Đánh giá hiệu năng của một số cải tiến cơ chế quản lý hàng đợi tích cực red

BO GIAO DUC VA DAO TAO DAI HOC HUE TRUONG DAI HOC KHOA HOC MAI THÀNH TRUNG DANH GIA HIEU NANG CUA MOT SO CAI TIEN CO CHE QUAN LY HANG DOI TICH CUC RED LUAN VAN THAC SI KHOA HOC CONG NGHE THONG TIN Thừa Thiên Huế, 2019 LOI CAM DOAN Tôi xin cam đoan luận văn cơng trình nghiên cứu cá nhân tơi Tất số liệu, kết nghiên cứu luận văn trung thực, chưa người khác công bố cơng trình nghiên cứu Học viên Mai Thành Trung MUC LUC Trang Danh MuUc:Cae DANG) cccsesssssecevececesecscescsensecsessseeesecsevenesonssesensesseseseeeseeseseesonss Danh mục hìnhh - - 5c 2< HH nu HH nh vế Danh mục chữ viết tắt 65+ 5s Set HS 1.11112111111111 h9 000 Chuong TONG QUAN VE DIEU KHIEN TAC NGHEN VA QUAN LY ;0)eS›9)080i9:090/0 0n 1.1 TRUYEN DU LIEU TREN INTERNET VA VAN DE VE TAC NGHE 2.2.1 Cơ chế hoạt động V-RED 2S 211212212212212212222222 x6 31 2.2.2 Thuật toán chế V-RED - 1.2 3S S251 111151 1111511218511 215x1x s2 32 2.2.3 Ưu nhược điểm chế V-RED 52 2S1251252122122122121 33 2.3 CO CHE QUAN LY HANG DOI DRED (DYNAMIC RANDOM EARLY DETECTION) 22-52-22 2222122512211211221211211111 2110221212122 re 33 2.3.1 Cơ chế hoạt động DRED 2252 2S221221221212122122222 e6 34 2.3.2 Thuật toán chế DRED 1.222 S31 E51151 511151 1121551125551x x52 35 2.3.3 Ưu, nhược điểm chế DRED 2252 2512122122122122122.22 e6 36 2.4 CO CHE QUAN LY HANG DOI ENRED (ENHANCED RANDOM EARLY DETECTION) cssscssssssesssssesseesestesersesesstesetstssretiseretevsseetsinaressesaeeees 37 2.4.1 Co ché hoat động ENREI ch nh nhe nrrae 37 2.4.2 Thuật toán chế ENR.ED 2-2 S231 S51151 155151 8121511525551x x52 38 2.4.3 Ưu, nhược điểm chế ENRED .52222 252212212212212212e6 38 2.5 CO CHE QUAN LY HANG DOI T-ENRED (TRIPLE ENHANCED RANDOM EARLY DETECTION) 22252 22221222211212122122122222222 re 39 2.5.1 Lập luận nhược điểm chế ENRED 52222 21221221221212 39 2.5.2 Cơ sở cải tiến công thức 2-5225 12212212212212212122122222 40 2.5.3 2.6 Thuật toán chế T-ENR.ED - 5.2221 1121115151 812151 11215511 x52 42 TIỂU KÉT CHƯƠNG 52-52 22212212212211212121222222 e6 43 Chuong MO PHONG VA PHAN TICH DANH GIA MOT SO CO CHE CAI TIẾN CỦA CƠ CHÉ QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI TÍCH CỰC RED 44 3.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG NS2 -52- 44 3.2 MO PHONG CAC CO CHE QUAN LY HANG DOI CAI TIEN 47 3.3 THIẾT KÉ MỘT SỐ KỊCH BẢN MÔ PHỎNG -22 522222222 s5s2 50 3.4 PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG ©2-22222222222zse 51 3.5 TIỂU KẾT CHƯƠNG -©222222222222511111111111111112112122 1e 59 0000000777 Ả , 60 DANH MỤC CÔNG TRINH CUA TAC GIẢ 22©22©7scc5 WiMAX () | @ mesh Hình 1.4 Mơ hình hội tụ mạng tảng TCP/IP Hình 1.4 thể mơ hình hội tụ mạng tang TCP/IP Dé dam bao hệ thống ôn định cung cấp tốt chất lượng dịch vụ mạng cho người dùng, kiểm soát tắc nghẽn mạng TCP/IP vấn để quan trọng cần thiết 1.2.1 Nguyên nhân gây tắc nghẽn Khi có nhiều gói tin đến từ nhiều nguồn khác đến nút mạng với cổng giống thời điểm có gói tin chuyển tiếp đến nút mạng khác, gói tin cịn lại bị day vào hàng đợi liên kết đầu mà chúng yêu cầu Nếu tốc độ chuyền gói tin khỏi nút mạng nhỏ tốc độ gói tin đến nút mạng sau thời gian hàng đợi đầy xây tượng tắc nghẽn Nguyên nhân gây tắc nghẽn bao gồm: -_ Thời gian chờ xử lý, xếp hàng vào hàng đợi lớn Nếu luồng gói tin từ hay đường vào tất cần đường hàng đợi bị đầy (do phải lưu gói tin, phải tạo bảng định tuyến, ) Nếu khả xử lý nút yếu hay nói cách khác CPU (vi xử lý) định tuyến xử lý chậm yêu cầu dan đến tắc nghẽn 10 - Bé dém cdc hang doi qua nhd Néu bé khéng du dung lvong dé lu chung thi mot số gói tin bị Việc tăng dung lượng nhớ đệm lên có ích, định tuyến có lượng nhớ khơng giới hạn tắc nghẽn chẳng tốt tí mà ngược lại trở nên xấu số gửi tăng lên (do thời gian gói tin hàng đợi lớn thời gian truyền tải gói tin — xác định nguồn gửn), làm tăng lượng thông tin nơi nhận - Tang suất lỗi mạng cao độ trễ lớn Đối với mạng cố định, việc gói tin lỗi đường truyền xảy Mắt gói tin đồng nghĩa với việc xảy tắc nghẽn nút (Router) mạng Cơ chế điều khiên chống tắc nghẽn TCP vào kiện gói kiểm tra vượt thời gian tré (time-out) để xác định tắc nghẽn mạng TCP khơng có khả phân biệt gói đường truyền hay gói tắc nghẽn Mỗi xảy tượng trên, TCP giảm tốc độ đường truyền Điều khơng cịn phù hợp truyền thơng di động hiệu suất đường truyền bị hạ thấp - Một vấn để khác có tính khơng đồng mạng di động mạng cố định tốc độ đường truyền kênh di động thấp nhiều so với mạng cố định Vì vậy, phần truy cập vô tuyến chỗ nghẽn cổ chai kết nối thuê bao di động đầu cuối mạng cố định Ngồi ra, hiệu ứng băng thơng khơng đối xứng có tác động lớn đến truy cập Internet Băng thơng theo hướng từ máy cố định tới máy di động thường lớn nhiều băng thông theo chiều ngược lại Hiệu ứng làm cho trễ theo hai chiều khác 1.2.2 Nguyên lý điều khiển tắc nghẽn Nhiều vấn dé hệ thống phức tạp mạng máy tính có thê xem xét dựa quan điểm lý thuyết điều khiên Phương pháp chia tất cách kiểm sốt tắc nghẽn thành nhóm điều khiển: điều khiển vòng mở điều khiển vong dong [1] Nguyên lý điều khiển vòng mở cố gắng giải vấn đề việc thiết kế tốt chất để chắn không xảy cố điểm Ở hệ thống 11 - Kỹ thuật kiểm sốt tắc nghẽn mạng đích nhận: Khi có tắc nghẽn xảy ra, có nghĩa tải tạm thời lớn lượng gói tin quản lý, cách tốt đề tránh tắc nghẽn xảy nút mạng giảm tải Để giảm tải sử dụng cách phủ nhận dịch vụ người dùng, dự đoán mức độ sử dụng dịch vụ người dùng - Ky thuật phân phối tài nguyên: Kỹ thuật bao gồm tiến hành lập lịch có sử dụng mạng vật lý nguồn tài nguyên khác mạng Kỹ thuật có q trình cài đặt cấu hình phức tạp có khả loại trừ tắc nghẽn mạng việc khoá lưu lượng vượt khả cho phép - Ky thuat quản lý hàng đợi nút mạng: Kỹ thuật nhằm trì số lượng gói tin hàng đợi nút mạng cách hợp lý, nhằm tránh trường hợp hàng đợi bị đầy làm gói tin Quản lý hàng đợi có thê tối thiểu hố việc gói mạng, phịng tránh tắc nghẽn, xử lý tắc nghẽn xảy ra, cải thiện hiệu mạng Ngoài ra, để cải thiện hiệu suất, kỹ thuật quản lý hàng đợi nút mạng cịn kết hợp với kỹ thuật thơng báo tắc nghẽn rõ ràng (ECN - Explicit Congestion Notification) Kỹ thuật cho phép nút mạng cung cấp thông tin phản hồi rõ ràng cho máy gửi tỉnh trạng tác nghẽn Thơng tin tắc nghẽn thường chuyển qua nút mạng trung gian đường từ máy gửi đến máy nhận, cách đánh đấu/cập nhật tiêu đề gói tin biết tình trạng tắc nghẽn sau gửi trở lại máy nhận đưới đạng thông báo tắc nghẽn rõ ràng Hình I.5 trình bày hoạt động kỹ thuật thông báo tắc nghẽn rõ ràng 'Tắc nghễn ss s-s es Giảm cwnd, đặtCWR =1 | CB Các gồi tin Hình 1.5 Cơ chế hoạt động ECN 13 & qua giao diện đầu Khi router nhận thấy có dấu hiệu tắc nghẽn mạng gói tin bị loại bỏ đánh dấu Một gói tin đến chuyên qua lớp: Lớp phân loại, lớp quản lý hàng đợi lớp lập lịch Trong Hình 1.6, trình bày kiến trúc phân lớp CQS (Classification Queue Scheduler) cua router ' ' 1! Phân loại ' ' 1! Ì 1 5.5 S g Quan ly hang doi Kin Lập lịch Hàngđợi1 ' > ` ` ` Hàng đợi 1 ' Hang agi3 ' ' 1 1 huyển gói tin Hình 1.6 Mơ hình CQS nút mang (Router) Lớp phân loại (Classificafion): Việc truyền mạng Internet phức tạp, phải truyền tải nhiều loại lưu lượng với đặc tính khác nhau, yêu cầu cách thức truyền tải khác Việc truyền tải lưu lượng, điều khiển truy nhập dịch vụ khác địi hỏi có phân biệt gói dựa sở đa trường tiêu đề gói, gọi phân loại gói tin Hệ thống mạng đặt mức ưu tiên cho gói, giải thuật quản lý hàng đợi dựa vào mức ưu tiên để điều khiên mạng có tắc nghẽn xảy Gói có độ ưu tiên cao ưu tiên truyền trước, gói có độ ưu tiên thấp bị loại bỏ có tắc nghẽn xây Cơ chế phân loại gói router có ảnh hưởng trực tiếp tới việc phân chia loại lớp dịch vụ lưu lượng IP Trên thực tế ngữ cảnh gói phụ 15 thuộc vào thân thơng tin chứa gói đồng thời thơng tin cấu hình gửi từ giao điện đến Việc phân loại gói tin hình thức chế truyền gói dựa theo mức ưu tiên Đề phân loại lớp dịch vụ chủ yếu dựa vào thông tin bên phần header gói Việc phân loại gói tin có hiệu lực hỗ trợ số tính khác dịch vụ mạng Internet: điều khiển truy cập, phân biệt dịch vụ, cân tải, định dạng lưu lượng Mỗi dịch vụ yêu cầu thiết bị Internet phải phân loại gói vào luồng khác thực hành động phù hợp với gói luồng Các luồng định phân loại chứa tập hợp luật lệ Lớp quan ly hang doi (Queue management), bao gồm hoạt động: Thêm gói tin vào hàng đợi hàng đợi chưa Loại bỏ gói tin hàng đợi đầy Xóa bỏ gói tin yêu cầu lập lịch Thường xuyên theo dõi, kiểm tra mức độ chiếm giữ hàng đợi - Danh dấu gói tin hàng đợi chuẩn bi day Mục đích hàng đợi định tuyến dịu bùng phát lưu lượng đến, từ việc sử dụng mạng IP la ổn định/làm đạt mức độ cao Các gói tin đến đưa vào hàng đợi hàng đợi đầy Sau cịn gói tin đến hàng đợi chúng bị loại bỏ Quản lý hàng đợi có tính sau: - Giảm số lượng gói tin bị loại bỏ hàng đợi: gói tin thường đến hàng đợi với số lượng lớn tốc độ khơng có định Nếu thiết lập kích thước hàng đợi cố định khơng linh hoạt với loại lưu lượng đến khác nhau: hạn kích thước hàng đợi nhỏ hàng đợi dễ bị tràn dẫn đến việc loại bỏ gói tin ln xảy ra, cịn đặt kích thước hàng đợi q lớn gây lãng 16 hàng đợi lớn, làm giảm chất lượng dịch vụ có nhiều đợt lưu lượng lớn đến liên tiếp kích thước hàng đợi không đủ lớn để giữ tất lưu lượng này, đo dễ gây tắc nghẽn Một giải pháp tối ưu để giải tắc nghẽn thông báo cho thực thể gửi luồng TCP thời điểm bắt đầu xây tắc nghẽn cách loại bỏ sớm gói tin, trạm nguồn nhận biết thông qua kiện bị “time out”, nhận thông báo “duplicate K” trạm nguồn giảm tốc độ gửi gói tin vào mạng Xác suất loại bỏ gói tin sớm phụ thuộc vào kích thước trung bình hàng đợi hai ngưỡng minw, maxu Do đó, trường hợp tắc nghẽn giảm tải lưu lượng TCP mạng mà không đồng tồn luồng Đây giải pháp thuật tốn RED Cơ chế quản lý hàng đợi tích cực RED (Random Early Detection) lần Sally Floyd Van Jacobson đề xuất [9] cho chức quản lý hàng đợi tích cực, sau chuẩn hố lại theo yêu cầu IETE [7] RED có khả chống tượng đồng toàn cục toàn thể luồng TCP, trì khả lưu lượng truyền tải cao độ trễ thấp với cách đối xử công qua đa kết nối TCP Một lý làm cho tỷ lệ gói tin cao thiếu chế kiểm sốt điều khiến luồng Để sớm phát tắc nghẽn hỗ trợ báo tắc nghẽn cho trạm nguồn, tổ chức chuẩn IETEF khuyến cáo sử đụng chế quản lý hàng đợi tích cực RED định tuyến mạng Internet RED thiết kế để tránh tắc nghẽn giải nó, đo RED sử dụng để phát tắc nghẽn bắt đầu hình thành để trì mạng miền độ trễ thấp thông lượng cao Đồng thời, RED giúp tránh đồng toàn cục, có dấu hiệu tắc nghẽn xảy mạng, thiết bị định tuyến phải định xem kết nối để gửi thông báo phản hồi Bằng việc phát sớm tắc nghẽn thông báo cho kết nối cần thiết tránh tượng đồng toàn thê luồng TCP 27