Đánh giá hiệu năng của cơ chế quản lý hàng đợi sred và rared

Để tránh được sự tắc nghẽn trong mạng, tận dụng được tối đa băng thông của đường truyền, để hiệu chỉnh sự mất gói tin, thì TCP bên gửi đã điều chỉnh kích thước cửa sé tắc nghẽn giảm đi m

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO DAI HOC HUE

TRUONG DAI HOC KHOA HOC

NGUYEN THI MY NGA

DANH GIA HIEU NANG CUA CO CHE

QUAN LY HANG DOI SRED VA RARED

LUAN VAN THAC SI KHOA HOC

CONG NGHE THONG TIN

Thira Thién Hué, 2020

Trang 2

Vì vậy việc lựa chọn phương pháp nào phù hợp cần phải được phân tích thật cần thận nhằm tận dụng ưu điểm của mỗi phương pháp đề giải quyết tránh tắc nghẽn

Luận vin “DBANH GIA HIEU NANG CUA CO CHE QUAN LY HANG DOI SRED VA RARED” Tiến hành tìm hiểu, mô phỏng, phân tích và đánh giá cơ chế

quan ly hàng đợi RED và các cải tiến, đánh giá sự ảnh hưởng của các luồng lưu lượng đột biến tác động lên các luồng có sẵn trong mạng

Với mục tiêu trên, tôi đã dành thời gian tìm hiểu, nghiên cứu, mô phỏng, đánh

giá các thuật toán quản lý hàng đợi AQM dùng trong mạng truyền thống là RED và mở rộng của nó là SRED và RARED và một số cơ chế khác Thông qua mô phỏng

Phạm vi nghiên cứu là nghiên cứu các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực dựa trên

các tài liệu, giáo trình hiện có, đồng thời nghiên cứu các bài báo, cải tiến dựa trên việc tính toán chiều dài hàng đợi

Luận văn sử dụng lý thuyết mạng và lý thuyết về cơ chế quản lý hàng đợi tích

cực, từ đó tiến hành cải đặt, mô phỏng, so sánh và đánh giá hiệu năng của cơ chế quản

lý dựa vào chiều dài hàng đợi RED và các cơ chế cải tiến SRED và RARED

Kết quả mô phỏng được đánh giá dựa trên tỷ lệ mất gói tin, hiệu suất sử dụng

đường truyén, mức độ sử dụng hang đợi, độ trễ và biến thiên độ trễ

Nội dung luận văn được trình bày trong 3 chương:

Chương I Tổng quan về các cơ chế điều khiển tránh tắc nghẽn trong mạng TCP/IP

Chương này mô tả tổng quan về mạng Internet, cách thức điều khiển, chống tắc nghẽn trong mạng TCP Đồng thời, chương này giới thiệu các kỹ thuật quản lý hàng

đợi, phân loại các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực

Chương 2 Quản lý hàng đợi RED và các cải tiến hàng đợi SRED và RARED Chương này đi sâu, chỉ tiết vào cơ chế quản lý hàng đợi truyền thống, cơ chế quản lý hàng đợi RED Ngoài ra còn trình bày chỉ tiết về cách thức hoạt động, thuật toán, ảnh hưởng của các tham số của một số cơ chế quản lý hàng đợi tích cực cải tiến hàng đợi SRED và RARED

Chương 3 Phân tích một số kết quả mô phỏng và đánh giá

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là quá trình nghiên cứu của tôi Kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực Mọi thông tin tham khảo đều được trích dẫn đầy

đủ Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về cam đoan này

Học viên

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin được gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô trong khoa Công nghệ thông tin —

Đại học Khoa học Huế đã tận tình giảng dạy, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho

tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu

Tôi xin được gửi lời cảm ơn đến thầy PGS.TS Võ Thanh Tú, Thầy đã tận tình

hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Tôi xin Chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình đã động viên và

tạo điều kiện cho tơi hồn thành tốt luận văn

Học viên

Nguyễn Thị Mỹ Nga

Trang 5

MỤC LỤC

Trang

0909.0069000 Ắ i

LOT CAM ON ooo coo cccosssessssessessssssesssssetessenssissssetessasisiassssessisessiessieessesssiesssessseeeens ii MUC LUC oie ccoccccssssssssessssessssssssssvsessssasssssssssssssssssasinssiisessisessisessiesssenssseessesssees iii

DANH MỤC CÁC BÁNG 22222 22222212211221221221222222222re Vv DANH MỤC CÁC HÌNH - 2-22 2 22222122122112112121121121212222 re vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 22222221122122122212222222222 xe vii MỞ ĐẦU 52: 2222222212211221122111221122111211 2112212111 1 Chuong 1 TONG QUAN VE CAC CO CHE DIEU KHIEN TRANH TAC

NGHẼN TRONG MẠNG TCP/IP - 2222222 22212222122231222312111211 221 2E ctre 4

1.1 Điều khiển tắc nghẽn và nguyên lý điều khiên tắc nghẽn trong mạng TCP/IP 4 1.1.1 Điều khiển tắc nghẽn 2 222222 221221112111211211211212222 xe 4 1.1.2 Nguyên nhân tắc nghến - 222222 2212221127122111211212122222 e6 4 1.1.3 Nguyên lý tắc nghẽn 22-222 2222212211121112112112112222222ee 5

1.2 Cơ chế quản lý hàng đợi -©25222222112212212212122122122222 xe 1

1.2.1 Những cơ chế quản lý hàng đợi: 522222222 221222112212221221222 e6 8

1.2.2 Hang dot FIFO .c0ccccccccccsssessssessssessssssssessessssssessssessssessssesssessisesseeesveeee 8 1.2.3 Hàng doi wu tién (PQ) oecceccccsscessssessssessssessestsssessssessssessssessstessessneesieee 8

1.2.4 Hang doi classe — based hay hang doi cân bằng — FQ 9

1.2.5 Hàng đợi cân bằng trọng số (WFQ) 222222 222222122212221221.2 xe 10

1.2.6 Hàng đợi Defieit Roud Robin (DRR) S2 S2 crsierrerrrerre 10 1.3 Phân loại các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực 22-2222222z22zzzzxce2 10

1.4 Kết luận chương Ì - 22 22222212211221121112111221121112112212212222 xe 12 Chương 2 QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI RED VÀ CÁC CẢI TIỀN HÀNG ĐỢI SRED VÀ RARED 00 2202212222022 13

2.1 Cơ chế quản lý hàng đợi tích cực (AQM) 52-222 222222122122222 2 xe 13

2.2 Cơ chế quản lý hàng đợi RED 22-522 222222122212221222112112122222 e0 14

2.2.1 Thuật toán RED :- 255: 222 22122221222112211211121121121 21 ca 15 2.2.2 Ưu và nhược điểm của cơ chế RED 22:2222 2222222222122 18

Trang 6

2.3 Đánh giá hiệu năng của cơ chế quản lý hàng đợi SRED và RARED 18 2.3.1 Cơ chế quản lý hàng đợi SRED 22-222 2222212211121122122.2 xe 18

2.3.1.1 Thuật toán SRED -2:-222: 2222 221222112221122212211211 21 c1 e 21 2.3.1.2 Ưu và nhược điểm của cơ chế SRED - ©22¿2552c2225ce2 22

2.3.2 Cơ chế quản lý hàng đợi RARED 22222 2222212211121112112112112 xe 23

2.3.2.1 Thuật toán của cơ chế RARED - 22222121 211512152121121212E1 2x E2 24

2.3.2.2 Ưu và nhược điểm của cơ chế RARED ©22¿252c2222cc2 ø5

2.4 So sánh các cơ chế quản lý hàng đợi: -522222222222212221222122122 e6 26

2.5 Kết luận chương 2 22 22222222112111211121112112211221112121121221212 re 28 Chương 3 CÀI ĐẶT MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG 29

3.1 Giới thiệu chương trình mô phỏng NS2 .- 2c senneirerrrrrre 29 3.2, Car dat kich bản mô phỏnE szsssesissesirtsgoiiti8EERGSEHSVESEH(ASEntS(ARĐ874ngĐi 31 3.3 Phân tích và đánh giá hiệu năng .- c2 nhang e 33

3.3.1 So sánh kết quả mơ phỏng -©22-S2S22122212112211221122122122 2 te 33

Trang 7

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang 8

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang Hinh 1.1 Sơ đồ nguyên nhân tắc nghẽn TCP -22S222212221122112212212222 e6 5

Hình 1.2 Co ché quan ly hang dot oo ceee cece cesses eeeeeeeeeeesetetteesetesetesetteeeeeeeees 8 Hinh 1.3 Cơ chế hoạt động của hàng đợi FQ 222 2222212221221222.21222 2 e6 9

Hình 1.4 Cơ chế hoạt động của hàng đợi WEFQ cnnnhhhrrrereree 10

Hình 1.5 Phân loại cơ chế quản lý hàng đợi tích cực . 22-222222zzz2zce2 11 Hình 2.1 Xác suất loại bỏ gói tin và chiều dài hàng đợi trong RED 16

Hình 2.2 Lưu đồ thuật toán RED co 17

Hình 2.3 Lưu đồ thuật toán SRED 22:222222222211221122212221221221 co 21 Hình 2.4 Lưu đồ thuật toán RARED -2 22-2222 22212211222122212211211 te 25 Hình 3.1 Mô hình kiến trúc NS2 : 22222222 221222212223122211221 221 2E ctke 30 Hình 3.2 Hoạt động của chương trình mô phỏng NŠ2 c se 30 Hình 3.3 Hình ảnh các kết nối trong kịch bản mô phỏng .2-©22- 552225222 33 Hình 3.4 Đỗ trễ của các cơ chế trong kịch bản có 20 nút kết nối - 35 Hình 3.5 Đỗ trễ của các cơ chế trong kịch bản có 40 nút kết nối

Hình 3.6 Tận đụng băng thông của các cơ chế trong kịch bản có 20 nút kết nối .36 Hình 3.7 Tận đụng băng thông của các cơ chế trong kịch bản có 40 nút kết nối .37

Trang 9

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AQM Active Queue Management

INTERNET Mạng toàn cầu

IP Internet Protocol NS2 Network Simolution 2 RED Random Early Detection TCP Transmission Control Protocol

SRED Stabilized RED

RARED Refined Adaptive RED

Trang 10

MO DAU

Với sự tiến bộ nhanh chóng của các công nghệ truyền thông và mạng trong ba thập kỷ qua, Internet đã đổi mới hệ thống nhân tạo lớn nhất thé giới Nó là một trong những phương tiện truyền thông nhanh nhất Người †a có thể tập hợp và biến đổi

trực tiếp các thông tin như dữ liệu, lời nói và phim, dưới dạng E-maIl, trang web, hội nghị trực tuyến và TV/Radio trực tuyến Vấn đề liên lạc, thông tin được cập nhật

liên tục, việc truyền tải thông tin ngày càng được quan tâm đặc biệt Các ứng dụng thời gian thực trên Internet ngày càng được quan tâm và phát triển một cách nhanh

chóng, vượt bậc

Vấn đề đặt ra là làm sao dữ liệu truyền đi một cách nhanh nhất, có được độ tin cậy cao nhất, tránh mất mát dữ liệu tốt nhất, giảm thiểu tối đa hiện tượng tắc nghẽn

có thể xây ra khi truyền tin Internet là một hệ thống kết nối mạng toàn cầu đảm bảo liên thông giữa các hệ thống máy tính và thiết bị trên điện rộng Internet ngày càng phát triển không chỉ về số lượng kết nối mà còn về sự đa dạng của các lớp ứng dụng Do đó, vấn để xây ra tắc nghẽn trên Internet là không thể tránh khỏi

Hiện tượng tắc nghẽn trong mạng xảy ra khi có quá nhiều lưu lượng truyền đến,

khiến các nút mạng không có đủ khả năng để phục vụ cho tất cả Để tránh được sự

tắc nghẽn trong mạng, tận dụng được tối đa băng thông của đường truyền, để hiệu chỉnh sự mất gói tin, thì TCP bên gửi đã điều chỉnh kích thước cửa sé tắc nghẽn giảm đi một nửa, trong gói tin tiếp theo, cơ chế quản lý hàng đợi tích cực RED là cơ chế

được sử dụng phổ biến nhất, đại diện cho nhóm cơ chế quản lý hàng đợi dựa trên

chiều dài hàng đợi này

RED kiểm soát tắc nghẽn tại nút mạng bằng cách kiểm tra độ dài trung bình hàng đợi khi các gói tin đến và đưa ra quyết định nhận gói, đánh dấu hoặc loại bỏ gói tin Ngoài ra còn sự quản lý hàng đợi hoạt động tích cực (AQM : Active Queue

Management) để hiệu chỉnh việc tắc nghẽn trước khi bộ đệm tràn, thông qua bộ định

Trang 11

Vì vậy việc lựa chọn phương pháp nào phù hợp cần phải được phân tích thật cần thận nhằm tận dụng ưu điểm của mỗi phương pháp đề giải quyết tránh tắc nghẽn

Luận vin “DBANH GIA HIEU NANG CUA CO CHE QUAN LY HANG DOI SRED VA RARED” Tiến hành tìm hiểu, mô phỏng, phân tích và đánh giá cơ chế

quan ly hàng đợi RED và các cải tiến, đánh giá sự ảnh hưởng của các luồng lưu lượng đột biến tác động lên các luồng có sẵn trong mạng

Với mục tiêu trên, tôi đã dành thời gian tìm hiểu, nghiên cứu, mô phỏng, đánh

giá các thuật toán quản lý hàng đợi AQM dùng trong mạng truyền thống là RED và mở rộng của nó là SRED và RARED và một số cơ chế khác Thông qua mô phỏng

Phạm vi nghiên cứu là nghiên cứu các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực dựa trên

các tài liệu, giáo trình hiện có, đồng thời nghiên cứu các bài báo, cải tiến dựa trên việc tính toán chiều dài hàng đợi

Luận văn sử dụng lý thuyết mạng và lý thuyết về cơ chế quản lý hàng đợi tích

cực, từ đó tiến hành cải đặt, mô phỏng, so sánh và đánh giá hiệu năng của cơ chế quản

lý dựa vào chiều dài hàng đợi RED và các cơ chế cải tiến SRED và RARED

Kết quả mô phỏng được đánh giá dựa trên tỷ lệ mất gói tin, hiệu suất sử dụng

đường truyén, mức độ sử dụng hang đợi, độ trễ và biến thiên độ trễ

Nội dung luận văn được trình bày trong 3 chương:

Chương I Tổng quan về các cơ chế điều khiển tránh tắc nghẽn trong mạng TCP/IP

Chương này mô tả tổng quan về mạng Internet, cách thức điều khiển, chống tắc nghẽn trong mạng TCP Đồng thời, chương này giới thiệu các kỹ thuật quản lý hàng

đợi, phân loại các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực

Chương 2 Quản lý hàng đợi RED và các cải tiến hàng đợi SRED và RARED Chương này đi sâu, chỉ tiết vào cơ chế quản lý hàng đợi truyền thống, cơ chế quản lý hàng đợi RED Ngoài ra còn trình bày chỉ tiết về cách thức hoạt động, thuật toán, ảnh hưởng của các tham số của một số cơ chế quản lý hàng đợi tích cực cải tiến hàng đợi SRED và RARED

Chương 3 Phân tích một số kết quả mô phỏng và đánh giá

Trang 12

quả mô phỏng được đánh giá dựa trên cùng các tiêu chí như: tỷ lên mắt gói, hiệu suất

sử dụng đường truyền, mức độ sử dụng hàng đợi, độ trễ và biến thiên độ trễ, từ đó

đưa ra đánh giá

Phần kết luận, tóm tắt các nội dung đã tìm hiểu, đánh giá các kết quả đã đạt

được của luận văn, đưa ra hướng nghiên cứu mở rộng tiếp theo

Trong quá trình làm luận văn, do khả năng còn hạn chế thời gian thực hiện nên

luận văn không thể tránh khỏi các sai sót

Kính mong nhận được sự chỉ bảo của quý Thầy Cô giáo, các nhận xét và góp ý

Trang 13

Chuong 1 TONG QUAN VE CAC CO CHE DIEU KHIEN TRANH TAC

NGHEN TRONG MANG TCP/IP

Khi mạng xảy ra tắc nghẽn nếu không được xử lý kịp thời sẽ gây ra các hậu quả nghiêm trọng Các gói tin không được xử lý, nên không chuyển được đến đầu cuối của người nhận, sẽ ùn tắc trong mạng Do đó cần phải tìm hiểu nguyên nhân tắc nghẽn

1.1 DIEU KHIEN TAC NGHEN VA NGUYEN LY DIEU KHIEN TAC

NGHEN TRONG MANG TCP/IP

1.1.1 Điều khiển tắc nghẽn

Trong quá trình hoạt động, mạng có thê rơi vào trạng thái không đủ khả năng đáp ứng các chỉ tiêu chất lượng cho các kết nối đã được thiết lập hay cho một yêu cầu kết nối mới do sự biến đổi bất thường, khơng dự đốn được của đòng lưu lượng cùng với tinh trang lỗi của các phần tử mạng (các chuyển mạch, đường truyền, .) Trang thái này được gọi là tắc nghẽn

Đề nghiên cứu điều khiển tắc nghẽn, chúng ta cần tìm hiểu các nguyên nhân gây ra tắc nghẽn cũng như các nguyên lý điều khiến tránh tắc nghẽn [1]

1.1.2 Nguyên nhân tắc nghẽn

- Thời gian chờ xử lý, xếp hàng vào hàng đợi quá lớn Nếu luồng các gói tin từ 3 hay 4 đường vào và tất cả đều cùng cần ra cùng một đường thì hàng đợi chờ xử lý sẽ bị đầy (đo phải lưu gói tin, phải tạo các bảng định tuyến) Nếu khả năng xử lý của các nút yếu hay nói cách khác các CPU tại các router xử lý chậm các yêu cầu sẽ dan đến tắc nghẽn

- Kích thước hàng đợi quá nhỏ: Nếu bộ nhớ không đủ dung lượng để lưu trữ các gói tin chờ xử lý thì một số gói tin sẽ bị mất Có thé tăng dung lượng bộ nhớ đệm

lên để khắc phục tắc nghẽn, nhưng nếu các router có bộ nhớ không xác định thì sự

tắc nghẽn chẳng tốt hơn tý nào mà trở nên xấu hơn do số bản sao được gửi tăng lên, làm tăng lượng thông tin ở nơi nhận tin

- Tần suất lỗi mạng cao và độ trễ lớn Đối với mạng cố định, việc mất gói tin

Trang 14

Cơ chế điều khiển chống tắc nghẽn của TCP sẽ căn cứ vào sự kiện mất gói tin và kiểm tra trễ quá time — Out dé xác định tắc nghẽn trong mạng TCP không có khả năng phân biệt giữa mất gói tin do đường truyền hay mất gói do tắc nghẽn

Mỗi khi xảy ra hiện tượng trên TCP giảm tốc độ truyền Vấn để này không phù hợp với truyền thông di động vì hiệu suất đường truyền sẽ bị hạ thấp

Khi máy chủ truyền các gói tin vào mạng con nếu lượng thông tin truyền thấp thì các gói tin này sẽ được truyền đi, ngoại trừ vài gói tin bị hỏng đo lỗi truyền và số lượng gói tin tăng lên, những roufer không còn khả năng điều chỉnh, đánh mắt chúng Điều này có khuynh hướng làm cho vấn đề trầm trọng hơn khi lưu lượng lưu thông quá cao, sự truyền bị phá bỏ hoàn tồn và hầu như khơng có gói tin nào được truyền di Hinh 1.1 trình bày nguyên nhân tắc nghẽn TCP

Khi xây ra tắc nghẽn, lưu lượng truyền các gói tin trong mạng tụt hẳn, được biéu thi bằng đường cong xuống

Sẽ gol fin ờ 2

giao nhận Ey tteding (88 goi tim gũi — sô gói tin HBẬN)

Giới hạn truyền thông cực đại l lang muôn an linge tễ qxây ra tắc nghấm)

56 edi tin gitt a

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên nhân tắc nghẽn TCP 1.1.3 Nguyên lý tắc nghẽn

Nhiều vấn đề trong hệ thống phức tạp như mạng máy tính có thể được xem xét dựa trên quan điểm của lý thuyết điều khiển Phương pháp này dẫn đến việc chia tất cả các cách giải quyết thành 2 nhóm: Vòng mở và vòng đóng

Trang 15

loại bỏ gói tin Sau đó quyết định trình tự ở các điểm khác nhau trong mạng Quyết định này không xem xét đến lưu lượng của mạng

Giải quyết vòng đóng dựa vào khái niệm chính là vòng phản hồi, đây là phương pháp gồm 3 bước:

Bước 1: Làm chủ hệ thống để phát hiện tắc nghẽn xây ra khi nào và ở đâu Đây là điều tất yếu phải thực hiện đề phát hiện tắc nghẽn có xảy ra hay không, nếu tồn tại thì xây ra khi nào, ở đâu để có biện pháp khắc phục Khi xác định được tắc nghẽn ở

dau, luc đó bước thứ 2 sẽ được thực hiện

Bước 2: Chuyên thông tin đến những nơi (bộ định tuyến) mà ở đó có tiến hành giải quyết được công việc bằng cách chuyên thông tin báo tắc nghẽn cho các bộ định tuyến khác hay là để bộ định tuyến phát hiện tắc nghẽn gửi cho bộ định tuyến nguồn Tất nhiên, các gói tin phụ sẽ làm tăng tải

Bước 3: Khi nhận được thông tin về sự tắc nghẽn, máy chủ có những hành động thích hợp để giảm sự tắc nghẽn như: Sắp xếp lại tuyến đường truyền tin, hạn chế không cho truyền gói tin vào những đường xảy ra tắc nghẽn

Có nhiều phương pháp điều khiến tắc nghẽn, các phương pháp có thê hoạt động ở nguồn hoặc ở đích [1]

Hoạt động ở nguồn, bao gồm gói tin được gửi đi, trở lại từ điểm tắc nghẽn báo cho nguồn hoặc nguồn suy đoán về sự tồn tại của tắc nghẽn bằng việc quan sát tình

trạng mạng, như là thời gian cần thiết cho sự báo nhận đi trở lại

Hoạt động ở đích, khi có tắc nghẽn có nghĩa tải nạp tạm thời lớn hơn lượng tin

có thể quản lý Hai giải pháp có thể thực hiện để giải quyết vấn để này là tăng tài nguyên (lượng thông tin có thể lưu trữ) hoặc giảm tải

Tuy nhiên, đôi khi không thê tăng khả năng tài nguyên lên được hoặc nếu tăng thì chỉ tăng đến một giới hạn nhất định Cách duy nhất để tác động sự tắc nghẽn là giảm tải Đề giảm tải có thể sử dụng cách phủ nhận địch vụ ở nơi sử dụng, giảm bớt

dịch vụ một vài nơi hoặc tất cả các nơi sử dụng hoặc có kế hoạch về nhu cầu nơi sử

dụng theo phương pháp có thể dự đoán được

Trang 16

1.2 CO CHE QUAN LY HANG DOI

Có hai phương pháp quản lý hàng đợi, đó là quản lý hàng đợi thụ động và quan lý hàng đợi tích cực:

- Quản lý hàng đợi thụ động: là kỹ thuật thiết lập một giá trị chiều đài cực đại

cho mỗi hàng đợi, gói tin được chấp nhận đưa vào hàng đợi cho đến khi hàng đợi

đạt giá trị này Sau đó, sẽ loại bỏ những gói tin được chuyển đến tiếp theo cho đến khi các gói trong hàng đợi được giảm nhờ vào các gói đã được truyền đi

- Kỹ thuật này có 2 hạn chế:

Thứ nhất, gây ra vài luồng dữ liệu độc quyền chiếm giữ hàng đợi, ngăn chặn các luồng khác trong cùng hàng đợi, hiện tượng này sẽ kéo theo sự tắc nghẽn đồng

bộ trên toàn mạng;

Thứ hai, có thê làm cho hàng đợi luôn bị duy trì ở trạng thái đầy trong suốt thời gian dài, điều này đã tác động đến tất cả các gói tin đến sau của bất cứ luồng nào đều

bị loại bỏ, có thể dẫn đến một sự đồng bộ hoá ở phạm vi lớn, làm cho lưu lượng toàn

bộ quá trình giảm xuống đáng kẻ

- Quản lý hàng đợi tích cực (AQM) là một kỹ thuật mà các nút mạng chủ động

loại bỏ gói từ ngay trong hàng đợi nhằm tránh tràn hàng đợi và thông báo dấu hiệu tắc nghẽn về nguồn gửi, để nguồn gửi điều chỉnh tốc độ gửi gói hay định tuyến lại tránh tắc nghẽn Mục tiêu quan trọng nhất của các giải thuật AQM là ngăn ngừa sự

tắc nghẽn trước khi nó thực sự xuất hiện Như vậy, việc sử dụng hiệu quả các giải

thuật quan ly hàng đợi sẽ đem lại những hiệu quả đó là: giảm bớt sự mất mát các gói

tin, đạt được một lưu lượng truyền dữ liệu cao và một độ trễ hàng đợi thấp

- Điều này thật sự là một cải thiện rất tốt cho những ứng dụng tương tác như duyệt

web hay các cuộc hội thoại trực tiếp Một mục tiêu quan trọng khác của quản lý hàng đợi

tích cực là quản lý tắc nghẽn với yêu cầu ngăn ngừa sự đồng bộ hóa toàn cuc (global synchronization) bằng sự ngẫu nhiên trong quyết định đánh dấu hay loại bỏ gói tin

- Khi một sự tắc nghẽn được nghi ngờ trên một mối liên kết nào đó, đa số những

giải thuật quản lý hàng đợi không đánh dấu hay loại bỏ gói tin một cách nhất định mà là ngẫu nhiên Xác suất đánh đấu hay loại bỏ của một gói tin được chuyển đến thông

Trang 17

Hình 1.2 Cơ chế quản lý hàng đợi 1.2.1 Những cơ chế quản lý hàng đợi:

Các bộ định tuyến chính trong mạng Internet được cầu hình có nhiều hàng đợi

với kích thước lớn, do đó các gói truyền trong mạng sẽ phải mắt một thời gian dai dé truyền trong hàng đợi Trễ hàng đợi thậm chí còn lâu hơn cả trễ truyền trong mạng

Mục đích chính của hàng đợi là điều khiển lưu lượng, chống tắc nghẽn trong mạng Quản lý hàng đợi có các tính năng sau:

- Giảm số lượng các gói bị loại bỏ trong hàng đợi: Các gói thường đến mạng dưới dạng bó, chủng loại rất phong phú và có tốc độ không cố định

- Cung cấp các dịch vụ tương tác có độ trễ thấp: Do quản lý hàng đợi giữ kích thước trung bình của hàng đợi nhỏ nên giảm độ trễ trong các luồng

Trong bộ định tuyến, cé cac loai hang doi: FIFO, PQ, FQ va WFQ

1.2.2 Hang doi FIFO

Thực hiện theo nguyên tắc gói tin vào trước được truyền đi trước Đây là thuật toán được sử dụng rộng rãi, không phân biệt các gói tin có yêu cầu về chất lượng khác nhau Nếu các gói tin đến và hàng đợi đây thì hủy bỏ, ta goi là hủy bỏ phần đuôi (Droptal)

Ưu điểm của FIFO là hàng đợi đơn giản, không cần sử dụng thuật toán điều

khiển Nhược điểm là không phân biệt được các lớp lưu lượng

1.2.3 Hàng đợi ưu tiên (PQ)

Để khắc phục nhược điểm của hang doi FIFO, mỗi hàng đợi có một sự ưu

Trang 18

dến n Thứ tự lập lịch được xác định bởi thứ tự ưu tiên và không phụ thuộc vào vị

trí của gói tin

- Ưu điểm của PQ là phương pháp đơn giản phân biệt các lớp lưu lượng

- Nhược điểm là luôn hướng đến hàng đợi có độ ưu tiên cao hơn, do đó các

hàng đợi có độ ưu tiên thấp hơn có thê không có cơ hội được xử lý

1.2.4 Hang doi classe — based hay hang doi cin bang — FQ

Hang doi cân bằng rất đơn giản, nó không yêu cầu một kỹ thuật chỉ định băng thông phức tạp nào Nếu một hàng đợi mới được thêm vào N hàng đợi cho trước đó

để tạo một lớp lưu lượng mới, bộ lập lich sẽ tự động đặt lại băng thông của mỗi hàng

đợi bằng 1/(N+1) Đơn giản chính là ưu điểm chính của hàng đợi cân bằng Nhược điểm của hàng đợi cân bằng là: có hai nhược điểm chính

Thứ nhất: khi băng thông đầu ra được chia thành N hàng đợi thì tương ứng mỗi hàng đợi sẽ có băng thông là 1/N, nếu các lớp lưu lượng đầu vào có yêu cầu băng thông khác nhau, thì FQ không thể phân bố lại băng thông đầu ra theo yêu cầu băng thông của các lớp lưu lượng đầu vào

Thứ hai: kích thước gói tin không được quan tâm trong FQ trong khi đó, kích

thước gói tin lại ảnh hưởng đến sự phân bố băng thông thực tế, thậm chí bộ lập lịch

vẫn hoạt động theo nguyên tắc cân bằng (mỗi hàng đợi sẽ có 1/N băng thông, bộ lập

Trang 19

1.2.5 Hàng đợi cân bằng trọng số (WFQ)

WFQ ding nhiéu hang doi dé tach biệt các luồng và cấp lượng băng thông như nhau vào mỗi luồng Hay sự cấp phát băng thông cân bằng được định nghĩa là các luồng trong cùng một lớp có dung lượng nhỏ thì được cấp phát băng thơng tồn bộ theo yêu cầu, những thời điểm có mật độ các luồng cao sẽ được chia sẽ băng thông đề sử dụng Điều này ngăn chặn trường hợp một ứng dụng nào đó

Cac oi tin

_ 'Chưuyễn hãng gửi đi Gói tin chuyin din ¬

aha oe

Lire hong duce xi ly cân bằng

te T- = F

thần loại lưu lượng đựa trên: Sap nap tai Trong lwong xac dinh bai:

-BDia chi nguén va dia chi nguyên hàng đợi -Yêu cảu cia Qos

dich os Tương phải Lí -iap thức =

Hình 1.4 Cơ chế hoạt động của hàng đợi WFQ

1.2.6 Hang doi Deficit Roud Robin (DRR)

Cung cap wu tién cho lwu long thdi gian nhu VoIP, các gói tin IP được ánh xạ sang các hang đợi khác nhau căn cứ vào các bit ưu tiên Tất cả hàng đợi đều phục vụ theo kiểu xoay vòng (RR), ngoại trừ một hàng đợi ưu tiên dùng để kiểm soát lưu thoại DRR hỗ trợ tương tự như WFQ nhưng cho các giao tiếp tốc độ cao

1.3 PHAN LOAI CAC CO CHE QUAN LY HANG DOI TICH CUC

Quản lý hàng đợi là một nhóm tổ hợp các phương pháp quản lý hàng doi va lập lịch gói, đây là một trong những cơ chế cung cấp chất lượng địch vị (QoS)

Quan ly hang đợi quyết định việc phân phối hàng đợi và loại bỏ các gói tin đến theo một chính sách được quyết định trước Trong khi đó lập lịch cho phép quản lý băng thông hay nói cách khác là nó quyết định xem gói nào sẽ được đưa ra hàng đợi nào

Do đó có rất nhiều thuật toán được đưa ra trong kỹ thuật quản lý hàng đợi Theo

các số liệu sử dụng để đo tình trạng tắc nghẽn, quản lý hàng đợi tích cực có thể được

phân loại thành ba dạng:

Trang 20

- Quản lý hàng đợi tích cực dựa vào kích thước hàng đợi - Quản lý hàng đợi tích cực dựa vào tải nạp

- Quản lý hàng đợi tích cực dựa vào kích thước hàng đợi và tải nạp

Các phương pháp quản lý hàng đợi:

- Phương pháp AQM dựa trên chiều đài hàng đợi

- Phương pháp dựa trên sự kiểm soát lưu lượng (tải nạp)

- Phương pháp AQM khác sử dụng kết hợp cả chiều đài hàng đợi

Các phương pháp AQM khác sử dụng kết hợp cả độ dài hang đợi và kiêm soát

tải nạp để đo lường tắc nghẽn và đạt được sự cân bằng giữa độ ổn định của hàng đợi

Trang 21

Với cơ chế quản lý hàng đợi dựa trên chiều dài hàng đợi, mục đích của quá

trình điều khiển là làm ổn định chiều dải hàng đợi tại nút mạng, giảm số lượng gói

tin phải loại bỏ, giảm thiểu độ trễ của gói tin lưu thông trong mạng, nâng cao mức độ tận dụng đường truyền mạng

Cơ chế quản lý hàng đợi tích cực RED là cơ chế được sử đụng phô biến rộng

rãi, đại diện cho nhóm cơ chế quản lý hàng đợi dựa trên chiều dài hàng đợi, ở chương

sau của luận văn sẽ phân tích chỉ tiết về cơ chế quản lý hàng đợi tích cực này

1.4 KET LUẬN CHƯƠNG 1

Internet ngày càng phát triên không chỉ về số lượng kết nối mà còn về sự đa dạng của các lớp ứng dụng Vì vậy, vấn đề xảy ra tắc nghẽn trên Internet là không thé tránh khỏi Do đó để đảm bảo thông suốt đường truyền, kiểm soát tắc nghẽn tại các nút mạng bằng cách sử dụng các thuật toán, các giao thức kiểm soát tắc nghẽn

lại đem lại hiệu quả và tính khả thi cao

Chương này đã nêu rõ các vấn đề liên quan đến nguyên nhân xảy ra tắc nghẽn trong quá trình truyền thông, nguyên lý điều khiến tắc nghẽn trong mạng TCP/IP Hiện tượng tắc nghẽn xây ra trong mạng là vấn đề khó tránh khỏi, do đó điều khiển tắc nghẽn ngày càng trở nên cấp thiết Do đó trong chương này đã trình bày rõ các cơ chế quản lý hàng hàng đợi truyền thống, phân loại cơ chế quản lý

hàng đợi tích cực

Trong chương tiếp theo tôi sẽ trình một số cơ chế quản lý hàng đợi tích cực, cơ chế quản lý hàng đợi RED Ngoài ra còn trình bày chỉ tiết về cách thức hoạt động,

thuật toán, ảnh hưởng của các tham số của một số cơ chế quản lý hàng đợi tích cực

cải tiến hang doi SRED va RARED

Trang 22

Chuong 2 QUAN LY HANG DOI RED VA CAC CAI TIEN HANG DOI

SRED VA RARED

Hiện có ba hướng tiếp cận để giải quyết bài toán quan lý hàng đợi tích cực, bao gồm: Quản lý hàng đợi dựa trên chiều dài hàng đợi, quản lý SRED loại bỏ trước các

gói tin có xác suất phu thuộc tải khi bộ đệm trong bộ định tuyến trên Internet hoặc

Intranet đường như bị tắc nghẽn, thuật toán RARED là duy trì kích thước hàng đợi trung bình gần kích thước hàng đợi mục tiêu đã chỉ định RARED thích ứng P._ max

để giữ kích thước hàng đợi trung bình gần kích thước hàng đợi mục tiêu đã chỉ định,

nó phân ánh độ trễ hàng đợi trung bình mong muốn

Chương này đi sâu, chỉ tiết vào cơ chế quản lý dựa trên chiều đài hàng đợi điển hình là cơ chế phát hiện sớm ngẫu nhién (RED)

Đồng thời, chương này còn mô tả, trình bày chỉ tiết về cách thức hoạt động,

thuật toán, lưu đổ, ảnh hưởng của các tham số của một số cơ chế quản lý hàng đợi

tích cực (AQM) cải tiến dựa trên tính toán chiều dài hàng đợi trung bình và xác suất

đánh dấu loại bỏ gói tin khi chiều dài hang doi thay đổi liên tục như: SRED, RARED 2.1 CO CHE QUAN LY HANG DOI TICH CUC (AQM)

Quản lý hàng đợi tích cực (AQM) là một cơ chế phát hiện sự tắc nghẽn trong hệ thống mạng Những giải thuật quản lý hàng đợi tích cực chạy bên trong những bộ định tuyến và phát hiện sự hình thành tắc nghẽn điển hình bằng cách theo đõi chiều dài hàng đợi tức thời hay chiều đài hàng đợi trung bình

Khi kích thước hàng đợi trung bình vượt quá một ngưỡng nhất định nhưng vẫn còn ít hơn khả năng xử lý của hàng đợi, những giải thuật quản lý hàng đợi tích cực xem xét sự tắc nghẽn trên mối liên kết và thông báo trở lại cho những hệ thống bằng cách thả một số gói tin chuyển đến bộ định tuyến

Các giải thuật AQM có thể cũng đặt một bit vào header của một gói tin nào đó

rồi chuyển nó về phía thiết bị nhận của gói tin đó sau khi sự tắc nghẽn được phát hiện Gói tin chứa bit đặc biệt trong quá trình trên gọi là gói tin đánh đấu Những hệ thống

trải qua việc bị đánh dấu hoặc bị mất mát gói tin sẽ giảm nhịp độ truyền dữ liệu để

giải tỏa sự tắc nghẽn và ngăn việc tràn hàng đợi

Trang 23

Mục tiêu quan trọng nhất của các giải thuật AQM là ngăn ngừa sự tắc nghẽn

trước khi nó thực sự xuất hiện Như vậy, việc sử dụng hiệu quả các giải thuật quản

lý hàng đợi sẽ đem lại những hiệu quả đó là: giảm bớt sự mất mát các gói tin, đạt

được một lưu lượng truyền dữ liệu cao và một độ trễ hàng đợi thấp Điều này thật

sự là một cải thiện rất tốt cho những ứng dụng tương tác như duyệt Web hay các

cuộc hội thoại trực tiếp

Một mục tiêu quan trọng khác của quản lý hàng đợi tích cực là quản lý tắc nghẽn với yêu cầu ngăn ngừa sự đồng bộ hóa toàn cục (global synchronization) bằng sự ngẫu nhiên trong quyết định đánh dấu hay loại bỏ gói tin

Khi một sự tắc nghẽn được nghi ngờ trên một mối liên kết nào đó, đa số những

giải thuật quản lý hàng đợi không đánh dấu hay loại bỏ gói tin một cách nhất định mà là ngẫu nhiên Xác suất đánh đấu hay loại bỏ của một gói tin được chuyển đến thông

thường phụ thuộc vào độ ước tính của sự tắc nghẽn trên mối liên kết

Quản lý bộ đệm trong các bộ định tuyến có thể được nhận biết TCP để cả sự

công bằng và thông lượng đều được cải thiện Để xuất sử đụng sơ đồ Phát hiện sớm ngẫu nhiên do Floyd và Jacobson đề xuất [4] Trình bày một số ý tưởng có thể được sử dụng để tăng cường các cơ chế giống như RED

2.2 CO CHE QUAN LY HANG DOI RED

Hoạt động của cơ chế quản lý hàng đợi tích cực RED có khả năng giúp cho hệ thống mạng đạt được thông lượng cao và độ trễ trung bình thấp bằng cách tăng dần mức độ loại bỏ gói tin trong luồng dữ liệu [3] RED xác định tắc nghẽn bằng cách sử dụng hàm di chuyển trọng số theo hàm mũ trung bình (Exponentially Weighted Moving Average - EWMA) của kích thước hàng đợi và xác suất loại bỏ hoặc đánh

dấu các gói tin để kiểm soát tắc nghẽn tại bộ đệm của bộ định tuyến

Thuật toán quản lý hàng đợi RED được đánh giá là tích cực do nó loại bỏ gói tin ngẫu nhiên theo xác suất, xác suất đó tăng khi kích thước hàng đợi trung bình tăng Tốc độ loại bỏ gói tin tăng tuyến tính từ 0, khi kích thước hàng đợi trung bình ở ngưỡng tối thiêu (minm) đến ngưỡng loại bỏ gói cực đại (max;) khi kích thước hàng đợi trung bình đạt ngưỡng tối đa (maxu) RED đảm bảo hiệu suất mạng bằng cách

câu hình các tham sô đâu vào

Trang 24

Giá trị min phải đủ lớn để đảm bảo rằng đường truyền dữ liệu được sử dụng với hiệu suất cao Giá tri maxi phải lớn hơn minạ, ít nhất là phải gấp đôi Sau đây là các tham số RED:

1 Ngưỡng tối thiểu: ming 2 Ngưỡng tối đa: maxu

3 Trọng số hàng đợi: wạ (0 <wa<1) 4 Xác suất loại bỏ tối đa: maxp 5 Xác suất loại gói tin: pp

Các giá trị tham số này phụ thuộc vào số lượng luồng đi qua bộ định tuyến và kích thước các gói tin

2.2.1 Thuật toan RED

Thuật toán RED có 2 phần chính: Ước tính kích thước hàng đợi trung bình và quyết định các gói tin đến có bị loại bỏ hay không?

Phần 1 - Ước tính kích thước hàng đợi trung bình

RED tính toán kích thước hàng đợi trung bình dựa trên sự di chuyển của trọng số theo hàm mũ trung bình dựa vào công thức:

Gave = qavg * (1 - Wa) + Wa * q

Với thuật toán như sau:

If (q != null) / néu hang doi rỗng then

ave = avg * (1 - Wa) + Wa * q; else

ave = ave * q - Wa) f (time — qtime)

(Với, q: chiêu dài hàng đợi hiện tại, qav;: chiêu dài hàng đợi trung bình, wạ: trọng sô

hàng đợi, time: thời điểm hiện tại, qime: thời điểm hàng đợi bắt đầu rỗng) Phần 2 - Phần quyết định loại bỏ gói tin

Trong phân này của thuật toán RED quyết định việc có loại bỏ gói tin hay không, khi kích thước hàng đợi trung bình qau biến đổi từ minm đến maxụ thì các gói tin sẽ

bị loại bỏ với một xác suất trong khoảng 0 đến maxp:

Trang 25

If (minin< qavg < maXtn) then

Po = ((qavg - minu) / (maxu- minn)) * maxp; If (maxin < qavg) po= 1; drop (all_ packet); If (qave < minin) Pv = 0; non_drop (all_ packet);

(Với, pu: xac xuat loai bo goi tin, minm: nguGng tdi thiéu, maxim: nguGng tdi da, maxy: xác suất loại bỏ tối đa) = Average Queue size min,, max,

Hình 2.1 Xác suất loại bỏ gói tin va chiều dài hang doi trong RED

Mặc dù RED là cơ chế quản lý hàng đợi tích cực được sử dụng phổ biến nhất để tránh và kiểm soát tắc nghẽn nhưng nhiều nghiên cứu đã chỉ ra [9] rằng hiệu suất của RED là phụ thuộc lớn vào tình huống mà nó được sử dụng cùng với cách điều chỉnh các tham số của nó: - Thông lượng: Phụ thuộc vào cường độ lưu lượng và cách điều chỉnh các tham sỐ của nó - Độ dài hàng đợi trung bình: Xác suất thả gói tăng lên với độ dài hàng đợi trung bình tăng

- Xác suất mất gói tin: Khi qavg < max, thi cdc gói vẫn bị loại bỏ

- Mức độ sử dụng kết nối: Mức độ sử dụng kết nối tốt trong trường hợp kích

thước hàng đợubộ đệm nhỏ

Độ trễ: Độ trễ có thể tăng lên trong trường hợp kích thước hàng đợi lớn

Trang 27

2.2.2 Ưu và nhược điểm của cơ chế RED

Mặc dù RED là chương trình AQM được sử dụng phô biến nhất để tránh tắc nghẽn và kiểm soát nhưng đã được thấy từ nhiều nghiên cứu [10] [11] [12] rằng hiệu suất của RED là cực kỳ phụ thuộc vào tình huống mà nó được sử dụng cùng với cách

điều chỉnh các tham số của nó Do đó, lợi ích hiệu suất của RED như được nêu trong [2] và những thứ khác thường không đúng - Thông lượng: Phụ thuộc vào cường độ lưu lượng và cách điều chỉnh các tham sỐ của nó - Độ dai hàng đợi trung bình: Xác suất thả gói tăng lên với độ dài hàng đợi trung bình tăng

- Xác suất mắt gói tin: Khi qavg < maxm, thi cdc gói vẫn bị loại bỏ

- Mức độ sử dụng kết nối: Mức độ sử dụng kết nối tốt trong trường hợp kích

thước hàng đợubộ đệm nhỏ

- Độ trễ: Độ trễ có thể tăng lên trong trường hợp kích thước hàng đợi lớn

Đồng thời, việc phụ thuộc vào chiều dai hàng đợi trung bình (các tham số điều

chỉnh kém thích nghi làm tăng số gói tin rơi) trong khi chiều đài hàng đợi, mật độ gói tin luôn thay đổi liên tục, làm cho khả năng phát hiện tắc nghẽn sớm của cơ chế RED

còn chậm

2.3 DANH GIA HIEU NANG CUA CO CHE QUAN LY HANG DOI SRED

VA RARED

2.3.1 Co ché quan ly hang doi SRED

Nhằm nâng cao hơn nữa hiệu năng của cơ chế quản lý hàng đợi tích cực RED, thời gian qua, ở trong nước cũng như quốc tế đã có nhiều nhà khoa học nghiên cứu cải tiến cơ chế RED bằng cách cải tiến cách tính toán giá trị chiều dài hàng đợi trung

bình và cách tính toán xác xuất đánh dấu gói tin khi chiều dài hàng đợi thay đổi liên

tục dé giúp cơ chế RED phản ứng nhanh hơn với tắc nghẽn

Cơ chế RED tính toán chiều dài hàng đợi trung bình và xác suất loại bỏ gói tin

dựa vào trọng số hàng đợi cố định và chiều dài hàng đợi hiện tại Tuy nhiên, với cơng

thức tính tốn chiều dài hàng đợi trung bình của cơ chế RED (mỗi lần gói tin đến, cơ

Trang 28

chiều dài hàng đợi hiện tại và chiều đài hàng đợi trung bình nhân với trọng số hàng

đợi ((q - qavg) Ÿ Wa))

Trong trường hợp trọng số hàng đợi có giá trị nhỏ, thì chiều đài hàng đợi trung bình thay đổi không nhiều, đẫn đến xác xuất loại bỏ gói tin gần như không thay đổi hoặc thay đổi rất ít Điều này cho thấy, cơ chế RED phản ứng rất chậm, kém thích

nghi khi chiều đài hàng đợi thay đổi liên tục, đẫn đến tỉ lệ loại bỏ gói tin của cơ chế

RED luôn ở mức cao

Nhằm khắc phục nhược điểm xác suất loại bỏ gói tin kém thích ứng với chiều

dai hang doi hién tai S Floyd and V Jacobson đã để xuất cơ chế SRED [4] nhằm cải

thiện khả năng thích ứng của xác suất loại bỏ gói tin khi chiều dài hàng đợi thay đổi

liên tục bằng cách tính toán xác suất loại bỏ gói tin theo tốc độ tăng trưởng của chiều đài hàng đợi

Cơ chế SRED là một cải tiến của RED, SRED ưu tiên hủy các gói tin với một

xác suất phu thuộc vào tải trọng trong bộ đệm của bộ định tuyến trên mạng Internet

hay Intranet khi bị tắc nghẽn Cơ chế SRED có một tính năng bổ sung là khi vượt

quá mức độ tải thì nó sẽ ổn định thời gian chiếm giữ bộ đệm ở mức độ độc lập với số

lượng các kết nối đang hoạt động

Do đó cơ chế SRED thực hiện điều này bằng cách ước tính số lượng kết nối hoặc số luồng đang hoạt động Ước tính này thu được mà không thu thập hay phân tích thông tin trạng thái trên các luỗng riêng biệt

Việc quản lý bộ đệm trong các bộ định tuyến làm cho TCP biết được sự công

bằng và thông lượng được cải thiện Ý tưởng chính 1a dé so sánh, mỗi khi có một gói

tin đến bộ đệm, gói tin đến được so sánh với gói tin được chọn ngẫu nhiên đến trước

nó gần nhất trong bộ đệm Khi hai gói là "của cùng một luồng" phải khai báo một

"hit" Trình tự của các “hit” được sử dụng theo hai cách với hai mục tiêu khác nhau:

- Đề ước tính số lượng các luồng hoạt động - Dé tìm ra các luồng hoạt động lỗi

Ý tưởng đưa ra cũng dùng được cho các mạng ATM Trong ATM, các bộ nhận dang mach ao duoc so sanh va “hit” xảy ra khi các thành phần so sánh thuộc cùng

một mạch ảo Giả định kích thước gói tin cố định và k=1 để j € {0,1}

Trang 29

Thực hiện việc kiểm tra và so sánh cho một gói tin đến và là một hit chỉ khi

hai gói là cùng một luồng Danh sách zombie bắt đầu trống rỗng Khi các gói tin đến, miễn là danh sách không đầy đủ, với mỗi gói tin đến, mã nhận dạng luồng

gói tin (địa chỉ nguồn, địa chỉ đích, v.v.) được thêm vào danh sách, biến đếm của danh sách zombie được đặt thành 0 và dấu thời gian của nó được đặt thành thời

gian đến của gói

Khi danh sách zombie này đầy nó hoạt động như sau: Bất cứ khi một gói tin

đến, nó được so sánh với một gói tin khác được chọn ngau nhién trong danh sach

zombie Trong luge dé hién tai khong tinh toan chiéu dai hang doi trung binh Xác xuất mất gói tin chi phụ thuộc vào thời gian chiếm giữ bộ đệm tức thời và

số luồng hoạt động tích cực được ước lượng Nếu sau khi xem xét thêm mà ta thấy rằng việc tính thêm thời gian chiếm giữ bộ đệm trung bình sẽ cải thiện hiệu suất thì sẽ thêm ý tưởng đó vào Tại thời điểm này, việc tính thêm thời gian chiếm bộ đệm

trung bình không cải thiện hiệu suất

Giả định rằng tất cả các lưu lượng truy nhập vào bộ đệm là TCP Lược đỗ cửa

số của TCP là một yếu tố quan trọng trong việc thiết lập các xác suất rơi.N ếu xác xuất rơi gói tin là p và tất cả N luồng hoạt động đều là luồng TCP truyền các tập tin

rất lớn Đề khắc phục xác xuất rơi tự do độc lập với thời gian chiếm giữ bộ đệm và chỉ phụ thuộc vào sự ước lượng số luồng hoạt động thì thời gian chiếm giữ bộ đệm

có thể làm thay đổi đáng kế vì một loạt nguyên nhân không được tính trong việc xác định xác xuất rơi gói tin

Điều này có thê xây ra do sự khác nhau về số lần truyền nên các luồng sử đụng khác nhau thì các luồng mới làm cho các luồng cũ chỉ ở lại trong thời gian ngắn trước khi chúng đạt đến trạng thái cân bằng Vì vậy, cần làm cho xác xuất rơi gói tin phụ thuộc vào thời gian chiếm giữ bộ đệm, xác xuất rơi gói tin tăng lên khi thời gian chiếm giữ bộ đệm tăng, ngay cả khi P(†) vẫn giữ nguyên

Trang 30

2.3.1.1 Thuật toán SRED Gói tin đến

Danh sách Zombie đã đầy Danh sách Zombie chưa đầy

Kiểm tra “danh sach Zombie Khác luồng dữ liệu

Cập nhật thêm luồng mới vào danh sách Zomble với hit = 0

So sánh với 1 luỗng ngẫu ghiên trong danh sách Zombi | Cùng luỗng dữ liệu Cập nhật luéng trong danh sách Zomble với hit v Tinh toan P(t) P(t) = (1-a) * p(t-1) + @ * Hit(t) | Tính toán xác suất loại bỏ gói tin

Loại bỏ gói tin theo Pzap

Hình 2.3 Lưu đồ thuật toán SRED

Trang 31

Đầu tiên, cơ chế SRED sẽ so sánh một lựa chọn gói tin ngau nhiên từ danh sách

zombie với gói tin vừa chuyển đến, và sẽ xem xét trên t gói tin chuyển đến Nếu chúng tương ứng với danh sách zombie, Hit(t) sẽ được đặt bằng 0 Xác suất PŒ) được tính bởi công thức:

P(t) = (1- a)*P(t-1) + a*Hit(t)

Ở đây, ơ là tham số điều khiến của thuat toan SRED (0 < a < 1)

Psred (q) là xác suất loại bỏ gói tin, nó tỷ lệ với chiều đài hàng đợi tức thời q và được tính bởi công thức: 1 Pmax 3D < q< B, 1 1 1 P;rea(q) — 4 x Prax te < 3, 1 0 0< <q< 6 =B

Ở công thức trên, B là kích thước bộ đệm của router Pmax là tham số điều khiển của SRED và là xác suất loại bỏ gói tin cực đại

Dựa vào xác xuât loại bỏ gói tin đã được hiệu chỉnh xác xuât rơi như sau:

)

Thứ nhất nếu xác xuất rơi gói tin quá lớn, các luồng TCP mất nhiều thời gian,

1 Hit(t) (256xPa)) % a + P(t)

Prap = Perea X min(1,

vỉ vậy tăng thêm p;ap là không hợp lý Thứ hai, khi PŒ) quá nhỏ (khi hit ít xảy ra) việc ước lượng P() trở nên không dang tin cay

Các giá trị cao hơn không phải là một ý tưởng tốt vì chúng chỉ đơn thuần phục vụ cho việc truyền, trong trường hợp quá nhiều luồng hết thời gian Các giá trị thấp hơn cho phép trong trường hợp các cửa số tắc nghẽn tương đối lớn.do đó để chỉ ra rằng những cải tiến đối với pzap là có thê

2.3.1.2 Uu và nhược điểm của cơ chế SRED

~ nu điểm: Ö giải thuật RED, chiều dài hàng đợi trung bình phụ thuộc vào số những kết nối TCP Nhưng RED lại không phân biệt được những luồng chiếm giữ nhiều hơn lượng băng thông dùng chung Phương pháp Stabilized RED (SRED) để ngăn ngừa sự sai lệch do các luồng này gây ra, SRED thực sự thành công trong việc giữ thời gian

Trang 32

- Nhược điểm: khả năng của SRED đề chống lại tác động của số lần đi vòng quanh khác nhau tăng lên khi số kết nối hoạt động giảm Bộ định tuyến không bao giờ truyền một luồng đơn mà sử dụng một phần đáng kế băng thông nút cô chai nên có thể không hữu ích cho SRED

2.3.2 Cơ chế quản lý hàng đợi RARED

Phát hiện sớm ngẫu nhiên (RED) là cơ chế AQM được triển khai rộng rãi trong

các bộ định tuyến Mặt khác, tính hữu dụng của RED chủ yếu phu thuộc vào việc

thiết lập đúng ít nhất bốn tham số, đó là: ngưỡng tối thiểu (minw), ngưỡng tối đa (max th), hệ số cân bằng hàng đợi (Wdq) để di chuyển theo cấp số mũ xác suất giảm trung bình và tối đa (P_ max)

Các giá trị lý tưởng cho các tham số này khác nhau đối với các tình huống không giống nhau và sau đó, việc đặt các giá trị phù hợp cho các tham số này là một vấn đề đáng suy nghĩ kế từ khi bắt đầu RED

Mặc dù rất nhiều biến thể của RED đã được đề xuất trong tài liệu, vẫn còn rất

nhiều sự bất lợi trong việc chấp nhận rộng rãi bởi RED vì những biến thể này làm tăng thêm khó khăn cho cơ chế của nó Do cơ chế RED phản ứng rất chậm khi chiều

dài hàng đợi thay đổi liên tục, dẫn đến tỉ lệ loại bỏ gói tin của cơ chế RED luôn ở

mức cao

Nhằm khắc phục nhược điểm xác suất loại bỏ gói tin kém thích ứng với chiều

dài hàng đợi hiện tại Floyd and V Jacobson đã để xuất cơ chế RARED [9] nhằm

cải thiện khả năng thích ứng của xác suất loại bỏ gói tin khi chiều dài hàng đợi thay đổi liên tục bằng cách tính toán xác suất loại bỏ gói tin theo tốc độ tăng trưởng của

chiều dai hàng đợi RARED tổng thể, đã được triển khai, có các tính năng sau:

+P max được điều chỉnh để giữ kích thước hàng đợi trung bình gần kích thước

hàng đợi mục tiêu được chỉ định

+ P max được điều chỉnh chậm, theo thời gian quy mô lớn hơn thời gian khứ hồi thông thường và theo các bước nhỏ

5® P max bị hạn chế duy trì trong phạm vi [0,0.1,0.5]

+ Thay vì tăng và giảm P_ max theo cấp số nhân

Trang 33

2.3.2.1 Thuật toán của cơ chế RARED

Trong mỗi khoảng thời gian giây:

If (qavg> target va P_max <_0.5) then P_ max=P max+a (trong do: a = 0.25 * (qavg— target) / target * P_max)

Else if (qavg <target va P_max> 0.01) then P_max = P_max *B

(trong do B = 1- (0.17 * (target-qavg) / (target-min_th)) )

- dave: kích thước hàng đợi trung bình - Các tham số cô định: - interval: thoi gian, 0.5 giay

- target: phạm vi của qavg Pham vi nay la mot khoang: [minm + 0.48* (maxtn — ming), minn + 0.52* (maxim — ming)] a: Hé sé tăng: giá trị của nó bằng min (0.01, maxp/4) 8: Hệ số giảm; giá trị được lấy bằng 0.9

- Nguyên tắc thích ứng tối đa max p chậm, sự thích ứng của max p chỉ được gọi khi cần thiết theo thang thời gian đài hơn Do thuật toán RARED 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 minm và max, nên khắc phục

được sự phụ thuộc của trễ hàng đợi và thông lượng của hàng đợi vào các tham số

và tải lưu lượng

Trang 35

2.3.2.2 Ưu và nhược điển của cơ ché RARED

- Uu diém: Do dé st dụng RARED dé giam độ nhạy cảm với các tham số ảnh hưởng đến hiệu suất cia RED, thuat toan RARED là duy trì kích thước hàng đợi trung bình gần kích thước hàng đợi mục tiêu đã chỉ định RARED thích ứng P_ max để giữ kích thước hàng đợi trung bình gần kích thước hàng đợi mục tiêu đã chỉ định

- Nhược điển: Tuy nhiên, độ đài hàng đợi trung bình kết quả là tương đối nhạy

cảm với sự tắc nghẽn và cài đặt tham số RED, và do đó không thể dự đoán trước Một

biến thé thích ứng RED tỉnh chỉnh trọng tải lưu lượng

2.4 SO SANH CAC CO CHE QUAN LY HANG DOI

- Cơ chế RED: RED quản lý hàng đợi dựa trên kích thước trung bình của hàng đợi nên kích thước trung bình hàng đợi thay đôi theo các mức tắc nghẽn và quá trình thiết lập các tham số Điều này được thể hiện bằng việc khi tắc nghẽn xây ra nhẹ hay max; cao thì kích thước hàng đợi gần tới giá trị minm Khi tắc nghẽn trong mạng nặng hay kích thước hàng đợi trung bình bằng hoặc lớn hơn maxu 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 khơng thé đốn trước

Một nhược điểm nữa của RED là khả năng thông qua trong thuật toán này cũng phụ thuộc nhiều vào tải lưu lượng và các tham số

Hiệu suất của RED là cực kỳ phụ thuộc vào tinh huống mà nó được sử dụng

cùng với cách điều chỉnh các tham số của nó Do cơ chế RED phản ứng rất chậm

khi chiều dài hàng đợi thay đôi liên tục, dẫn đến tỉ lệ loại bỏ gói tin của cơ chế RED

luôn ở mức cao

- Cơ chế SRED: là theo dõi luồng hoạt động trong hàng đợi dé chia sẻ băng thông nhiều hơn và phân bổ chia sẻ công bằng của băng thông cho tất cả các luồng

hoạt động trong hàng đợi được để xuất bởi Jhon Nagle vào năm 1987, đó là thuật

toán xếp hàng công bằng để ngăn ngừa sự sai lệch do cdc luéng nay gây ra

SRED đánh giá số lượng các kết nối TCP tích cực và sẽ xác định xác suất loại

bỏ gói tin qua việc đánh giá các kết nối này, cơ chế SRED có tổng số lượng gói tin truyền tải thấp, nhưng tỉ lệ gói tin bị mất và loại bỏ so với số lượng gói tin đã truyền tải thấp, điều này chứng tỏ cơ chế SRED đảm bảo chất lượng truyền đữ liệu tốt hơn

Trang 36

Cơ chế SRED độ trễ duy trì ở mức lớn có thể nhận thấy, với thời gian xử lý truyền tải gói tin, cơ chế SRED làm tăng thời gian truyền tải gói tin trong mạng, đối với hệ thống mạng cần đáp ứng dịch vụ thời gian thực thì cơ chế SRED tỏ ra kém hiệu quả

- Cơ chế RARED: Do thuật toán RARED 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 minu và maxu nên khắc phục được sự phụ thuộc của trễ

hàng đợi và thông lượng của hàng đợi vào các tham số và tải lưu lượng, nhằm cải

thiện khả năng thích ứng của xác suất loại bỏ gói tin khi chiều dài hàng đợi thay đổi

liên tục bằng cách tính toán xác suất loại bỏ gói tin theo tốc độ tăng trưởng của

chiều dài hàng đợi

Cơ chế RARED có mức độ tận dụng băng thông tốt, luôn duy trì mức độ tận

dụng ở mức độ cao, điều này chứng tỏ khả năng truyền tải gói tin trong môi trường mạng lớn yêu cầu thời gian truyén tai dữ liệu thấp của cơ chế RARED tốt hơn cơ

chế SRED

Cơ chế RARED có số lượng gói tin truyền tải vượt trội hơn cơ chế RED và

SRED, tuy nhiên gói tin bị mất và gói tin bị loại bỏ chiếm tỉ lệ lớn hơn các cơ chế

so sánh cho thấy cơ chế RARED tuy nâng cao được khả năng truyền tải đữ liệu,

nhưng dễ bị lỗi và tắt nghẽn, lại có độ tré thấp, ổn định cho thấy cơ chế RARED xử

lý truyền tải gói tin trong mạng nhanh hơn, số lượng gói tin truyền tải được nhiều hơn, điều này phù hợp với kết quả số lượng gói tin được truyền tải đã đưa ở phần

trước, cơ chế RARED tỏ ra hiệu quả hơn cơ chế SRED đối với hệ thống mạng cần

đáp ứng dịch vụ thời gian thực

Ngược lại cơ chế SRED có tổng số lượng gói tin truyền tải thấp, nhưng tỉ lệ gói tin bị mất và loại bỏ số lượng gói tin thấp nhất, điều này chứng tỏ cơ chế SRED đâm bảo chất lượng truyền dữ liệu tốt hơn nhưng năng suất truyền tải không bằng

cơ chế RARED

Cơ chế RARED có tỉ lệ loại bỏ gói tin lớn nhất trong 3 cơ chế, tiếp theo là cơ chế RED, cuối cùng là cơ chế SRED có tỉ lệ loại bỏ gói tin là thấp nhất

Trang 37

2.5 KÉT LUẬN CHƯƠNG 2

Nhằm nâng cao hơn nữa hiệu năng của cơ chế quản lý hàng đợi tích cực RED, thời gian qua, ở trong nước cũng như quốc tế đã có nhiều nhà khoa học nghiên cứu cải tiến cơ chế RED bằng cách cải tiến cách tính toán giá trị chiều dài hàng đợi trung

bình và cách tính toán xác xuất đánh dấu gói tin khi chiều dài hàng đợi thay đổi liên

tục dé giúp cơ chế RED phản ứng nhanh hơn với tắc nghẽn

RED là cơ chế được sử đụng phổ biến, đại điện cho nhóm cơ chế quản lý hàng

đợi dựa trên chiều đài hàng đợi này

Phương pháp Stabilized RED (SRED) để ngăn ngừa sự sai lệch đo các luồng này gây ra, SRED thực sự thành công trong việc giữ thời gian chiếm giữ bộ đệm gần với

mục tiêu cụ thể và tránh khỏi việc thừa ra hoặc thiếu hụt

Cơ chế RARED có số lượng gói tin truyền tải vượt trội hơn cơ chế RED và

SRED, tuy nhiên gói tin bị mất và gói tin bị loại bỏ chiếm tỉ lệ lớn hơn các cơ chế

so sánh cho thấy cơ chế RARED tuy nâng cao được khả năng truyền tải dữ liệu,

nhưng dễ bị lỗi và tắt nghẽn, lại có độ tré thấp, ổn định cho thấy cơ chế RARED xử

lý truyền tải gói tin trong mạng nhanh hơn, số lượng gói tin truyền tải được nhiều hơn, điều này phù hợp với kết quả số lượng gói tin được truyền tải đã đưa ở phần

trước, cơ chế RARED tỏ ra hiệu quả hơn cơ chế SRED đối với hệ thống mạng cần

đáp ứng dịch vụ thời gian thực

Chương này đã nghiên cứu, trình bày chỉ tiết về cơ chế quản lý hàng đợi tích

cực RED, đồng thời tiến hành tìm hiểu, phân tích một số cải tiễn cải tiến dựa trên tính

toán chiều dài hàng đợi trung bình và xác suất đánh dấu loại bỏ gói tin khi chiều dài

hàng đợi thay đổi liên tục như: SRED, RARED

Ở chương 3, luận văn sẽ tiến hành phân tích và so sánh kết quả mô phỏng một số cơ chế quản lý hàng đợi đã giới thiệu ở chương 2 Kết quả mô phỏng được đánh giá dựa trên cùng các tiêu chí để từ đó đưa ra phân tích, đánh giá và nhận xét

Trang 38

Chuong 3 CAI DAT MO PHONG VA DANH GIA HIEU NANG

Chương này giới thiệu tổng quan về phần mềm mô phỏng mạng NS2 (Network Simulator 2), thông qua phần mềm mô phỏng mạng NS2 và các cơ chế quản lý hàng đợi đã được phân tích ở Chương 2, tiến hành lập trình mô phỏng các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực: RED, RARED, SRED trên môi trường mô phỏng NS2

Cũng trong môi trường mô phỏng mang NS2, tiến hành thiết kế các kịch bản

mô phỏng, mỗi kịch bản mô phỏng sẽ được vận hành lần lượt các cơ chế hàng đợi

tích cực RED, RARED, SRED để đưa ra kết quả mô phỏng của mỗi cơ chế trong từng

kịch bản

Căn cứ kết quả mô phỏng đề phân tích, so sánh và đánh giá hiệu năng của các cơ chế cải tiến của cơ chế quản lý hàng đợi tích cực RED: RARED, SRED Kết quả mô phỏng được đánh giá đựa trên cùng các tiêu chí như: tỉ lệ mất gói, hiệu suất sử

dụng đường truyền, độ trễ và biến thiên độ trễ, từ đó đưa ra đánh gia

3.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH MO PHONG NS2

N§2 (Network Simulator 2) là một trình giả lập hướng sự kiện nguồn mở được

thiết kế dành riêng cho nghiên cứu trong các mạng truyền thông máy tính NS2 được

phát triển tại trường Đại học Berkeley — Hoa kỳ, kể từ khi được công bố vào năm 1989, NS2 đã liên tục nhận được sự quan tâm rất lớn từ ngành công nghiệp, học viện và chính phủ Đã được phân tích và cải tiến liên tục trong nhiều năm, NS2 hiện có các mô-đun

cho nhiều thành phần mạng như định tuyến, giao thức lớp vận chuyển, ứng đụng, v.v Đề phân tích hiệu suất mạng, các nhà nghiên cứu có thể chỉ cần sử dụng ngôn ngữ kịch

bản dễ sử dụng để xác định cấu hình mạng và theo dõi kết quả do NS2 tạo ra

Có nhiễu tính năng và ưu điểm của NS2 đã được kiếm chứng như sau:

- Kiểm tra được tính ổn định của các giao thức mạng đang tổn tại và đánh giá các giao thức mạng mới trước khi đưa vào sử dụng

- Thực thi được những mô hình mạng lớn mà gần như ta không thể thực hiện được trong thực tế (hoặc tốn chi phí rất nhiều)

- Khả năng mô phỏng nhiều loại mạng khác nhau

- Kết quả mô phỏng và tập tin ghi vết mạng được sinh ra có thê thực hiện phân tích và đánh giá bởi các phần mềm khác nhau

Trang 39

- NS2 vẫn chạy được trên cả hai môi trường Linux và Windows

NS2 dược viết trên ngôn ngữ C++ và OTcl C++ dùng đề xử lý dữ liệu, các thao tác về gói tin, còn OTcl dùng để định dạng cấu hình mô phỏng, điều khiển mô phỏng Bộ định trình sự kiện N82 Tetel Otel Tcl3o Bututr ueyd TIIEH] 383 3LA NIL Hình 3.1 Mô hình kiến trúc NS2

Toàn bộ các thành phan trong Hinh 3.1, két hợp lại tạo nên một bộ công cụ mô phỏng mạng NS-2 là một bộ thông dịch Tel được mở rộng hướng đối tượng và một

tập các thư viện đối tượng mô phỏng mạng

Chương trình mô phỏng (Otcl Script — Simulation Program) duge Otcl bién

dịch và thực thi OTcl biên dịch và thực thị chương trình với sự hỗ trợ của thư viện NS Thu vién NS bao gdm bộ lập lich (Event scheduler objects), cac thành phan

Trang 40

Hình 3.2 chỉ ra hoạt động của bộ công cụ mô phỏng NS-2 Trong hình vẽ này, người sử dụng thiết kế, triển khai các mô phỏng bằng các câu lệnh Tel, sử dụng các

đối tượng mô phỏng từ thư viện OTcl, các bộ định tuyến sự kiện và phần lớn các đối

tượng mạng được xây đựng bằng C++ và các đối tượng này vẫn có thê được sử dụng như là các đối trong Octl thong qua các liên kết

Kết quả mô phỏng được lưu lại bằng một tập tin lưu vết (Trace File) đưới dạng tập tin văn bản để có thể phân tích các kết quả

Ngoài ra, để trình diễn mô phỏng đỗ họa, có thể sử dụng công cụ NAM Khi mô phỏng kết thúc, các dữ liệu lưu vết có thể được dùng như đầu vào cho công cụ trình diễn mô phỏng đồ họa NAM

Ngày nay, chương trình mô phỏng NS2 được sử dụng phổ biến để mô phỏng

hoạt động của các thuật toán, các kịch bản, các mô hình mạng, mạng không dây

Nó giúp ích rất nhiều trong việc nghiên cứu, giả lập các mạng máy tính trước khi các thuật tốn, các mơ hình được đưa vào ứng dụng trong thực tế, góp phần làm giảm chỉ phí về thời gian và tài chính dành cho việc nghiên cứu, xây dựng các mô hình ứng dụng trên mạng

3.2 CÀI ĐẶT KỊCH BẢN MÔ PHỎNG

Dựa trên thuật toán đã tìm hiểu tại Chương 2 và mã nguồn cơ chế quản lý hàng đợi RED, luận văn tiến hành chỉnh sửa, bố sung mã nguồn để mô phỏng các cơ chế quan ly hang đợi cải tiến

Các cơ chế hàng đợi RED, RARED, SRED lần lượt được sử dụng trong chung

cùng 2 kịch bản mô phỏng như sau:

Kịch bản 1:

- Mô hình mạng mô phỏng sử dụng 20 kết nối và tắc nghẽn cô chai - Băng thông kết nối các nut truyén tai dit ligu: 10 mbps

- Liên kết nút cô chai băng thông là 3 mbps

- Thời gian truyền đữ liệu từ người gửi đến nhận là 100ms - Kích thước gói tin: 1024 bit