BO GIAO DUC VA DAO TAO DAI HOC HUE
TRUONG DAI HOC KHOA HOC
NGUYEN THI LIEU NA
TIM HIEU MOT SO
THUAT TOAN CAI TIEN CUA RED
TRONG TRUONG HOP CO SU THAY DOI TOC DO TANG TRUONG HANG DOI
LUAN VAN THAC SI KHOA HOC CONG NGHE THONG TIN
Thira Thién Hué, 2020
Trang 2
BO GIAO DUC VA DAO TAO ĐẠI HỌC HUE
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
NGUYEN THI LIEU NA
TIM HIEU MOT SO
THUAT TOAN CAI TIEN CUA RED
TRONG TRUONG HOP CO SU THAY DOI TOC DO TANG TRUONG HANG DOI
CHUYEN NGANH: KHOA HOC MÁY TÍNH MA SO: 8480101
LUAN VAN THAC Si KHOA HOC DINH HUONG UNG DUNG
NGUOI HUONG DAN KHOA HOC PGS.TS VO THANH TU
Thira Thién Hué, 2020
Trang 3LOI CAM DOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi Tất cả số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực, chưa được người khác công bố trong bất cứ một công trình nghiên cứu nao
Học viên
Trang 4LOI CAM ON
Tôi xin được gửi lời cảm ơn tới quý thầy cô trong khoa Công nghệ thông tin
trường Đại học Khoa học Huế đã tận tình giảng dạy, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện
thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu
Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Võ Thanh Tú, người đã định hướng nghiên cứu, trực tiếp chỉ dẫn cho tôi phương pháp luận thực hiện luận văn Thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình
thực hiện luận văn
Chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình, lãnh đạo nhà trường nơi tôi công tác đã động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành
luận văn này
Học viên
Nguyễn Thị Liêu Na
Trang 5MUC LUC
Trang
LOT CAM DOAN 00 occ ccoe cscs csssscsssessssessessseessessssesseesssessetsseansessissssssuisssisssssnisseessesees i
LỜI CẢM ƠN 2552221 222112221 2212212211211 21212 raa ii MỤC LỤC -. 22222222 22212221112211221112111211 1121121112121 e iii DANH MỤC CÁC BÁNG Q2 2222222112211 re Vv DANH MỤC CÁC HÌNH 2-52 2222212212211221211212112112121122 re vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮTT 2222 222222122211221222122212221222 2 xee vii PHẢN MỞ ĐẦU 55-2222 221122112211222112112211221112211 21121 E1 re 1 PHẢN NỌI DUNG 222 22222122112211211121112111111111211122121222211 re 4 Chuong 1 TONG QUAN VE DIEU KHIEN CHONG TAC NGHEN VA CƠ CHE QUAN LY HANG DOT TRONG MẠNG -22222222212222222222 xe 4
1.1 Tổng quan về vấn đề tắc nghẽn trong mang TCP/IP oo ceeccee cee ceeeeeeee 4 1.1.1 Nguyên nhân gây ra tắc nghẽn 222222 2222211211121112112112122 2 e6 4 1.1.2 Kỹ thuật điều khiển tắc nghẽn - 222222 2222221222122122222222 e0 5 1.1.3 Nguyên lý điều khiến tic nghén trong mang TCP/IP oo cece 7 1.2 Cơ chế quản lý hang doi trong mang TCP/IP oo ccce cece cese cece cese eet eeeeees 9
1.2.1 Cơ chế quản lý hàng đợi tích cực -222 2222221222122 cxee 11
1.2.2 Các mô hình quản lý hàng đợi - St sen rrereeree 12 1.3 Phân loại cơ chế quản lý hàng đợi tích cực -©2-22222222222222222222222-e2 14
1.4 Tiểu kết chương Ì 22-222 22222212211211121111112112111221121212222 xe 15 Chương 2 QUẢN LÝ HANG DOI RED VA CAC CAI TIEN CUA RED DỰA VÀO TOC DO TANG TRUONG CHIEU DAI HANG DOL 16 2.1 Cơ chế quản lý hàng đợi RED 552 2222222212221122122112212122 e0 16 2.1.1 Cơ chế hoạt động của RED 52 2222112211211121121121222222 xe 17
Trang 6PA nh ác i00 18
2.1.3 Ưu và nhược điểm của RED - 22-22222222 2221221122112 221 2E cee 20 2.2 Cơ chế quản lý hàng đợi V-RED 2- 22 222212221122122112212211222 e0 20 2.2.1 Cơ chế hoạt động của V-RED 522 2222222111211121121122212 xe 21
2.2.2 Thuật toán của cơ chế V-R.ED Á 2 1 2 2125111211112111121111 21x11 xe 22
2.2.3 Ưu và nhược điểm của cơ chế V-RED 22:222 2222222112211 221 xe 24 2.3 Cơ chế quản lý hàng đợi FRED 22- 22222 22122211221222112712112122 e0 24 2.3.1 Cơ chế hoạt động của FRED 52 2222112111211121121121222 xe 25
2.3.2 Thuật toán của FRED -:2222 2222 22211222122112211211211 21a 25
2.3.3 Ưu và nhược điểm của FRED 22-2222 2221222112211221 22122 xe 30 2.4 Đánh giá các cải tiến VRED, FRED so với cơ chế RED - 30 2.5 Tiểu kết chương 2 22-22 222 225222112111211121112111211121121121212222ee 31 Chương 3 CÀI ĐẶT MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG 33
3.1 Giới thiệu chương trình mô phỏng NŠ2 S2 St sehnrerrerrrrrrsre 33 3.2 Cài đặt kịch bản mô phỏng 12t 2112111121211 21111111 tre 35 3.3 Phân tích đánh giá hiệu năng - St SH Hy HH Hee 37
3.3.1 So sánh tỉ lệ loại bỏ gói tin của các cơ chế - c s 2211112111151 1xxey 37
Trang 7DANH MUC CAC BANG
Trang Bảng 3.1 Tỉ lệ loại bỏ gói tin của các cơ chế trong kịch bản nút thắt cổ chai với
băng thông lmbps c 2:3 1121212 E1 tt Hà Hành He Hee 38 Bảng 3.2 Tỉ lệ loại bỏ gói tin của các cơ chế trong kịch bản nút thắt cổ chai với
Trang 8DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang Hình 1.2 M6 hinh CQS tai nit mạng (ROUf€T) St St nhe 10 Hình 1.3 Phân loại cơ chế quản lý hàng đợi tích cực 222222 222222222222ee 14 Hình 2.1 Mô tả cơ chế loại gói tin của RED 222222 22122212221222.2.2 xe 18 Hình 3.1 Mô hình kiến trúc NS2 222222 222222221222112211211211221.21 xe 34 Hình 3.2 Hoạt động của chương trình mô phỏng NŠ2 .-òccccsccsc: 34 Hình 3.3 Hình ảnh các kết nối trong kịch bản mô phỏng - 22222222222 37
Hình 3.4 Biểu đỗ gói tin bị rớt trong kịch bản nút thắt cô chai với băng thông 1mbps 37
Hình 3.5 Biểu đồ gói tin bị rớt trong kịch bản nút thắt cổ chai với băng thông 3mbps 38
Hình 3.6 Độ trễ của các cơ chế trong kịch bản nút thắt cô chai với băng thông Imbps 40
Trang 9DANH MUC CAC CHU VIET TAT
Viet tat Tiếng Anh Tiếng Việt
AQM Active Queue Management Quan ly hang doi tich cuc
IP Internet Protocol Giao thức mạng Internet
NS2 Network Simolution 2 Network Simolution 2 TCP Transmission Control Protocol Giao thức truyền thông
RED Random Early Detection Phát hiện sớm ngẫu nhiên
V-RED V - Random Early Detection | V - Random Early Detection
FRED Flow Random Drop Dòng chảy ngẫu nhiên
PQ Priority Queue Hàng đợi ưu tiên
FIFO First In First Out Vào trước ra trước
WFQ Weight Fair Queue Hàng đợi cân bằng trọng số
Qos Quality of Service Chat lượng dich vu
Best — Effort Best — Effort Mạng nỗ lực
CQS Classification Queue Scheduler Lập lịch phân loại hàng doi
Trang 10
PHAN MO DAU
Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của mạng Internet nên tất cả các hoạt động
của xã hội đều có sợ hỗ trợ tích cực của mạng truyền thông kết nối mạng toàn cầu
trên thế giới nhằm đảm bảo sự lưu thông giữa các hệ thống mạng máy tính lớn Do đó vấn dé truyền thông trong mạng giữa các hệ thông máy tính là thường xuyên và liên tục nên vấn để tắc nghẽn mạng là tất yếu Vì vậy, đề đảm bảo thông suốt đường truyền, kiểm soát tắc nghẽn tại các nút mạng đóng một vai trò rất quan trọng cho Internet hoạt động hiệu quả và tin cậy đối với người sử dụng
Quản lý hàng đợi tích cực hoạt động tại các nút điều khiển mạng nhằm kiểm
soát số lượng các gói đữ liệu trong hàng đợi, bằng cách chủ động loại bỏ gói tin đến khi hàng đợi đầy hay thông báo tắc nghẽn khi mạng còn trong thời kỳ “phôi thai” của tắc nghẽn để điều tiết lưu thông trên mạng Việc ôn định chiều dài của hàng đợi sẽ
làm cho một số thông số hiệu năng của mạng TCP/IP như: tỷ lệ mat goi, hiéu suất sử
dụng đường truyền, trễ trung bình và biến thiên dao động độ trễ trong một phạm vi hợp lý Điều này sẽ vừa không gây sự quá tải đối với thiết bị mạng, vừa đảm bảo không gây tắc nghẽn trên mạng, vừa tạo điều kiện cung cấp và duy trì một cách tốt
nhất chất lượng dịch vụ mạng
Với cơ chế quản lý hàng đợi dựa trên chiều dài hàng đợi, hiện tượng tắc nghẽn
được thể hiện dựa trên độ dài tức thời hoặc độ dài trung bình của hàng đợi với mục đích của quá trình điều khiển là làm ổn định chiều dài hàng đợi tại nút mạng Cơ chế quản lý hàng đợi tích cực RED là cơ chế được sử dụng phô biến nhất, đại diện cho
Trang 11mạng tôi chọn để tài luận văn như sau “Tìm hiểu một số thuật toán cải tiến của RED trong trường hợp sự thay đổi tốc độ tăng trướng hàng đợi” Luận văn tập trung
nghiên cứu, tìm hiểu về các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực, tìm hiểu, phân tích một số thuật toán cải tiến của RED dựa vào sự thay đổi tốc độ tăng trưởng của hàng đợi, cơ
chế cải tiến cách tính toán giá trị chiều dài hàng đợi trung bình Mô phỏng, so sánh, đánh giá hiệu năng của các cơ chế cải tiến so với thuật toán RED
Phạm vi nghiên cứu của luận văn tìm hiểu tổng quan về vấn để tắc nghẽn mạng hiện nay trong cơ chế quản lí hàng đợi AQM Tìm hiểu, đánh giá các thuật
toán cải tiến của thuật toán RED dựa trên sự tăng trưởng của kích thước chiều dài
hàng đợi trung bình
Nghiên cứu dựa trên các tài liệu, giáo trình đã học, tìm hiểu thêm một số tài liệu trên mạng Internet qua các bài báo khoa học của khoa CNTTT trường Đại học khoa học Huế, các bài báo và các tập chí khoa học bằng tiếng anh hiện có cho đến nay
Nghiên cứu được trong luận văn này là nhằm tìm ra cách tiếp cận mới để đáp ứng yêu cầu hạn chế sự tắc nghẽn trong AQM được hiệu quả hơn Trong đó tăng trưởng chiều dài hàng đợi là yếu tố quan trọng nhất cần tính đến trong luận văn này
trên cơ sở tìm hiểu so sánh, đánh giá các thuật toán cải tiến của thuật toán RED, qua
việc nghiên cứu nội dung lý thuyết quản lí hàng đợi và kỹ thuật chống tắc nghẽn Phương pháp nghiên cứu luận văn là sử dụng lý thuyết mạng và lý thuyết về cơ chế quản lý hàng đợi tích cực, đồng thời tìm hiểu từ các công trình nghiên cứu hiện có
liên quan đến nội dung của luận văn Cài đặt, mô phỏng, so sánh, đánh giá hiệu năng của cơ chế quản lý dựa vào chiều dài hàng đợi RED và các cơ chế cải tiến dựa vào sự
thay đổi tốc độ tăng trưởng của hàng đợi điển hình là thay đối tăng trưởng chiều dài hàng
đợi Kết quả mô phỏng được đánh giá dựa trên cùng các tiêu chí, như: tỷ lên mất gói,
hiệu suất sử dụng đường truyền, mức độ sử dụng hàng đợi, độ trễ và biến thiên độ trễ
Nội dung luận văn được trình bày trong 3 chương:
Trang 12Chương này giới thiệu tổng quan các co chế quản lý hàng đợi, nguyên nhân gây ra tắc nghẽn và kỹ thuật điều khiến chống tắc nghẽn, phân loại các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực, bao gồm các phần cơ bản sau Điều khiến tắc nghẽn và nguyên lý điều khiến tắc nghén trong mang TCP/IP
Chương 2 Quản lý hàng đợi tích cực RED và các cải tiến của RED dựa vào tốc
độ thay đôi chiều dai hàng đợi
Chương này đi sâu, chỉ tiết vào cơ chế quản lý hàng đợi tích cực dựa trên chiều dài hàng đợi điển hình là cơ chế RED Chương này còn mô tả, trình bày chỉ tiết về
cách thức hoạt động, thuật toán, lưu dé, anh hưởng của các tham số của một số cơ
chế quản lý hàng đợi tích cực (AQM) cải tiến dựa trên việc tính toán chiều dài hàng
đợi trung bình và xác suất đánh đấu gói tin khi chiều dài hàng đợi thay đổi liên tục
Chương 3 Phân tích một số kết quả mô phỏng và đánh giá
Chương này giới thiệu về phần mềm mô phỏng NS2, 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 như: tỷ lên mất 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
Cuối cùng là phần kết luận, tóm tắt các nội đung 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 nghiên cứu, do còn hạn chế về khả năng và 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 của bạn bè, đồng nghiệp đề luận văn được
Trang 13PHAN NOI DUNG
Chương 1 TONG QUAN VE DIEU KHIEN CHONG TAC NGHEN VA CO CHE QUAN LY HANG DOI TRONG MANG
Giới thiệu tổng quan các cơ chế quản lý hàng đợi, nguyên nhân gây ra tắc nghẽn và kỹ thuật điều khiên chống tắc nghẽn, phân loại các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực, bao gồm các phần cơ bản sau Điều khiển tắc nghẽn và nguyên lý điều khién tắc nghén trong mang TCP/IP
1.1 TONG QUAN VE VAN DE TAC NGHEN TRONG MANG TCP/IP
Mạng Internet là mạng của những mạng, cho nên mô hình mạng hết sức phức tạp, bao gồm tất cả các mô hình mạng có thể có của từng mạng con Mặc khác Internet không ngừng phát triển và trở thành mạng lớn nhất trên thế giới, mạng của các mạng
xuất hiện trong mọi lĩnh vực thương mại, chính trị, quân sự, nghiên cứu, giáo dục,
văn hoá, xã hội, Cũng từ đó các dịch vụ Internet không ngừng phát triển, ngày nay, nhờ cơ sở hạ tầng của mạng được nâng cao đặc biệt là về băng thông đã làm cho nhu cầu của các ứng dụng đa phương tiện qua mạng tăng lên một cách nhanh chóng Vì
vậy mạng Internet là sự hội tụ của các mạng khác nhau trên nên TCP/IP, cùng với sự
bùng nỗ về số lượng kết nối, môi trường truyền tải dữ liệu, cũng như các lớp ứng dụng đã làm truyền thông trên mạng TCP/IP trở nên cực kỳ phức tạp, thường xuyên xây ra tắc nghẽn trong quá trình truyền tải thông tin nên vấn dé tắc nghẽn xảy ra trong
TCP/IP là tất yếu
1.1.1 Nguyên nhân gây ra tắc nghẽn
Nguyên nhân chính là do bản chất tự nhiên của đữ liệu mà người dùng đưa vào mạng Khi mạng không kịp ứng phó với sự gia tăng đột ngột của lưu lượng tắc nghẽn sẽ xảy ra Tốc độ xử lý chậm, cấu hình bộ định tuyến kém cũng là một nguyên nhân quan trọng gây nên tắc nghẽn, bởi vì chúng có thé sẽ làm hàng đợi bị tràn ngay cả khi lưu lượng gói số liệu đến nút mạng nhỏ hơn năng lực vận tải của đường truyền đi ra
Trang 14- Thời gian chờ xử lý, xếp hàng vào hàng đợi quá lớn Nếu luồng gói tin vào bằng nhiều đường mà tất cả đều cùng cần ra cùng một đường thì hàng đợi chờ xử lý sẽ bị đầy Nếu khã năng xử lý các yêu cầu tại các nút mạng chậm sẽ dẫn đến tắc nghẽn
- Bộ đệm ở các hàng đợi quá nhỏ Nếu bộ nhớ không đủ dung lượng dé lưu trữ các gói tin chờ xử lý thì một số gói tin sẽ bị mất Có thể tăng dung lượng bộ nhớ đệm
lên để khắc phục tắc nghẽn, tuy nhiên 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 mắt gói tin
do lỗi đường truyền hiếm khi xây ra Mất gói tin đồng nghĩa với việc xảy ra tắc nghẽn ở các nút (router) trong mạng Cơ chế điều khiến chống tắc nghẽn của TCP sẽ căn cứ vào sự kiện mất gói tin và kiểm tra trễ quá time — Out để xác định tắc nghẽn trong mạng TCP không có khã năng phân biệt được giữa mất gói tin do đường truyền hay mất gói tin do tắc nghẽn Mỗi khi xây ra hiện tượng trên TCP giảm tốc độ truyền Điều này không phủ hợp với truyền thông đi động vì hiệu suất đường truyền sẽ bị hạ thấp Một vấn đề có tính đồng nhất giữa mạng di động và cô định là tốc độ truyền kênh di động thấp hơn so với mạng cố định Vì vậy phần truy cập vô tuyến sẽ luôn là chỗ tắc nghẽn cỗ chai đối với một kết nối giữa thuê bao di động và một đầu cuối ở mạng cỗ định Ngoài ra, hiệu ứng băng thông không đối xứng cũng có tác động đến truy cập Intermet Băng thông theo hướng từ máy cô định đến máy di động thường lớn hơn nhiều băng thông theo chiều ngược lại Hiệu ứng này làm trễ theo hai chiều truyền khác nhau
1.1.2 Kỹ thuật điều khiển tắc nghẽn
Trang 15Đề điều khiển và kiểm soát tắc nghẽn cần phải có các kỹ thuật để kiểm soát tắc nghẽn theo nghiên cứu tài liệu phần [2] thì ta thấy có 4 kỹ thuật kiểm soát tắc nghẽn như sau:
- Kỹ thuật kiểm soát tắc nghẽn ở nguôn gửi: Khi nhận biết dấu hiệu tắc nghẽn xây ra, nguồn gửi thực hiện điều khiển luồng, điều tiết lưu lượng gói tin gửi vào mạng trên các luồng hoặc định tuyến lại cho các gói đề tránh gửi gói vào các tuyến có dấu hiệu tắc nghẽn
- Kỹ thuật kiểm soát tắc nghẽn mạng ở đích nhận: Khi có tắc nghẽn xảy ra, có nghĩa là tải tạm thời lớn hơn lượng gói tin có thể quản lý, cách tốt nhất đề tránh tắc nghẽn xảy ra ở các nút mạng là giảm tải Đề giảm tải có thể sử dụng cách phủ nhận
dịch vụ người dùng, hoặc dự đoán mức độ sử dụng dịch vụ của người dùng
- Kỹ thuật phân phối tài nguyên: Kỹ thuật bao gồm tiến hành lập lịch có sử dụng các mạng vật lý hoặc các nguồn tài nguyên khác trong mạng Kỹ thuật này có quá trình cài đặt và cấu hình phức tạp nhưng nó có khả năng loại trừ tắc nghẽn trong mạng bằng việc khoá các lưu lượng vượt quá khả năng cho phép
- Kỹ thuật quản lý hàng đợi tại nút mạng: Kỹ thuật này nhằm duy trì số lượng gói tin trong hàng đợi tại nút mạng một cách hợp lý, nhằm tránh trường hợp hàng đợi bị đầy và làm mắt gói tin Quản lý hàng đợi có thể tối thiểu hoá việc mất gói trong mạng, phòng tránh tắc nghẽn, xử lý các tắc nghẽn xảy ra, cũng như cải thiện được hiệu năng của mạng
Ngoài ra việc điều khiển tắc nghẽn còn thực hiện tại các nút mạng khi có nhiều
Trang 16Hoan hao x Dung lượng tối đa Của mạng con Mong muôn Tắc nghẽn m Các gói tin được phân phối Các gói tin gửi đến Hình 11 Mô hình tắc nghẽn
Hình1.1 Mô tả lại hiện tượng tắc nghẽn Khi lượng gói tin chạy trong mạng còn nằm dưới ngưỡng cho phép, chúng đều được phân phối đến đích (ngoại trừ những gói tin bị lỗi), và số lượng gói tin phân phối tỉ lệ thuận với gói tin phát ra ban đầu Tuy nhiên, khi mật độ gói tin tăng lên các router không còn đáp ứng kịp và chúng dần dần đánh mất gói tin Điều này có khuynh hướng nghiêm trọng thêm khi mà lưu lượng lưu thông quá cao, hiệu năng hệ thống sẽ sụp đồ hoàn tồn và hầu như khơng gói tin nào được phân phát đến đích
Điều khiển tắc nghẽn là thực hiện nhiệm vụ đảm bảo cho mạng có khã năng vận
chuyển lưu lượng vào tốt hơn, điều khiển tắc nghẽn là đề phòng tắc nghẽn trước khi
nó xuất hiện
1.1.3 Nguyên lý điều khiển tắc nghẽn trong mạng TCP/IP
Van dé điều khiển tắc nghẽn được giải quyết chia thành 2 nhóm: Vòng mở và vòng đóng
Giải quyết vòng mở là cố gắng giải quyết vấn đề bằng việc thiết kế tốt về bản chất để chắc chắn không xảy ra sự cố ở điểm đầu tiên Tiến hành điều khiển vòng mở
Trang 17bỏ 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 phân hồi, đây là phương pháp gồm 3 bước:
- Bước 1: Làm chủ hệ thống để phát hiện tắc nghẽn xảy ra khi nào và ở đâu Day la van dé quan trong dé phát hiện và điều khiển tắc nghẽn, biết được hệ thống tắc nghẽn xây ra khi nào và ở đâu lúc đó ta chuyền sang bước 2
- Bước 2: Chuyển thông tin đến những nơi (router) mà ở đó có tắc nghẽn thì tiến hành giải quyết được tắc nghẽn bằng cách chuyển thông tin báo tắc nghẽn cho các router khác hay router nguồn
- Bước 3: Khi nhận được thông tin tắc nghẽn máy chủ có những hành động thích hợp để giảm sự tắc nghẽn như: sắp xếp lại đường truyền, hạn chế không cho truyền gói tin vào những đường xảy ra tắc nghẽn
Có nhiều phương pháp điều khiển tắc nghẽn, các phương pháp có thể hoạt động ở nguồn và ở đích
- 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 xung quanh như là thời gian cần thiết cho sự báo nhanh đi trở lại
- Hoạt động ở đích: Sự hiện điện của tắc nghẽn có nghĩa là tải lớn hơn lượng thông tin có thể quản lý Hai giải pháp có thể thực hiện để giải quyết: Tăng tài nguyên hoặc giảm tải
Tuy nhiên, đôi khi không thé tăng khã năng tài nguyên lên được hoặc nếu tăng chỉ tăng đến một giới hạn nhất định Cách duy nhất đề tác động sự tắc nghẽn là giảm tai Dé giảm tải có thể sử dụng:
- Phủ nhận dịch vụ mới nơi sử dụng, giảm bớt dịch vụ một vài nơi hoặc tất cả
các nơi sử dụng
Trang 18- Dé han chế tắc nghẽn phải thiết kế tốt hệ thống đề chắc chắn không xảy ra tình trạng tắc nghẽn ở thời điểm ban đầu Nếu xảy ra phải có những phản ứng nhận biết tắc nghẽn xây ra ở đâu và thông báo để giải quyết
1.2 CO CHE QUAN LY HANG DOI TRONG MANG TCP/IP
Các bộ định tuyến (router) chính trong mạng Internet được cầu hình có nhiều
hàng đợi với kích thước lớn, đo đó các gói truyền trong mạng sẽ phải mất một thời gian dài dé truyền trong hàng đợi Trễ hàng đợi thậm chí còn lâu hơn cả trễ truyền trong mạng Đối với các hàng đợi quá dài, khi xảy ra tắc nghẽn thì chính sách “loại bỏ phần đuôi” được sử dụng nhiều Điều này có nghĩa là bất kì gói nào đến trong
điều kiện hàng đợi bị đầy đều bị loại bỏ trước khi vào được hàng đợi Vấn đề đặt ra
là làm thế nào khi có tắc nghẽn xảy ra Đề giải quyết van dé này †a sử dụng các thuật toán quản lý hàng đợi và lập lịch
Nói đơn giản thuật toán quản lý hàng đợi được sử dụng để quản lý chiều đài của hàng đợi các gọi bằng cách loại bỏ các gói khi cần thiết
Quản lý hàng đợi bao gồm các hoạt động:
Thêm gói vào hàng đợi theo ngữ cảnh của gói khi hàng đợi chưa đây Loại bỏ gói nếu hàng đợi đã day
-_ Xóa bỏ gói khi được yêu cầu bởi bộ lập lịch
-_ Thường xuyên quản lý độ chiếm giữ của hàng đợi
Loại bỏ gói khi hang doi da day
-_ Đánh dấu các gói khi hàng đợi chuẩn bị đầy
Sự cần thiết của quản lý hàng đợi
Hiện nay có hai phương pháp quản lý hàng đợi, đó là quản lý hàng đợi thụ động và quản lý hàng đợi tích cực:
- Quản lý hàng đợi thụ động (tiêu biéu là cơ chế DropTail [17]) là kỹ thuật thiết
Trang 19chuyển đến tiếp theo cho đến khi các gói trong hàng đợi được giảm nhờ vào các gói đã được truyền đi
- 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 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 đụng tương tác như duyệt web hay các
Router, nút mạng hay bộ định tuyến, là một thiết bị mạng máy tính dùng để chuyển các gói dữ liệu qua một liên mạng và đến các đầu cuối, thông qua một tiến trình được
gọi là định tuyến Cầu tric mét router bao gồm các khối chung: Giao điện ghép kênh, bộ chuyên tiếp gói tin và bộ quản lý gói tin Pe ee ee ee ee ee eee eee ee ee eens 1 I \ I ' “ š 1 2 Tớ bà | An Tị ' 1 Phân loại ¡ Quảnlýhàngđợi ¡ Lập lịch 1 ' 1 \ 1 1 1 Hàng đợi 1 x 1 1 1 ee \ I \ I I 1 1 1 Hàng đợi 2 > ' 1 ow 1 1 / Ie ow 2 1 ; huyển gói tin đi Hàng đợi 3 ta j 7 : 1 ' \ ‘ ‘ - 4 1 ry 1 ~ LN 1 T 1 ‘> 1 1 1 1 1 \ | \ 1 I 1 1 1 1 1 1 1 1 1 I \ I Kiera i wee Bere ome See 2 eye Sree epee 4
Hinh 1.2 M6 hinh COS tai nut mang (Router)
Các giao điện đầu vào nhận các gói tin đến từ các router khác trên mạng (trên cơ sở bảng định tuyến địa chỉ đích IP), chúng sẽ hướng các gói tin tới các nút mạng
Trang 20tiếp theo qua giao dién dau ra Khi router nhận thấy có đấu hiệu tắc nghẽn trong mạng
thì các gói tin sẽ có thể bị loại bỏ hoặc đánh dấu trong nó
Một gói tin đến sẽ được chuyển qua 3 lớp: Lớp phân loại, lớp quản lý hàng đợi và lớp lập lịch Trong Hình 1.3, trình bày kiến trúc phân lớp CQS (Classification Queue Scheduler) ctia router
1.2.1 Cơ chế quản lý hàng đợi tích cực
Mục tiêu quan trọng 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 dấu hay loại
bỏ của một gói tin được chuyên đến thông thường phụ thuộc vào độ ước tính của sự
tắc nghẽn trên mối liên kết
Kiểm soát tắt nghẽn với cơ chế quản lý hàng đợi tích cực có thể đem lại những
uu diém sau:
- Giảm bớt những gói tin bị loại bỏ trong thiết bị định tuyến Các gói tin đến
dạng bó là một khía cạnh không thê tránh được của mạng gói Nếu tat cả không gian hàng đợi trong thiết bị định tuyến đã đạt trạng thái đầy, hay nếu không gian bộ đệm không đủ, thiết bị định tuyến sẽ không có khả năng xử lý các bó gói tin Bằng việc giữ cho kích thước hàng đợi trung bình nhỏ, quản lý hàng đợi tích cực sẽ cung cấp khả năng lớn hơn để giảm bớt các gói bị loại bỏ trong quá trình chuyền vận Hơn nữa, nếu như không có quản lý hàng đợi tích cực thì sẽ có nhiều gói tin bị loại bỏ khi hàng
đợi bị tràn day
- Giảm độ trễ dịch vụ: bằng việc giữ cho kích thước hàng đợi trung bình nhỏ,
các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực sẽ giảm bớt độ trễ giữa các luồng dữ liệu đi vào nút mạng
- Tránh hiện tượng loek-out (khóa luồng): Quản lý hàng đợi tích cực sẽ gần như
Trang 21đợi tích cực sẽ có thể ngăn ngừa sự thiên lệch trong nút mạng khi chỉ ưu tiên các
luồng lưu lượng đạng bó cao và ngăn các luồng có lưu lượng thấp 1.2.2 Các mô hình quản lý hàng đợi
- Hang doi FIFO (First In First Out)
Thuc hién theo co ché 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 đầy thì hủy bỏ, ta gọi là hủy bỏ phần đuôi (Droptai)
Ưu điểm của FIFO là hàng đợi đơn giản, không cần sử dụng thuật toán điều khiển FIFO đối xử với các gói tin theo cùng một cách vì vậy nó phù hợp với mạng Best — Effort (Mang nỗ lực tối đa)
Nhược điểm là không phân biệt được các lớp lưu lượng nên các luồng lưu lượng sẽ giảm chất lượng khi tắc nghẽn xảy ra
- Hàng đợi ưu tién (PQ- Priority Queue)
Để khắc phục nhược điểm của hàng đợi FIFO, mỗi hàng đợi có một sự ưu
tiên riêng đâm bảo các gói tin được ưu tiên cao cần xử lý trước các gói tin có độ ưu tiên thấp Trong hàng đợi FQ, có n hàng đợi được tạo ra theo yêu cầu ưu tiên
từ 1 đến n Thứ tự lập lịch được xác định bởi thứ tự ưu tiên và không phụ thuộc
vào vị trí của gói tin Các gói tin hàng đợi thứ 1 được xử lý khi không còn gói tin nào trong hàng đợi thứ 1-1
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
- Hàng đợi classe — based hay hàng đợi cân băng — PQ (Fair queuing) Hàng đợi FIFO có thể xây ra vấn đề có hàng đợi chờ mãi không được xử lý và bị tràn gói tin đến Đề khắc phục nhược điểm này, các gói tin bên trong mỗi hang đợi được truyền theo nguyên tắc FIFO còn các hàng đợi khác nhau sẽ được truyền theo
Trang 22nguyên tắc vòng tron (Roud Robin) gọi là hàng đợi cân bằng (Fair Queuing -FQ) Số các gói tin được truyền từ mỗi lớp trong mỗi vòng là đã xác định bởi thuộc tính lớp đó Như vậy thuật toán đảm bảo mỗi lớp sẽ nhận một phần nào đó bảng thông liên kết Tuy nhiên, trong mỗi lớp sẽ không cân bằng đối với các gói tin có kích thước nhỏ phải chờ đợi một thời gian dài trước những gói tin có dung lượng lớn trong trường hợp này thì thuật toán điều độ không hợp lý
Hàng đợi cân bằng rất đơn giản, nó không yêu cầu một kỹ thuật chỉ định băng thông phứt 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 lịch sẽ tự động đặt lại băng thông của mỗi hàng
doi bang 1/(n+1) Don giản chính là ưu điểm chính của hàng đợi cân bằng - Hàng đợi cân bằng trọng số (WEFQ — Weight Fair Queue)
WFQ dung nhiéu hang doi dé tách biệt các luồng và cấp lượng băng thông như nhau Hay sự cấp phát băng thông cân bằng được định nghĩa là các luồng trong củng 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 đụng
Thuật toán này cho phép băng thông chia sẽ một cách công bằng, không sử dụng danh sách truy cập hay các tác vụ quản lý tốn nhiều thời gian khác
- Hang doi Deficit Round Robin (DRR)
Cung cấp ưu tiên cho lưu lượng thời gian như VOIP, các gói tin IP được ánh xạ sang các hàng đợi khác nhau căn cứ vào các bit ưu tiên Tất cả hàng đợi đều phục vụ theo kiểu xoay vòng, ngoại trừ một hàng đợi ưu tiên dùng để kiểm soát lưu thoại DRR lỗ trợ tương tự như WFQ nhưng cho các giao tiếp tốc độ cao
- Hang doi xoay vong theo trong sé - WRR (Weight Roud Ronbin)
WRR chia bing théng céng dau ra của các lớp lưu lượng đầu vào phù hợp với băng thông yêu cầu
Cơ chế hoạt động của WRR thay vì thăm mỗi hàng đợi ít nhất một lần và phục vụ một lượng nhỏ dữ liệu tại hàng đợi như GPS thì WRR lại phục vụ một số gói tin
Trang 23tại từng hàng doi, số gói tin được phục vụ tại từng hàng đợi phụ thuộc vào trong số
“Weight” cia hàng đợi đó Trong kiến tric DiffServ có thể phân biệt các hàng đợi này thông qua giá trị trường DS§ trong gói tin IP
1.3 PHAN LOAI CO CHE QUAN LY HANG DOI TICH CUC
Quan lý hàng đợi là một nhóm tổ hợp các phương pháp quản lý hàng đợi và lập lịch gói, đây là một trong những cơ chế cung cấp chất lượng dịch vụ (QoS) Quản lý hàng 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 lại thành ba dạng: 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 Quản lý hàng đợi tích cực { o tai nap Dựa theo kích thước hàng đợi và tải nạp Dựa theo kích Dựa the thước hàng đợi 3 BLUE RED SFQ REM FRED ' GREEN VRED
Hinh 1.3 Phén loai co ché quan by hang doi tich cuc
Cơ chế quản lý hàng đợi dựa theo chiều đài hàng đợi là làm ôn định chiều dài
hàng đợi tại nút mạng, giảm số lượng gói tin phải loại bỏ, giảm thiêu 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 dụng phô biến nhất, đại diện cho
nhóm cơ chế quản lý hàng đợi dựa trên chiều dài hàng đợi, ở chương sau của luận
Trang 24văn sẽ phân tích chỉ tiết về cơ chế quản lý hàng đợi tích cực này Ngoài ra còn có các
cơ chế cải tiến khác như FRED, VRED, ARED 1.4 TIEU KET CHUONG 1
Trong chương này luận văn tìm hiểu chủ yếu lý thuyết về quản lý hàng đợi AQM, cơ chế quan ly hàng đợi tích cực, phân phối các gói tin ở router Nội dung chương này đã làm rõ các vấn đề liên quan đến tắc nghẽn trong môi trường mạng Internet hiện nay, các nguyên nhân cơ bản xảy ra tắc nghẽn trong quá trình truyền dữ liệu trong mạng, các nguyên lý điều khiến tắc nghẽn trong mạng TCP/IP Trình bày rõ các cơ chế quản lý hàng hàng đợi truyền thống trình bày phân loại cơ chế quản lý hàng đợi tích cực gồm các cơ chế quản lý hàng đợi theo chiều dài hàng đợi, theo tải nap, theo chiều dài hàng đợi và tải nạp Tuy nhiên van dé quan lý hàng đợi tích cực
dựa vào kích thước của hàng đợi đề cập trong luận văn chưa được làm rõ, chúng ta
sẽ phân tích chỉ tiết hơn trong nội đung của chương 2
Trang 25Chuong 2 QUAN LY HANG DOI RED VA CAC CAI TIEN CUA RED DỰA VÀO TOC DO TANG TRUONG CHIEU DAI HANG DOI
Chương này đi sâu, phân tích cơ chế quản lý hàng đợi dựa vào chiều đài đầu tiên là cơ chế phát hiện sớm ngẫu nhiên (RED) và các cải tiến trên sự thay đổi chiều dài hàng đợi như V-RED, F-RED Trong chương này đi sâu mô tả, trình bày chỉ tiết
về cách thức hoạt động, thuật toán, lưu dé, 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 đài hàng đợi
trung bình và xác suất đánh dấu loại bỏ gói tin khi chiều dài hang doi thay đổi
Ngoài ra, chương này còn phân tích những ưu nhược điểm của các cơ chế quản
lý hàng đợi RED, V-RED, FRED đề hiểu hơn những cải tiến của RED trong cơ chế
quản lý hàng đợi dựa vào tốc độ thay đổi chiều dài nhằm khắc phục tình trạng tắc
nghẽn khi gói tin đến nhiều
2.1 CO CHE QUAN LY HANG DOI RED
Cơ chế quản lý hang doi tich cre RED (Random Early Detection) lan dau tiên duoc Sally Floyd va Van Jacobson dé xuat [9] cho chức năng quản lý hàng đợi tích
cực, sau đó nó được chuẩn hoá lại theo yêu cầu của IETE [7] RED có khả năng chống
hiện tượng đồng bộ toàn cục trên toàn thê các luồng TCP, duy trì khả năng lưu lượng truyền tải cao cũng như độ trễ thấp cùng với cách đối xử công bằng qua đa kết nối TCP Một trong những lý do làm cho tỷ lệ mắt gói tin cao là do thiếu cơ chế kiểm soát và điều khiển luồng Để sớm phát hiện tắc nghẽn và hỗ trợ báo tắc nghẽn cho trạm nguồn, tổ chức chuẩn IETF khuyến cáo sử dụng cơ chế quản lý hàng đợi tích
cực RED tại các bộ định tuyến trên mạng Internet
RED được thiết kế dé tránh tắc nghẽn trước khi tình trạng này xây ra, do đó RED được sử dụng để phát hiện ra tắc nghẽn ngay khi nó mới bắt đầu hình thành đề duy trì mạng trong miền độ trễ thấp và thông lượng cao Đồng thời, RED cũng giúp
tránh đồng bộ toàn cục, khi có dấu hiệu tắc nghẽn xảy ra trong mạng, thiết bị định
tuyến sẽ phải quyết định xem kết nối nào để gửi thông báo phản hồi Với việc phát
Trang 26hiện sớm tắc nghẽn và thông báo cho các kết nối khi cần thiết do đó tránh được hiện
tượng đồng bộ toàn thê luồng TCP
2.1.1 Cơ chế hoạt động của RED
RED (random Ealy Detection), [15] la co chế kiếm soát hàng đợi dưới dạng gửi gói thông báo về trạm nguồn về tình trạng tắc nghẽn bằng cách cho rơi gói tin sớm và trạm nguỗn nhận biết qua “time ouf” hoặc “duplicate ACK” để trạm nguồn giảm tốc độ phát Xác suất rơi gói tin sớm phụ thuộc vào độ đài trung bình của hàng đợi và hai giá trị ngưỡng min, maxip,
Tư tưởng của thuật toán như sau:
- Nếu gói tin trong hàng đợi nằm giữa các giá trị minu, maxu thì hủy bỏ gói tin một cách ngẫu nhiên tùy theo hàm xác suất p
- Nếu hàng đợi chứa ít hơn ming gói tin thì thêm vào hàng đợi gói tin mới và xác suất hủy bỏ là 0
- Nếu hàng đợi chứa nhiều hơn max gói tin thì hủy bỏ những gói tin mới và xác suất hủy bỏ là l
Các tham số vào:
Maxi: La giới hạn của ngưỡng kích thước hàng đợi cực đại Mina: Là giới hạn của ngưỡng kích thước hàng đợi cực tiêu
maxp: Xác suất rơi cực đại
wạ: Là trọng số hàng đợi trong đoạn [0,1], 0< wạ<l ps: Xác suất rơi gói tin
Khi các gói tị
n bị mất ở hàng đợi tức là có dấu hiệu bị tràn Vì vậy ENC có thể nhận ra
tắc nghẽn thông qua việc mắt gói tin, giúp cho việc nâng cao hiệu năng mạng
Trang 27Pmax |-— —}-—- min, max, Chiều đài hàng đợi trung bình
Hình 2.1 Mô tả cơ chế loại gói tin của RED 2.1.2 Thuật toán RED
Thuật toán RED có 2 phần chính: Ước tính chiều đài hàng đợi trung bình và quyết định các gói tin đến có bị loại bỏ hay không?
- Phần uóc tính chiều dài hàng đợi trung bình
RED/ENC tính toán chiều dài hàng đợi trung bình dựa trên sự di chuyên của trong số theo hàm mũ trung bình dựa vào công thức:
avg = avg * (1 - Wq) + Wq * q (1)
avg = avg * q - Wa) f (time — qtime) (2)
Với thuật toán như sau: If (q != null) / nếu hàng đợi réng then avg = avg * (1 - Wq) + Wq * q; else avg = avg * q - Wq) f (ume — qtime)
(Với, q: chiều dài hàng đợi hiện tại, avg: chiều dài hàng đợi trung bình, wa: trọng số hàng đợi, time: thời điểm hiện tại, qtime: thoi diém hang doi bat dau rong)
- Phan quyết định loại bỏ gói tin
Trong phần này của thuật toán RED/ENC quyết định việc có loại bỏ gói tin hay không, khi chiều dài hàng đợi trung bình øvg biến đổi từ mu đến maxø thì các gói
Trang 28
tin sẽ bị loại bỏ với một xác suất trong khoảng 0 đến zzx;Ïf (minn < avg < max) then po = ((avg - minn) / (maxu- minn)) * maxp; I (maxu <=avg) po= 1; drop (all_ packet); If (avg <= min) Pv = 0; non_drop (all_ packet);
(V6i, pv: xác suất loại bỏ gói tin, minu: ngưỡng tối thiéu, max: ngwong tdi da, max;: xác suất loại bỏ tối đa)
Trang 292.1.3 Ưu và nhược điểm cia RED
Theo cơ chế hoạt động trên ta thấy rằng RED có những ưu và nhược điểm sau: Ưu điểm: Cơ chế quân lý hàng đợi sử dụng thuật toán RED phát hiện sớm được tắc nghẽn trong mạng bằng cách sử dụng quá trình loại bỏ gói ngẫu nhiên bằng việc thay đổi kích thước hàng đợi trung bình Với việc phối hợp giữa trung bình hoá chiều đài của hàng đợi (cung cấp lưu lượng từng đợt) và thông báo tắc nghẽn sớm (giảm kích thước hang doi trung bình) giúp cho cơ chế RED đạt được trễ hàng đợi trung bình thấp và thông lượng cao
Nhược điểm: Khi kích thước hàng đợi trung bình g„„¿ nhỏ hơn mức ngưỡng nhỏ nhất minạ thì không có gói tin nào bị đánh dấu (hay gán xác suất đánh đấu bằng 0) Khi kích thước hàng đợi trung bình lớn hơn mức ngưỡng lớn nhất maxy, thi tat cả các gói đến đều bị đánh dấu và trên thực tế các gói có thể bị loại bỏ (hay gán xác suất đánh dấu bằng 1) Khi kích thước hàng đợi trung bình nằm trong khoảng giá trị ngưỡng nhỏ nhất minạ và giá trị ngưỡng lớn nhất maxu thì mỗi gói đến đều được
đánh đấu bằng một xác suất ø›,
Kích thước hàng đợi trung bình được sử dụng với mục đích là để tránh sự dao
động quá nhanh của hàng đợi khi có những đợt gửi gói tin với thời gian ngắn RED tính toán avg VOi hé sé W, mdi khi có gói tin đến theo cong thitc sau: avg = avg * (1 - wa) + wa * q
V6i Wg (0 <= Wg <=1) la trong sé hang doi và & là kích thước hàng đợi hiện thời Nếu gia tri cla Wy du nhỏ, thì giá trị trung bình sẽ có khuynh hướng ít thay đổi, và sẽ ít bị ảnh hưởng đối với những đợt gửi gói tin ngắn Do vậy, RED tỏ ra kém hiệu quả khi có sự thay đổi nhanh chóng mật độ gói tin vào hàng đợi
2.2 CO CHE QUAN LY HANG DOI V-RED
V- RED (V - Random Early Detection) Thuật toán mới được cải tiến từ hàng
đợi RED gọi là V-RED, sử dụng tốc độ tăng trưởng chiều dải hàng đợi để tính toán
mức tắc nghẽn trong bộ định tuyến và kích hoạt xác suất loại bỏ gói tin theo cách tính
Trang 30toán này Điều này đem lại việc phản ứng nhanh hơn sự thay đổi của chiều dài hàng
đợi, từ đó cải thiện hiệu suất mạng
Nhằm khắc phục nhược điểm xác suất loại bỏ gói tin kém thích ứng với chiều
dai hang đợi hiện tại RED Shahram Jamali, Bita Alipasandi va Neda Alipasandi đã
đề xuất cơ chế V-RED [13] 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
2.2.1 Cơ chế hoạt động của V-RED
Ý tưởng cơ bản của VRED là giảm tỉ lệ loại bỏ gói tin hơn RED khi mạng rỗi nhưng tăng tỉ lệ loại bỏ gói tin hơn RED khi lưu lượng mạng cao Đề giải quyết điều này V-RED thêm vào tham số V để tính toán tốc độ tăng trưởng chiều dài hàng đợi
được tính theo công thức:
V=Aq/At Với:
Aq là sự khác biệt của chiều đài hàng đợi hiện tại và chiều dài hàng đợi trước đó
At là sự khác biệt về thời gian hiện tại và thời gian trước đó
Ta thấy rằng khi băng thông ở trạng thái tắc nghẽn nặng, thời gian đề chiều dài hàng đợi thay đổi thấp hơn thời gian ở trạng thái tắc nghẽn nhẹ hoặc rỗi, do đó giá trị của V trong tắc nghẽn nặng là cao hơn tắc nghẽn nhẹ
Trang 312.2.2 Thuật toán của cơ chế V-RED ¬ CM NDA ww DN a i £y Rị ca 6
Cho mỗi gói tin đến
Tính chiều dài hàng đợi trung bình (avg)
q= chiều dài hàng đợi hiện tại Áq =qr— q1 If Ag>= q_th Time, = thoi điểm hiện tại A = Time; — Time;-1 Tinh V= Aq/At r=r+1 If minu<=avg<=maxmn Tính xác suất rơi p IfV>=0 Tang p theo V Else Giam p theo V
Đánh dấu/ cho rơi gói tin với xác suất p Else IÝ maxu<=avø
Đánh dấu gói tin đến
Trang 33
(Với timex: là thời điểm hiện tai, timers: 1a thời điểm gói tin đến trước đó, qr: chiều dài hàng đợi hiện tai, qr1: chiều đài hàng đợi thời điểm gói tin đến trước đó,
pv: xác suất loại bỏ gói tin, q th: ngưỡng tăng trưởng chiều dai hang doi)
Tham số q_th là ngưỡng tăng trưởng chiều dài hàng đợi, giá trị mặc định của nó là 5 gói và các thông số khác tương tự cơ chế RED Nếu vận tốc tăng trưởng chiều
dai hang đợi là lớn thì xác suất loại bỏ gói tin nên được tăng lên, và ngược lại nếu nó là thấp (âm) thì xác suất loại bỏ gói tin nên được giảm Mức độ tắc nghẽn được định
nghĩa theo mức độ nghiêm trọng của tốc độ tăng trưởng chiều dài hàng đợi Ngoài ra tỷ lệ phần trăm tăng hoặc giảm xác suất loại bỏ gói tin phụ thuộc cũng phụ thuộc vào mức độ tắc nghẽn này Rõ ràng là phương pháp này điều chỉnh xác suất loại bỏ dẫn đến sự dao động hàng đợi thấp hơn
2.2.3 Ưu và nhược điểm của cơ chế V-RED
Với việc thêm vào tham số V để thay đổi tốc độ tăng trưởng chiều dài hàng đợi V để tính toán mức tắc nghẽn trong bộ định tuyến giúp cho cơ chế V-RED phản
ứng nhanh hơn sự thay đổi của chiều dài hàng đợi, từ đó cải thiện hiệu suất mạng Tuy nhiên bên cạnh đó thuật toán V-RED cũng có nhược điểm chưa hồn tốn khắc
phục được tốt nhất tình trạng tắc nghẽn đó là nếu trong trường hợp mức độ thay đôi của chiều dài hàng đợi nhỏ hơn tham số ngưỡng tăng trưởng chiều dài hàng đợi (q th)
thì cơ chế V-RED không hoạt động, khi đó việc tính toán chiều dài hàng đợi trung
bình và xác suất loại bỏ gói tin tương tự cơ chế RED
2.3 CO CHE QUAN LY HANG DOI FRED
FRED (Flow Random Drop)[2].[4], một phiên bản sửa đổi của RED FRED
sử dụng thuật toán theo luồng hoạt động để áp đặt cho mỗi luồng một tỷ lệ tốn thất phu thuộc vào việc sử dụng bộ đệm của luồng
FRED cung cấp sự bảo vệ tốt hơn so với RED cho các luồng thích ứng (Luông
yếu và luồng mạnh) Ngoài ra, FRED có thể xác định các loại lưu lượng khác nhau
dé cach ly những luỗng không thích nghi và bảo vệ các luồng có khã năng thích nghỉ
một cách hiệu quả hơn
Trang 34FRED không đưa ra bất kỳ giả định nào về kiến trúc xếp hàng, nó sẽ hoạt động
với một công FIFO Tinh toan lưu lượng hoạt động của FRED sử dụng bộ nhớ tỷ lệ
với tổng số bộ đệm được sử dụng: cổng FRED chỉ đuy trì trạng thái cho các luồng có gói được đánh dấu, không phải cho tất cả các luồng đi qua cổng
2.3.1 Cơ chế hoạt động của FRED
FRED sé đánh rơi gói tin ở một trong các trường hop sau:
- Số gói tin của mỗi luỗng trên hàng đợi lớn hon hodc bang maxg (qieni>=maxg) - Số gói tin trung bình của hàng đợi lớn hơn maxø„ và số gói tin của luồng ï trên hàng đợi lớn hơn 2 lần số gói tin trung bình của luồng đó trên hàng đợi (avg‹ạ>=maxw) Và (qeu>2*avg‹a)
- Số gói tin của luỗng ¿ trên hàng đợi lớn hơn số gói tin trung bình của chính nó trên hàng đợi và luồng này cũng đã từng bị đánh rơi trước đó (g,„>=avg‹¿) và
(strike (i)> 1)
Các trường hợp còn lại hoàn toàn giống với cơ chế RED 2.3.2 Thuật toán của FRED Các hằng số: wq = 0.002; minim = MIN(kich thudc hang doi /4, RTT); maxin = 2*minui: maxp = 0.02;
ming = 2 đối với các hàng đợi có kích thước nhỏ; mỉng = 4 đối với các hàng đợi có kích thước lớn;
Các biến toàn cục:
q: kích thước hiện tại của hàng đợi; time: thời gian thực hiện tại;
avg: giá trị kích thước trung bình trong hàng đợi;
Trang 35count: số gói tin từ khi có gói trước đó bị rơi;
avgoq: giá trị kích thước trung bình của mỗi luồng trên hàng doi; maxa: giá trị lớn nhất cho phép trên mỗi luồng ở hàng đợi: ming: giá trị bé nhất cho phép trên mỗi luồng ở hàng đợi; Các biến trên mỗi hàng đợi:
qiai: — số lượng gói tin của luồng ¡ trên hàng đợi: strike(): số lần hàng đợi ¡ vượt quá giới hạng maxa;
Gói tin vào hàng đợi P:
if luéng i = conn(P) // không có bảng trạng thái qlen; = 0; strike; = 0; if hang đợi rỗng Tính chiều dài hàng đợi theo công thức maXa = minu, 1 (avg >= maXu) t maxXq = 2; } Xác định luỗng thích nghi: if (qleni >= maxq) t
(avg >= maxtn && qleni > 2*avgeq) || (qleni >= avgeq && strikei > 1)) {
26
Trang 36strike;H+; drop packet P; retum;
}
Quyết định loại bỏ gói tin: if (min <= avg < maxtn)
t
count = count + 1; Giảm ngẫu nhiên từ dòng chảy:
Trang 37else { drop-tail mode: count = 0; drop packet P; return; } if(qlen(i) == 0) t Nactive++; - Tinh chiéu dai hang doi trung bình Xác suất rơi P;
Cho truyền gói tin P:
Trang 39FRED có nhiều khả năng chấp nhận các gói từ các kết nối mới ngay cả khi bi tắc nghẽn Lưu ý rằng không thể tránh sự thiên vị không công bằng của RED đối với các kết nối băng thông thấp bằng cách xếp hàng theo từng lớp vì mỗi kết nối TCP luôn bắt đầu bằng một cửa số tắc nghẽn của một gói ban đầu hoặc sau khi hết thời gian truyền lại
2.3.3 Ưu và nhược điểm của FRED
Ưu điểm lớn nhất của RED là khã năng quản lý các luồng thích ứng hiệu quả hơn khi có nhiều luồng đến Điều này có nghĩa là FRED thích hợp hơn trong việc nhận các gói từ các kết nối mới thậm chí còn trong tình trạng tắc nghẽn
Nhược điểm của FRED là dựa vào kích thước hàng đợi để xác định xác suất rơi
gói tin Điều này làm cho FRED kém linh động hơn
2.4 ĐÁNH GIÁ CÁC CẢI TIỀN VRED, FRED SO VOI CO CHE RED
Qua phan tich danh gia co ché hoat động, thuật toán, ưu nhược điểm của
RED, VRED, FRED ta thấy rằng cả ba cơ chế trên đều thiết kế để tránh tắc nghẽn trước khi tình trạng này xảy ra Tức là sử dụng để phát hiện tắc nghẽn sớm để thông báo về trạm nguồn bằng cách cho gói tin rơi sớm theo một xác suất rơi gói tin P nao đó phụ thuộc vào độ dài trung bình của hàng đợi va hai ngưỡng giá trị
minu, maxun như sau:
- Nếu số lượng gói tin trong hàng đợi nằm gitta nguéng ming, va maxy, thì sẽ xem xét việc đánh đấu gói tin của theo xác suất p,
- Nếu số lượng gói tin trong hàng đợi nhỏ hơn øiz„ thì thêm gói tin thì thêm gói tin vào hàng đợi và p=0
- Nếu số lượng gói tin trong hang doi Ién hon maxy, thi sé danh dấu gói tin và cho xác suất p=1
Tuy nhiên hai cơ chế cải tiến của VRED và FRED có những đặc điểm khác cơ bản so với cơ chê RED là:
VRED cơ chế này đưa vào tham số V để tính toán tốc độ tăng trưởng chiều dai hàng đợi đựa vào tham số g_# là ngưỡng tăng trưởng chiều dài hàng đợi khi Ag>=
Trang 40q_th thì xác suất loại bỏ gói tin po sẽ được thêm vào tham số V, nhằm tăng độ phan ứng nhanh hơn so với sự thay đổi tốc độ tăng trưởng của chiều dài hàng đợi, cải thiện
hiệu suất mạng Cơ bản là giảm tỉ lệ loại bỏ gói tin khi roi mang, nếu tham số V này
thấp thì mạng đang ở trạng thái rỗi, tắc nghẽn nhẹ thì xác suất p này sẽ giảm phụ thuộc vào tham số V thêm vào, Tương tự nếu V lớn thì xác suất P này sẽ tăng tắc nghẽn nặng, tỉ lệ rơi gói tin cao
FRED là một cải tiến của RED nhằm mục đích giảm những tác động không bằng của RED, thay vì loại bỏ một cách ngẫu nhiên trong hàng đợi thì FRED tạo ra
sự phản hồi có chọn lọc Thuật toán FRED tập trung vào việc quản lí độ dài hàng đợi
theo luéng dua tham s6 qien(i) được so sánh với mửng và max và có sự phân lớp lưu lượng rõ ràng Nếu qien(i)<= ming la luồng yếu, ming<qien(i)<maxq1a cdc luồng mạnh, các luồng không phản hôi là các luéng c6 gien(i)>maxg ming FRED rat manh trong
việc xác định các loại lưu lượng khác nhau và bảo vệ được các luồng có khã năng
thích nghỉ cao Chính vì vậy FRED sẽ điều phối được thông lượng phủ hợp hơn dựa vào khã năng thích nghỉ của các luồng đến
2.5 TIEU KET CHUONG 2
Chương này tập trung phân tích, làm rõ cơ chế quản lý hàng đợi dựa vào tốc độ tăng trưởng chiều dài hàng đợi của cơ chế RED Tìm hiểu những công thức, thông số kỹ thuật của thuật toán RED trong quá trình điều khiến chống tắc nghẽn, qua đó làm rõ hơn những ưu nhược điểm của cơ chế quản lý hàng đợi RED trong điều khiển chống tắc nghẽn dựa vào sự thay đổi và chiều dài hàng đợi trung bình
Trên cơ sở phân tích làm rõ được cơ chế hoạt động, lưu đồ, thuật toán của
cơ chế RED chương này cũng tìm hiểu, phân tích đánh giá các cơ chế cải tiến V-
RED, FRED so voi thuật tốn RED thơng qua các thuật tốn, cơng thức cải tiến, các tham số kỹ thuật của các cơ chế cải tiến, nhằm mục đích phân tích làm rõ
những ưu điểm của các cơ chế cải tiến sơ với cơ chế RED Đồng thời cũng phân