Chương 13: CÁC GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỄN LƯU LƯNG VÀ TẮC NGHẼN TRONG ATM 3.1 Giới thiệu một số giải thuật điều khiển tắc nghẽn: 3.1.1 Cell quản lý tài nguyên RM (Resource Manegament): Trong mạng ATM, điều khiễn tắc nghẽn cho dòch vụ ABR là khả thi và hiệu quả nhất. Điều này bởi vì dòch vụ ABR và UBR sữ dụng băng thông còn thừa của hai loại dòch vụ CBR và VBR nhằm tận dụng tối đa băng thông trong mạng. Tuy nhiên khác với UBR , dòch vụ ABR cần phải cung cấp một lượng băng thông tối thiểu để bảo đảm tốc độ truyền cực tiểu, còn dòch vụ UBR không được bảo đảm băng thông nào cả. Do đó khi xảy ra tắc nghễn, các cell của dòch vụ UBR có thể bò hủy bỏ hoàn toàn trong hki các nguồn ABR chỉ cần giảm tốc độ truyền. Việc quản lý lưu thông ABR cần phải có sự phối hợp giữa các hệ thống nguồn (Source), chuyển mạch (Switch) và đích (Destiation). Phương tiện trao đổi giữa nguồn và mạng là các cell RM . Các cell này được nguồn tạo ra và theo đường truyền dữ liệu đến từng chuyển mạch , các chuyển mạch lấy thông tin từ các cell này, tính toán mức tải so sánh các thông tin trong cell để quyết đònh cho nguồn tốc độ bằng thông điệp gữi vào trong RM. Sau đó chuyển mạch tiếp tục gửi các đi. Khi cell đến đích, đích chỉ có việc đơn giản là gửi cell về nguồn. 3.1.1.1 Cấu trúc cell RM: Trường Chiều dài ATM header 5 byte ID 1 byte Dir 1 bit BN 1 bit NI 1 bit CI 1 bit R/A 1 bit Chưachỉ đònh 3 bit ER 2 byte CCR 2 byte MCR 2 byte QL 4 byte Sn 4byte Chưachỉ đònh 30.75byte CRC_10 10 bit Chú thích các trường trong cell RM: + Trong header có trường chỉ đònh loại cell PTI, nếu PTI = 110 thì cell đó là cell RM. + ID là trường chỉ số protocol dài 1 byte và ID = 1 chỉ cell này phục vụ cho ARB. + Dir (Direction) là trường chỉ hướng, dài 1 bit dùng để phân biệt cell RM từ nguồn đi (Dir = 0) và cell RM về nguồn (Dir = 1). + BN (Backward Notification) được dùng trong kỹ thuật BECN (Backward Explict Congestion Notification). + CI (Congestion Indication): chỉ thò tắc nghẽn, được sử dụng trong kỹ thuật đánh dấu hay chỉ đònh tốc tốc độ rõ ràng. + NI (No Increase) được sử dụng trong kỹ thuật chỉ đònh tốc độ rõ ràng. + Các trường R/A (Request/Acknowledge), QL (Queue Length) và SN (Sequence Number) tương thích với khuyến nghò I.371 của ITU-TAT và không được sử dụng trong ATMF (ATM Forum). + ER (Explict Rate) chỉ đònh tốc độ tối đa mà mạng cho phép nguồn gửi. + CCR (Current Cell Rate) : tốc độ hiện hành, được sữ dụng để báo hiệu tốc độ hiện hành của mình cho mạng. + MCR (Minimum Cell Rate) là trường tốc độ tối thiểu dài 2 byte, để chỉ thò tốc độ tối thiểu mà nguồn đòi hỏi. + CRC_10 là trường kiểm tra dùng CRC 10 bit. 3.1.1.2 Cell RM hợp lệ (In-rate) và cell RM phạm quy (Out-of-rate): Nếu tổng tốc độ cell dữ liệu và cell RM không vượt quá tốc độ cho phép ACR thì những cell RM như vậy được gọi là cell hợp lệ về tốc độ. Trong một số trường hợp đặc biệt chuyển mạch, đích và cả nguồn có thể tạo ra các cell RM mà tổng tốc độ của các cell dữ liệu và các cell RM vượt quá ARC thì gọi là cell RM phạm quy. Các cell RM phạm quy không tính trong ACR và được nguồn đặt trường CLP=1 , có nghóa là mạng chỉ tải chúng trong trường hợp thừa băng thông và sẽ loại chúng khi tắc nghẽn. Quy tắt này chỉ áp dụng cho cell RM, còn đối với các cell dữ liệu ABR, nguồn không được phép đặt CLP=1, mà chỉ có mạng là có quyền này. 3.1.1.3 Cell RM đi (Forward) và cell RM về (Backward): Cell RM đi từ nguồn đến đích được gọi là cell RM đi (FRM) các cell này có trường Dir=0. Đích nhậm cell RM và gửi lại các cell RM cho nguồn trên cùng một kênh ảo (VC), những cell này gọi là cell RM về (BRM) và có trường Dir=1. Trong lưu thông hai chiều giữa hai nguồn, có cả hai loại cell FRM và BRM trên cùng kênh ảo theo cả hai hướng. 3.1.2 Các yêu cầu của việc thiết kế giải thuật: 3.1.2.1 Khả năng mở rộng: Những mạng được phận loại dựa vào sự mở rộng, số lượng nút mạng, tốc độ hoặc số người sữ dụng. Do những mạng ATM bao quát trên một phạm vi rộng trên nhiều vùng nên giải thuật phải không bò giới hạn bởi tốc độ, khoảng cách, số chuyển mạch hay số kênh ảo. Các thông số đặc trưng liên quan đến khả năng mở rộng bao gồm số lượng bộ đệm, kỹ thuật sắp xếp hàng đợi , số thao tác vận hành thuật toán chuyển mạch đươc yêu cầu trên mỗi kênh điều khiển điều khiển và thời gian hội tụ của các thuật toán chuyển mạch. Giải thuật phải được thiết kế để có thể sử dụng trong cả mạng LAN hay WAN. 3.1.2.2 Sự tối ưu : Trong môi trường dùng chung, hiệu xuất của một nguồn phụ thuộc vào nhu cầu của các nguồn khác. Tiêu chuẩn được sữ dụng thông dụng nhất để chia sẻ hợp lý băng thông cho một nguồn trong môi trường mạng được gọi là “chỉ đònh Max-Min”. Nó cung cấp băng thông lớn nhất có thể có cho nguồn nhận được và cung cấp băng thông ít nhất cho tất cả các nguồn tham gia.Nó được đònh nghóa một cách toán học như sau. Cho một tập n nguồn đang kết nối, giả sữ nguồn thứ nhất đang sữ dụng lượng băng thông x I . Vector chỉ đònh là (x 1, x 2,…, x n ) là khả thi nếu tổng băng thông của tất cả các tải nhỏ hơn hay bằng 100 băng thông. Tổng số các vertor khả thi là vô hạn.Trong một vector nguôn được nhận băng thông ít nhất gọi là nguồn “bất hạnh nhất” . Cho tập hợp các vector khả thi tìm chỉ đònh chỉ đònh vector có băng thông lớn nhất cho nguồn bất hạnh nhất.Và số các vector như thế cũng là vô hạn. Bây giờ ta loại nguồn bất hạnh nhất ra khỏi vector và làm tương tự cho n-1 nguồn còn lại(sau khi đã trừ đi băng thông của nguồn bất hạnh này). Ta lặp lại thao tác trên n-1 lần cho đến khi mọi nguồn đều đạt được băng thông lớn nhất .Ví dụ sau đây minh họa cho cấu hình cân bằng Max-Min. Trong hình vẽ thể hiện một mạng với bốn chuyển mạch được kết nối bằng ba liên kết 150 Mbps .Có bốn kênh ảo VC được thiết lập .Liên kết đầu tiên L1 bò chia sẽ bởi những nguồn S1,S2 và S3. Liên kết thứ 2 bò chia sẽ bởi hai nguồn S3 và S4. Liên kết thứ ba được sử dụng chỉ bởi nguồn S4 bởi nguồn S4. Băng thông liên được chia một cách cân bằng giữa nhữnh nguồn tham gia kết nối. Liên kết L1 sử dụng băng thông 150 Mbit/s , chúng ta chia đều cho ba nguồn tham gia S1, S2, S3 mỗi nguồn nhận được 50 Mbps. Trong liên kết thứ 2, chúng ta chia chia cho 2 nguồn S4, S3 mỗi nguồn có 75 Mbps.Trong liên kết L3 chúng ta cho tất cả 150 Mbps cho nguồn S4.Tuy nhiên,nguồn S3 không thể sử dụng hết băng thông 75 Mbps của nó với liên kết L2 vì S1 S2 S3 S4 D1 D2 D3 D4 SW1 SW2 SW3 SW4 L1 L2 L3 Hình minh họa cho cấu hình max-min nó chỉ được cho phép sử dụng 50 Mpbs tại L1. Vì thế, chúng ta cho nguồn S3 150 Mbps và tạo nên một cấu hình mới như hình vẽ sau: Lúc này nguồn S3 đã được bỏ đi và dung lương liên kết đã giảm tương ứng. Bây giờ chúng ta cho một nửa liên kết của L1 cho mổi nguồn trong hai ngồn tham gia : S1 và S2 ,mỗi dung lượng nhận 50 Mpbs .Nguồn S4 Nhận toàn bộ băng thông còn lại 100 Mbps của liên kết L2. Vì vậy, vectơ cung cấp công bằng cho cấu hình là (50,50,50,100). Đây chính là sư cân bằng Max- Min. Chú ý rằng cấu hình Max–Min đạt được cả sự công bằng và hiệu quả. Công bằng vì mọi nguồn đều nhận được sự chia sẽ đều nhau trong mọi liên kết mà nó có thể sữ dụng. Sự phân chia công bằng Max- Min chỉ là một trong vài tiêu chuẩn tối ưu có S1 S3 S4 D1 D2 D4 SW1 SW2 SW3 SW4 L1 L2 L3 Hình minh họa cho cấu hình max-min thể. Nó không tính lượng tối thiểu mà nó phải đảm bảo MCR. Những tiêu chuẩn khác như phân chia công bằng theo trọng số đã được đề nghò để xác đònh sự cung cấp cho những nguồn tham gia mà vẫn tính đến MCR. 3.1.2.3 Độ công bằng: Đối với bất kỳ một tiêu chuẩn tối ưu nào chúng ta đều có thể xác đònh được mức độ cung cấp tối ưu. Nếu một phương pháp mà sự cung cấp băng thông của nó khác với sự tối ưu thì mức độ không công bằng của nó được tính như sau: Giả sữ một giải thuật xác đònh được vector (x 1 ,x 2 ,…,x n ) trong khi vector tối ưu là (y 1 ,y 2 ,…,y n ), các y I này có thể xác đònh bằng bất cứ một tiêu chuẩn nào như Max-Min, từ đó ta tính ra sự cung cấp bình thường cho mỗi nguồn là z I = x i /y I và tính chỉ số công bằng Fairness như sau: i i 2 2 i i xn x Fairness Do các hàm x I thường thay đổi theo thời gian, chỉ số công bằng có thể được vẽ như là một hàm của thời gian. Ví dụ: 50/50,30/10,50/10 -> 1,3,5. Hệ số công bằng: Fairness = (1+3+5) 2 /(3.(1 2 +3 2 +5 2 )) = 9 2 /3.(1+9+25) = 0.81 Độ trung bình: = (1+3+5)/3 = 3. Độ biến động: 2 = 1/(n-1)(x I - ) 2 = 4 = 2 -> COV = / = 0.667 Tỷ số Max-Min = Min x i = 1/5 = 0.2 Khoảng cách bình thường so với khoảng cách tối ưu: Norm Dist = (x i -y i ) 2 2 /(y i ) 2 1/2 = 0.86 3.1.2.4 Độ hiệu quả: Độ hiệu quả của một giải thuật liên quan đến khả năng tận dụng tận dụng tài nguyên mạng của nó. Một giải thuật vận hành dưới tải hay quá tải đều không hiệu quả. Đối với một mạng có liên kết tắc nghẽn cổ chai thì việc điều khiển tải hợp lý là rất quan trọng. Vì vậy một giải thuật hiệu quả cố điều khiển những liên kết tắc nghẽn cổ chai không quá tải cũng như không dưới tải. 3.1.2.5 Độ trễ: Nếu hai giải thuật có hiệu quả và độ công bằng như nhau thì giải thuật nào có độ trễ từ đầu đến cuối bé hơn thì giải thuật đó được xem là tốt hơn. Thực ra, thường phải có sự đánh đổi giữa độ trễ và độ hiệu quả vì nếu muốn đạt được độ hiệu quả cao thì phải tận dụng kiên kết 100 thì chiều dài hàng đợi sẽ trở lên rất lớn và khi đó độ trễ sẽ tăng. Lưu thông dữ liệu nói chung không quá nhạy cảm với trễ, nhưng khi độ trễ quá lớn thì cũng có hại vì có thể xảy ra hiện tượng time-out (hiện tượng quá trễ đối vói thòi gian cho phép) khi đó việc kiểm soát lỗi bằng phương pháp truyền lại trở nên không hiệu quả.Khuyến nghò nên sữ dụng 90-95 liên kết. 3.1.2.6 Sự mạnh mẽ: Ý nghóa của sự mạnh mẽ là giải thuật không quá nhạy cảm với sự thay đổi của các thông số. Khi một vài thông số thay đổi nhẹ hoặc mất thông tin điều khiển sẽ không làm cho mạng sụp đổ nhưng mạng sẽ không hoạt động tốt. Giải thuật phải có khả năng cách ly sự nhầm lẫn, điều khiển sai của người sữ dụng và bảo vệ và bảo vệ những người sữ dụng khác khỏi chúng. 3.1.2.7 Độ hội tụ: Một giải thuật tốt luôn cần sự hội tụ nhanh nghóa là mạng chỉ cần một thời gian ngắn để đạt đến sự hiệu quả và công bằng. Trạng thái cân bằng được đòng nghóa là vùng nhỏ xung quanh điểm vận hành sau cùng. . Chương 13: CÁC GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỄN LƯU LƯNG VÀ TẮC NGHẼN TRONG ATM 3.1 Giới thiệu một số giải thuật điều khiển tắc nghẽn: 3.1.1 Cell quản lý tài nguyên RM (Resource Manegament): Trong. Manegament): Trong mạng ATM, điều khiễn tắc nghẽn cho dòch vụ ABR là khả thi và hiệu quả nhất. Điều này bởi vì dòch vụ ABR và UBR sữ dụng băng thông còn thừa của hai loại dòch vụ CBR và VBR nhằm. Khi một vài thông số thay đổi nhẹ hoặc mất thông tin điều khiển sẽ không làm cho mạng sụp đổ nhưng mạng sẽ không hoạt động tốt. Giải thuật phải có khả năng cách ly sự nhầm lẫn, điều khiển sai