Chương 15: Giải thuật OSU Giải thuật OSU(Ohio State University) được các tác giả Raj Jain, Shiv Kayanaraman vàRam Viwanathan giới thiệu tải trường đại học bang Ohio vào tháng 10/1994. Giải thuật OSU yêu cầu các nguồn giám sát tải của mình và gửi đònh kỳ các cell điều khiển mang thông tin về tải(tốc độ nguồn). Các chuyển mạch cũng giám sát tải của chính mình và sử dụng nó kết hợp với thông tin được cung cấp từ các cell điều khiển để tính toán các hệ số mà các nguồn sử dụng để điều chỉnh tốc độ của mình. Phía thu đơn giản chỉ cần gửi trả lại các cell điều khiển cho nguồn và sau đó nguồn sẽ điều chỉnh tốc độ của mình. Cell điều khiển chứa các trường : Tốc độ cell phát (TCR_Transmission Cell Rate), Tốc độ trung bình đề nghò (OCR_Offer average Cell Rate), Hệ số điều chỉnh tải (LAF_ Load Adjustment Factor), Khoảng thời gian trung bình (AI_ Averaing Interval), Hướng hồi tiếp (Dir_Direction of feedback) gồm 1 bit với Dir=0 chỉ hướng đi và Dir=1 chỉ hướng về và Tem đònh thời (Timestamp). Sau đây là các đặc tính của giải thuật OSU: + Tránh tắc nghẽn: OSU là giải thuật tránh tắc nghẽn, nó cố gắng giữ mạng vận hành ở tình trạng lưu lượng cao và trì hoãn thấp khi xác lập; đồng thời duy trì những nơi tắc nghẽn cổ chai vận hành trong TUB (dải tận dụng đích) và các dao động cũng được giới hạn trong dải tận dụng đích(TUB_Target Utiliration Band). Cho dù dao động trong TUB thì hệ số tải tại chuyển mạch luôn nhỏ hơn 1. Vì vậy hàng đợi của chuyển mạch gần bằng 0 nên độ trì hoản được tối thiểu. Trong hầu hết các trường hợp, TUB được chọn tối ưu là 90 . Độ tận dụng trong trường hợp này nằm trong khoảng từ 81 đến 99. + Các thông số : Trong giải thuật OSU, người điều hành mạng chỉ cần đặt ba thông số: khoảng thời gian trung bình cho chuyển mạch(AI), mức tận dụng đích (TU_Target link Utilization) và hệ số chỉ đònh phân nửa độ rộng dải tận dụng đích (TUB). Một đặc tính quan trọng của giải thuật OSU về thông số là tính không quá nhạy cảm với các giá trò của thông số. Các thông số của giải thuật OSU không phụ thuộc vào chiều dài của kết nối hay khoảng cách mà các quảng đường VC phải đi. Ngoài ra việc cài đặt ba thông số này của OSU cũng dể dàng hơn những dải thuật khác. Giá trò thông số TU cho phép cân nhắc sự đánh đổi giữa mức độ hiệu quả và thời gian đạt được sự công bằng. Giá trò TU lớn thì hiệu quả nhưng lâu đạt được sự công bằng và chiều dài hàng đợi lớn. Thông số AI ảnh hưởng đến sự ổn đònh của các tải mà giải thuật cần đo và cho phép cân nhắc sự đánh đổi giữa sự dao động và thời gian đạt được sự tối ưu. Giá trò AI nhỏ gây ra nhiều biến động cho hệ số tải z và do đó có nhiều dao động. Giá trò AI lớn hơn gây ra sự chậm trễ trong hồi tiếp và do đó lâu ổn đònh hơn. + sử dụng thao tác xác đònh quá tải thông qua đo lường chứ không bằng khai báo: Giải thuật OSU đo mức tải hiện hành và mọi dung lường không dùng được phân chia cho các nguồn đang tranh chấp. Chúng ta sử dụng tốc độ do khai báo để tính toán phân chia băng thông trong trường hợp đặc biệt nhưng sử dụng mức tải được đo tại chuyển mạch để quyết đònh tăng hay giảm tốc độ. Vì vậy nếu nguồn khai báo không chính xác hoặc thông tin từ nguồn đã lỗi thời , giải thuật có thể không đạt được công bằng nhưng vẫn đạt đïc hiệu quả. + Hồi tiếp lưỡng cực: Giải thuật OSU sử dụng hồi tiếp lưỡng cực gồm hồi tiếp âm và hồi tiếp dương. Hồi tiếp dương yêu cầu nguồn tăng tốc độ phát của mình và hồi tiếp âm yêu cầu nguồn giảm tốc độ phát của mình. Vấn đề chủ yếu đối với hồi tiếp đơn cực là mức tải thay đổi liên tục(thường trên mỗi cell) tức là không tăng thì giảm mà không có trạng thái ổn đònh. Điều này có thể không thích hợp với một số ứng dụng (như lưu thông video nén). Mỗi khi hiệu chỉnh tốc độ đòi hỏi ứng dụng phải hiệu chỉnh thông số của mình. Hồi tiếp lưỡng cực tránh được những hiệu chỉnh không cần thiết bằng cách cung cấp những chỉ thò rõ ràng đến nguồn để thay đổi mức tải. + Đo lường dựa trên tốc độ thay vì dựa trên chiều dài hàng đợi: Trong khi chiều dài hàng đợi là một chỉ đònh tải tốt cho hàng đợi được điều khiển theo cửa sổ thì tốc độ vào là lại chỉ đònh tải đúng cho hàng đợi được điều khiển dựa theo tốc độ. Giám sát tốc độ vào không chỉ cung cấp một chỉ cung cấp mộy chỉ đònh mức tải tốt mà còn cung cấp một chỉ đỉnh chính xác về tình trạng quá tải cũng như dưới tải. Ví dụ, nếu tốc độ hàng đợi là 20 cell trên giây trong khi hàng đợi chỉ có thể phục vụ được 10 cell trên giây. Để hiệu chỉnh thì trong trường hợp này LAF =2, nghóa là tốc độ vào phải được giảm xuống hai lần. Giải thuật OSU sử dụng tốc độ vào để tính toán mức độ quá tải và hiệu chỉnh tốc độ nguồn. Mỗi chuyển mạch đếm số lượng cell mà nó đã nhận trên mỗi liên kết trong mỗi chu kỳ cho trước, tính toán tốc độ vào và hệ số quá ải đang sử dụng dung lượng liên kết (cell/giây). Giải thuật cố gắng điều chỉnh tốc độ nguồn bằng một hệ số bằng với mức quá tải và cố gắng mang mức quá tải xuống mức hợp lý càng nhanh càng tốt. 3.1.4.7 Giả thuật EPRCA+và EPRCA+ +: Giải thuật EPRCA+(Enhanced Proportional Rate Control Algorithm) được phát triển dựa trên cơ sở giải thuật với một số thay đổi. Trong đó quá trình phát hiện dựa trên sự ước đoán thay vì sử dụng giá trò ngưỡng trong hàng đợi cell. Chuyển mạch tiến hành đếm số cell nhận được trong một khoản thời gian đònh trước. Nguồn cuối cũng được trang bò một bộ đònh thời thay cho bộ đếm số cell RM gửi. Tốc độ của nguồn được giữ không đổi cho đến khi nó nhận được cell BRM mang theo giá trò tốc độ tường minh ER được xác đònh bởi chuyển mạch Một đặc điểm hấp dẫn của giải thuật EPRCA+ là số lượng các thông số điều khiển ít và dễ dàng cài đặt bởi người quản lí mạng. Nhiều thông số trong giải thuật EPRCA đã được giảm bớt trong giải thuật EPRCA+. Hơn nữa, trong giải thuật EPRAC+ thì giải tận dụng đích(TUB) được cài tự do. TUB của chuyển mạch có thể dưới 95% độ tận dụng đường truyền. Do đó, kích thước chiều dài hàng đợi tại chuyển mạch nhỏ hơn và độ trễ cell thấp hơn.Mặc dù phải tốn thêm chi phí cho bộ đònh thời và bảng VC nhưng EPRCA+ cung cấp độ công bằng tốt hơn, đồng thời có đáp ứng nhanh hơn EPRCA. Có một vấn đề đã nêu trong giải thuật EPRCA đó là khi ước đoán ACR(Allowed Cell Rate) không tốt nguồn sẽ nhanh chóng giảm tốc độ với hệ số RDF(Rate Decrease Factor) cho đến khi đạt đến MCR(Minimum Cell Rate). Điều này là cần thiết nhưng sẽ mất công trong trường hợp mạng nhanh chóng đạt được trạng thái ổn đòng. Một cải tiến tiếp theo là giải thuật EPRCA++. Giải thuật này sử dụng một bộ đếm tại nguồn cuối cho các cell FRM(Forward RM cell) thay cho bộ đònh thời của giải thuật EPRCA+. Hơn nữa nguồn cuối hệ thống chỉ giảm tốc độ ACR khi không có cell BRM(backward RM cell) trong k.Nrm cell, trong đó k là một giá trò cài đặtvà Nrm là số cell tối đa truyền giữa hai cell RM. Sự thay đổi này cho phép giải thuật EPRCA++ hoạt động tốt hơn EPRCA+, đặc biệt trong trạng thái quá độ. 3.1.4.8 Giải thuật ERICA(Explicit Rate Indication Congestion Avoidance): Giải thuật ERICA được xây dựng dựa trên ý tưởng của giải thuật OSU. Giới hạn chủ yếu của giải thuật OSU là không tương thích với các tiêu chuẩn của ATM Forum và trong các cấu hìng phức tạp thời gian hội tụ từ các điều kiện ban đầu tùy ý đến trạng thái thiết lập thì kéo dài(đáp ứng quá độ). Giải thuật ERICA và ERICA+ đã khắc phục các giới hạn của giải thuật OSU trong khi vẫn giữ được các đặc tính ưu việt của nó. Ngoài ra, chúng là những giải thuật mang tính lạc quan có nghóa là chúng phân cấp tốc độ để tối ưu hóa hoạt động quá độ cũng như trạng thái xác lập. Do các mạng trên thực tế thì phần lớn thời gian là ở trong trạng thái quá độ (nguồn gửi và ngừng gửi , dung lượng ABR thay đổi) nên giải thuật áp dụng cho các chuyển mạch trong hệ thống thực tế cần hoạt động tốt ở cả hai điều kiện xác lập cũng như quá độ. 3.1.4.8.1 Giải thuật ERICA cơ bản: Giải thuật ERICA cơ bản sử dụng các thông số sau: + Hệ số tải z: là tỉ số giữa tốc độ nhập(input rate) được đo tại cổng(port) và dung lượng đích(target capacity) tại ngõ ra của liên kết. Nó chỉ đònh mức tắc nghẽn của liên kết. Giá trò quá tải cao không được mong muốn bởi vì nó cho biết tắc nghẽn quá mức ; còn giá trò quá tải thấp nói lên liên kết dưới độ tận dụng. Điểm hoạt động tối ưu là điểm mà tại đó hệ số tải bằng 1. Mục tiêu của chuyển mạch là duy trì mạng tại lượng quá tải đơn vò(z=1). ABRlượngDung ABR nhập độ Tốc z + Dung lượng ABR: Bằng độ tận dụng đích x băng thông liên kết + Tốc độ nhập: là giá trò được đo sau mỗi khoảng thời gian được gọi là khoảng thời gian trung bình chuyển mạch (switch averaring interval). Các bước trên được thực thi tại cuối mỗi khoảng thời gian chuyển mạch. + Độ tận dụng đích: (U-target utiliration) là phân số nhỏ hơn 100% của dung lượng còn lại. Giá trò tiêu biểu là 0.9 và 0.95. + Hệ số chia sẻ công bằng: (fair share) hệ số chia sẻ công bằng của mỗi VC đựơc tính như sau: hoạt kíchnguồngSố ABR lượng Dung ShareFair Chuyển mạch cho phép chia mỗi nguồn gửi ở tốc độ dưới hệ số chia sẻ công bằng để tăng lên giá trò này(fair share) mỗi khi nó gửi hồi tiếp về nguồn. Nếu nguồn không sử dụng hết giá trò fair share này thì chuyển mạch sẻ phân cấp công bằng lượng băng thông còn lại cho các nguồn có thể sử dụng. Để đạt được mục đích này, chuyển mạch phải tính toán thông số sau: z Rate) Cell (Current CCR VCShare Nếu tất cả các VC thay đổi tốc độ của chúng đến giá trò VCShare thì trong chu kỳ vòng mạng kế tiếp chuyển mạch sẻ đạt được tải đơn vò (z=1). Vì vậy mục tiêu của thông số VCShare là đưa hệ thống đến điểm vận hành hiệu quả , có thể không cần thiết phải công bằng; còn hệ số chia sẻ công bằng(fair share) nhằm đảm bảo độ công bằng mà có thể dẫn đến quá tải(vận hành không hiệu quả). Do đó chúng ta có thể kết hợp cả hai thông số này để đưa hệ thống đến điểm vận hành nhanh nhất. ER tính toán = Max(FairShare, VCShare) Nguồn được phép gửi ở tốc độ ít nhất bằng FairShare trong thời gian vòng mạng đầu tiên để đảm bảo độ công bằng tối thiểu giữa các nguồn. Nếu giá trò VCShare lớn hơn FairShare nguồn được phép gửi ở tốc độ VCShare nhằm đảm bảo liên kết không dưới độ tận dụng. Bước này cũng cho phép nguồnđạt được tốc độï công bằng max-min. Đây là một trong những điểm cách tân của giải thuật ERICA bởi vì nó cải thiện độ công bằng ở mổi bước cho dù đang trong điều kiện quá tải. Giá trò ER tính toán không thể lớn hơn dung lượng ABR mà đã được đo trước đó.do đó: ER tính toán = Min (ER tính toán, dung lượng ABR) Để đảm bảo giá trò ER tại điểm cổ chai đạt đến ngưỡng thì mỗi chuyển mạch phải tính toán giá trò tối thiểu của ER mà nó đã tính trước kia và ER trong cell RM. Giá trò này được chèn vào trường ER trong cell RM với: ER trong cell RM = Min(ER trong cell RM, ER tính toán) Lưu đồ của giải thuật ERICA cơ bản được đưa ra trong hình trang bên. Lưu đồ chỉ ra tường bước thực hiện ở ba sự kiện sau: tại cuối mỗi khoảng thời gian trung bình, khi nhận một cell(cell dữ liệu hoặc cell RM) và khi nhận một cell BRM. Giải thuật ERICA cơ bản có một số nhược điểm: + Không đạt được độï công bằng max-min trong một số trường hợp phức tạp. + Có thể dẫn đến tốc độ và hàng đợi tăng đột ngột khi có sự bất đồng bộ trong chuyển mạch. Một số thay đổi trong giải thuật ERICA mở rộng sẽ giải quyết vấn đề này. . ở tình trạng lưu lượng cao và trì hoãn thấp khi xác lập; đồng thời duy trì những nơi tắc nghẽn cổ chai vận hành trong TUB (dải tận dụng đích) và các dao động cũng được giới hạn trong dải tận. EPRCA+ là số lượng các thông số điều khiển ít và dễ dàng cài đặt bởi người quản lí mạng. Nhiều thông số trong giải thuật EPRCA đã được giảm bớt trong giải thuật EPRCA+. Hơn nữa, trong giải thuật. chỉ hướng đi và Dir=1 chỉ hướng về và Tem đònh thời (Timestamp). Sau đây là các đặc tính của giải thuật OSU: + Tránh tắc nghẽn: OSU là giải thuật tránh tắc nghẽn, nó cố gắng giữ mạng vận hành