truyền TruyềnThông Thông TinTin (ECIT 2015) Thủ tục điều khiển cửa sổ tắc nghẽn thực TCP phát bắt đầu pha truyền liệu kết nối cách gởi segment với kích thước MSS Sau khởi tạo định thời phát lại RTO (Retransmission TimeOut) cho segment chờ nhận ACK cho segment Nếu thời gian định thời phát lại hết hạn phát lại segment Nếu nhận ACK trước thời hạn Wc tăng lên segment với kích thước segment MSS TCP phát sau phát segment ACK nhận cho segment Wc tăng lên segment (MSS byte) Do đó, TCP phát phát segment tiếp tục Wc tăng theo qui luật hàm mũ Mặc dù, Wc tăng nhanh vậy, pha gọi khởi đầu chậm (slow start) tăng từ segment Việc tăng tiếp tục có hết hạn thời gian phát lại segment bị mất, TCP phát nhận ACK nhân (nhiều ACK giống xác nhận cho segment), đạt đến mức cao mức ngưỡng SST (Slow Start Threshold) Với kết nối TCP, SST thiết lập 64 kbyte Tuy nhiên, ví dụ hình giá trị giả định ban đầu 32 kbyte MSS kbyte với 32 segment Trong trường hợp mạng có tải nhẹ - có nghĩa khơng có liên kết đường qua mạng bị tắc nghẽn - luồng segment kết nối điều khiển Ws Wc lớn Ws cực đại Trong trạng thái tất segment truyền với độ biến động trễ độ trễ tương đối số Tuy nhiên, số lượng kết nối mạng tăng dẫn đến mức độ lưu lượng tăng đến mức bắt đầu xảy gói thủ tục điều khiển tránh tắc nghẽn kết nối bắt đầu điều chỉnh cửa sổ Wc kết nối cho phản ánh mức độ tắc nghẽn Khi xảy gói thủ tục điểu khiển tắc nghẽn TCP phát phản ứng lại cách điều chỉnh Wc (giảm Wc) tùy vào trường hợp cụ thể phát gói nhận ACK nhân hay hết thời hạn định thời phát lại Trường hợp thứ : phát gói nhận ACK nhân Việc nhận ACK nhân cho thấy host đích nhận segment Do mức độ tắc nghẽn giả định nhẹ vào lúc nhận ACK nhân thứ liên quan đến segment bị (thủ tục fast retransmit) kích thước Wc giảm phân thủ tục tránh tắc nghẽn thực giá trị Thủ tục gọi khơi phục nhanh (fast recovery) Trong ví dụ hình (a) , vào lúc nhận ACK nhân thứ 3, segment bị phát lại Wc thiết lập lại phân - 32 kbyte - giá trị hành (64 kbyte) Sau Wc tăng trở lại theo thủ tục tránh tắc nghẽn Tuy nhiên, đạt đến 34 segment (34 kbyte) segment thứ bị (giả sử nhận ACK nhân ACK thứ lần 2) làm cho Wc lại bị thiết lập lại phân 17 segment thủ tục tránh tắc nghẽn lại khởi động lại Lần giá trị Wc=17 segment a) Wc (segment/kbyte) nhân ACK 64 nhân ACK thứ Wc = 34 SST= 32 32 SST= 17 16 10 20 30 37 40 50 Trường hợp thứ hai : gói nhận hạn định thời phát lại RTO trường hợp giả định mức độ tắc nghẽn xảy đến segment thuộc kết nối qua mạng Như ví dụ hình 1(b), định thời phát lại hết hạn (RTO), Wc thiết lập lại segment bất chấp giá trị hành thủ tục slow start khởi động lại Như vậy, mức độ tắc nghẽn đạt đến mức làm hạn định thời phát lại luồng segment điều khiển Wc RTT b) Wc (segment/kbyte) RTO 64 RTO thứ SST= 32 32 RTO thứ 16 III 10 20 30 40 50 RTT GIẢI PHÁP TCP-TAHOE TCP Tahoe giải pháp điều khiển tắc nghẽn TCP có sớm V Jacobson đề xuất [3] Giải pháp dựa đặc tả RFC 793 (TCP chuẩn) bao gồm số giải thuật chia thành nhóm : Khắc phục vấn đề ước lượng thời hạn phát lại (RTO), Tăng cường nhận diện gói nhanh Các giải thuật tránh tắc nghẽn (CACongestion Avoidance) khởi động chậm (SS-Slow Start) Hình Điều chỉnh cửa sổ tắc nghẽn : a) Vào lúc nhận ACK nhân ; b) Vào lúc hết hạn định thời phát lại RTO Giả sử Wc đạt đến SST cho thấy đường truyền khơng bị tắc nghẽn thủ tục bước vào giai đoạn Trong giai đoạn thay Wc tăng segment, tăng 1/Wc segment cho ACK nhận Như vậy, giai đoạn Wc tăng segment nhận tập Wc ACK Pha gọi pha tránh tắc nghẽn pha việc tăng Wc mang tính cộng Giai đoạn tiếp tục Wc đạt đến mức ngưỡng thứ – ví dụ 64 kbyte – Wc trì khơng đổi giá trị Cải tiến : Nếu giá trị RTO ước lượng cao viện nhận gói q bảo tồn hiệu suất luồng TCP riêng biệt suy giảm nghiêm trọng Trong trường hợp ngược lại, giá trị RTO ước lượng không 52 52 HộiHội Thảo Quốc vàCông CôngNghệ Nghệ Thông (ECIT 2015) Thảo QuốcGia Gia2015 2015về vềĐiện Điện Tử, Tử, Truyền Truyền Thông Thông Thơng Tin Tin (ECIT 2015) mức chế phát lỗi gây tình trạng phát lại khơng cần thiết, lãng phí tài ngun mạng dùng chung làm cho tắc nghẽn toàn mạng tồi tệ Do thực tế phân biệt ACK cho gói phát lần đầu hay cho gói phát lại nên việc tính tốn RTO phức tạp khơng đáng kể (