NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI TRONG MẠNG IP CHƯƠNG 3_1 docx

Tham số Kí hiệu Chú thích Tốc độ đến TB λ Thời gian gói tin đến hệ thống hàng đợi với vận tốc λ trên một đơn vị thời gians Tốc độ rời khỏi TB µ Các gói tin rời khỏi hệ thống với tốc độ

3.1.1 Giới thiệu hàng đợi trong Router

Lý thuyết hàng đợi nảy sinh một cách tự nhiên trong việc nghiên cứu các chuyển mạch kênh, và chuyển mạch gói Trong các mạng chuyển mạch kênh, cuộc gọi đến chuyển mạch ngẫu nhiên, mỗi cuộc gọi sẽ giữ kênh trong một khoảng thời gian ngẫu nhiên nào đó Trong mạng chuyển mạch gói, các gói tin với các chiều dài khác nhau đi qua mạng, tài nguyên mạng (các chuyển mạch,kết nối sẽ được chia sẻ cho các gói) Các bản tin được định tuyến đến các node tiếp theo Thời gian sử dụng bộ đệm (trễ hàng đợi) là một vấn đề quan trọng trong truyền dẫn thông tin Thời gian này phụ thuộc vào các thời gian xử lý, độ dài bản tin hay thời gian chờ xử lý khi chưa có tài nguyên sử dụng

Trong các ứng dụng tương tác và thời gian thực thì thời gian trả lời trung bình được xem như một tiêu chuẩn quan trọng còn trong các ứng dụng khác thì thông lượng lại là điều quan trọng nhất Việc mô tả hàng đợi theo lý thuyết toán học rất phức tạp nên ta chỉ mô tả chúng theo mô hình đơn giản được sử dụng trong các mạng IP:

Hình 3.1: Mô hình hàng đợi đơn giản trong mạng

Tin tức (có thể là gói tin hay bản tin) đến hệ thống để yêu cầu phục vụ Nếu server rỗi thì gói tin sẽ được phục vụ ngay lập tức, ngược lại chúng sẽ được lưu giữ trong các hàng đợi Khi rời khỏi hàng đợi các gói sẽ được xử lý

Các tham số cơ bản liên quan tới hàng đợi:

λ =arrival rate

Tham số Kí

hiệu

Chú thích

Tốc độ đến TB λ Thời gian gói tin đến hệ thống hàng đợi

với vận tốc λ trên một đơn vị thời gian(s)

Tốc độ rời khỏi TB µ Các gói tin rời khỏi hệ thống với tốc độ µ

trên một đơn vị thời gian

Hiệu suất sử dụng

dịch vụ

p Là khoảng thời gian server bận do phải xử

lý lý,đo bằng P= λ /μ

Độ dài TB Lw Là số gói nằm trong hàng đợi trung bình

tại tất cả các thời điểm t Thời gian đợi TB Tw Có hai định nghĩa:

Thứ nhất: được tính bằng tất cả thời gian gói

tin đến xử lý (bao gồm cả các gói không phải

chờ trong hàng đợi) Thứ hai: chỉ tính TB thời gian các gói tin phải chờ trong hàng đợi

Thời gian phục vụ TB Ts Thời gian TB giữa thời điểm gửi gói tới

server và thời điểm rời khỏi server

Độ dài hàng đợi TB Lq Số gói trung bình trong hệ thống, bao gồm

các gói đang được sử dụng và các gói đang chờ trong hàng đợi

Thời gian xếp hàng

TB

Tq Thời gian các gói ở trong hệ thống

Các gói đến hàng đợi với tốc độ thay đổi λ và đây là một quá trình poisson, thời giạ phục vụ có phân bố mũ tốc độ µ (thực chất là thời gian trung bình mà các gói tin rời khỏi hàng đợi) Khi các gói đến hệ thống tăng thì hiệu suất sử dụng hệ thống cũng tăng, dẫn tới tắc nghẽn có khả năng xảy ra Với p =1 thì các server bão hoà do đó tốc lớn nhất theo lý thuyết mà hệ thống có thể xử lý được là:

λmax= 1/Ts

Tại λmax thì kích thước hàng đợi rất dài không thể kiểm soát được Trong thực tế thời gian trả lời và những yêu cầu kích thước hàng đợi giới hạn tốc độ đầu vào của thông tin là 70-90% so với λmax theo lý thuyết

Tại các router và chuyển mạch trong phần lõi của kiến trúc các dịch vụ phân biệt của mạng Internet có các thuật toán lập lịch và quản lý hàng đợi Ngày nay kiến trúc dịch vụ phân biệt bao gồm hàng đợi cân bằng có trọng số (WFQ) cùng kĩ thuật tách sớm có trọng số (WRED) Các kĩ thuật trên được sử dụng trong mạng Internet làm nhiệm vụ điều khiển tắc nghẽn và điều khiển luồng lưu lượng trong mạng Điều khiển tắc nghẽn là vấn đề quan trọng cần giải quyết trong việc truyền tin trong mạng Nó sử dụng hai cơ chế độc lập:

 Cơ chế điều khiển vòng kín (Closed Loop control): điều khiển việc truyền các gói từ các nguồn đầu cuối tới đích

 Các thuật toán lập lịch vòng hở (opened loop control): ràng buộc độ ưu tiên được cấu hình từ trước và phân phối băng thông cho các kết nối

Hệ thống điều khiển vòng kín bao gồm các thuật toán nguồn được điều khiển bởi các thuật toán kết nối Thuật toán nguồn này là bất kì giao thức nào được truyền tải trên mạng Internet (ví dụ: TCP, UDP, RTP) và chúng không nhất thiết phải có phản hồi đáp ứng với tắc nghẽn Các thuật toán điều khiển kết nối hay còn gọi là các thuật toán quản lý hàng đợi (hoặc quản lý hàng đợi tích cực AQM) Các thuật toán AQM bao gồm thuật toán loại bỏ đuôi, thuật toán phát hiện sớm ngẫu nhiên (RED) Thuật toán AQM thực hiện việc báo hiệu tới nguồn bằng việc đánh dấu các gói, thông báo tắc nghẽn tường minh (ECN) hay loại bỏ các gói

Các thuật toán lập lịch vòng mở quyết định xem gói nào sẽ được gửi kế tiếp Thuật toán này quyết định trật tự các gói truyền dẫn trên cơ sở trật tự sắp xếp các gói đến và các lớp lưu lượng ưu tiên trong gói

Còn dịch vụ phân biệt sử dụng 3 bit trong tiêu đề mỗi gói để định nghĩa lớp Quá trình lập lịch của gói điều khiển trật tự truyền dẫn giống như phân bố băng thông tương ứng cho mỗi lớp dịch vụ Lập lịch bao gồm các thuật toán liên quan tới hàng đợi: hàng đợi FIFO, hàng đợi cân bằng có trọng số WFQ, và các thuật toán lập lịch như: Thuật toán RR, thuật toán PS

Hình 3.2 : Tiến trình xử lý hàng đợi trong router

Để hiểu rõ về các hàng đợi được sử dụng trong có chế điều khiển tắc nghẽn

ta phải trả lời các câu hỏi:

 Các gói sẽ được lắp đặt như thế nào trong hàng đợi

 Thứ tự hay cách thức nào mà các thiết bị mạng phục vụ các hàng đợi của chúng

 Các hoạt động nào của mạng để đối xử với các bó lưu lượng và hàng đợi

bị tràn

Router được xem như hộp lớn, trong đó có các thành phần thực hiện việc truyền thông tin Trong ví dụ này ta xét router có 2 giao diện Gói tin đi từ mạng A tới mạng B Mạng A tiếp xúc với router qua giao diện IF0, mạng B tiếp xúc với router qua giao diện IF1 Sau khi các gói được đưa đến từ giao diện IF0 sẽ được đặt vào trong hàng đợi queue 0 (hàng đợi đầu vào) Tiếp theo các gói đi vào trong router và được định hướng tới router kế tiếp dựa trên địa chỉ đích lưu giữ trong phần header của gói tin,một số gói tin đi ra từ hàng đợi queue 0 được đưa vào hàng đợi queue 1 kết nối với giao diện IF1 Hàng đợi queue1 còn gọi là hàng đợi đầu ra

Có rất nhiều kĩ thuật hàng đợi: FIFO (first in first out), PQ (priority hàng đợ ưu tiên), FQ (fair queue-hàng đợi cân bằng) FIFO đây là kĩ thuật xếp hàng vào trước ra trước cơ bản Các gói đến trước sẽ là các gói đầu tiên được xử lý Khi hàng đợi đầy và có tắc nghẽn xảy ra thì các gói đến sẽ bị loại bỏ Hàng đợi FIFO dựa vào hệ thống đầu cuối để điều khiển tắc nghẽn thông qua cơ chế điều khiển tắc nghẽn Do loại hàng đợi này rất đơn giản nhiều khi không điều khiển được tắc nghẽn nên ta thường xét các loại hàng đợi hiệu quả hơn: hàng đợi ưu tiên(PQ), hàng đợi cân bằng (FQ), hàng đợi có trọng số (WQ)

queue-3.1.2 Hàng đợi FIFO (First In First Out)

FIFO là hàng đợi mặc định được sử dụng trong hầu hết các router trên thế giới Hoạt động của FIFO Các gói đến từ các luồng khác nhau được đối xử công bằng bằng cách đưa vào các hàng đợi theo trật tự đến (gói nào đến trước sẽ được đưa vào trước và được phục vụ trước)

Hình 3.3 : Hoạt động của hàng đợi FIFO

Hàng đợi hoạt động như một nơi lưu giữ các gói để tránh việc loại bỏ các gói không cần thiết khi có dấu hiệu của tắc nghẽn Khi có tắc nghẽn xảy ra, và hàng đợi tràn thì tất cả các gói đến sẽ bị loại bỏ Hàng đợi FIFO được sử dụng hầu hết trong các router, nó đơn giản do không phải định cấu hình cho nó mà chỉ việc

sử dụng luôn Trong các router của cisco, khi không có kế hoạch hàng đợi nào khác được cấu hình, thì tất cả các giao diện(ngoại trừ các giao diện có tốc độ bằng hoặc nhỏ hơn luồng E1) đều sử dụng hàng đợi FIFO mặc định Tốc độ xử lý gói phải nhanh hơn tốc độ các gói đến hàng đợi IF0 thì mới tránh được hiện tượng tắc nghẽn trong mạng (hàng đợi IF1 rỗng), khi tốc độ xử lý quá thấp hơn so với tốc độ các gói vào, có nghĩa là tốc độ ra nhỏ hơn tốc gói vào (hàng đợi đầu ra dễ bị tràn) thì sẽ xảy ra tắc nghẽn khi có quá nhiều gói đi vào trong mạng, và khi vấn đề này xảy ra thì các gói đến sau sẽ bị loại bỏ

3.1.3 Hàng đợi ưu tiên PQ (Priority Queue)

Kĩ thuật này được sử dụng trong trường hợp đa hàng đợi, mỗi hàng đợi có một mức ưu tiên khác nhau, hàng đợi nào có mức ưu tiên cao nhất sẽ được ưu tiên phục vụ trước Khi có tắc nghén xảy ra thì các gói trong các hàng đợi có độ ưu tiên thấp sẽ bị loại bỏ Có một vấn đề đối với kĩ thuật này: khi các hàng đợi có độ ưu tiên cao quá nhiều thì các gói trong hàng đợi có độ ưu tiên thấp sẽ không bao giờ được phục vụ Các gói được phân loại và được sắp xếp vào hàng đợi tuỳ thuộc vào thông tin bên trong các gói Tuy nhiên kĩ thuật này dễ bị lạm dụng bởi người sử dụng hay các ứng dụng do ấn định các độ ưu tiên không cho phép

Vậy PQ cho phép định nghĩa các luồng lưu lượng ưu tiên như thế nào trong mạng? Ta có thể cấu hình các độ ưu tiên lưu lượng, có thể định nghĩa một loạt các

bộ lọc trên cơ sở các đặc điểm của gói qua router để sắp xếp các lưu lượng trong các hàng đợi Hàng đợi có độ ưu tiên cao nhất sẽ được phục vụ trước cho đến khi hàng đợi rỗng, sau đó các hàng đợi có độ ưu tiên thấp hơn sẽ được phục vụ lần lượt Câu hỏi đặt ra là PQ làm việc như thế nào? Trong quá trình truyền dẫn,các hàng đợi có độ ưu tiên cao được đối xử ưu tiên hơn các hàng đợi có mức ưu tiên thấp hơn, hay nói cách khác các, lưu lượng quan trọng sẽ được gán các mức ưu tiên cao và lưu lượng có mức ưu tiên cao nhất được truyền trước, còn lại các lưu lượng

ít quan trọng hơn Các gói được phân loại dựa trên các tiêu chuẩn phân loại của người sử dụng,và được đặt ở một trong số các hàng đợi đầu ra với các độ ưu tiên:

độ ưu tiên cao, trung bình, bình thường (không được ưu tiên), ưu tiên thấp Các gói không được ấn định độ ưu tiên sẽ được đưa tới các hàng đợi bình thường Khi các gói được gửi tới giao diện đầu ra, các hàng đợi ưu tiên tại giao diện đó được quét các gói theo thứ tự độ ưu tiên giảm dần Hàng đợi có độ ưu tiên cao nhất được quét đầu tiên, sau đó đến các hàng đợi trung bình và tiếp tục các hàng đợi có độ ưu tiên khác Gói đứng đầu hàng đợi có độ ưu tiên cao nhất được truyền đầu tiên Thủ tục

này được lặp lại mỗi khi có một gói được truyền Chiều dài lớn nhất của hàng đợi được định nghĩa theo chiều dài giới hạn Khi một hàng đợi dài hơn chiều dài hàng đợi giới hạn thì các gói đến sau sẽ bị loại bỏ

Cơ chế hàng đợi đầu ra ưu tiên có thể được sử dụng để quản lý lưu lượng từ tất cả các giao thức trong mạng PQ cung cấp cách đối sử ưu tiên cho các luồng lưu lượng có độ ưu tiên cao, chắc chắn rằng các luồng lưu lượng then chốt khi qua các kết nối WAN sẽ đạt được độ ưu tiên cao

Các gói được phân loại như thế nào trong kĩ thuật PQ

Danh sách ưu tiên là một tập các luật lệ mô tả các gói sẽ được ấn định các độ

ưu tiên như thế nào trong các hàng đợi Ngoài ra nó cũng có thể mô tả độ ưu tiên mặc định hoặc giới hạn kích thước hàng đợi của các hàng đợi ưu tiên

Các gói được phân loại theo:

 Loại giao thức hoặc giao thức con

 Giao diện đầu vào

 Kích thước các gói tin

 Các Fragment

 Danh sách truy nhập

Tất cả các lưu lượng dùng để quản lý và điều khiển mạng đều được ấn định

độ ưu tiên cao nhất để trong trường hớp có tắc nghẽn xảy ra thì chúng được ưu tiên truyền trước Các lưu lượng không được ấn định mức ưu tiên nào thì được đưa vào các hàng đợi bình thường

PQ cung cấp thời gian đáp ứng nhanh hơn so với các kĩ thuật hàng đợi khác Mặc dù có thể ấn định các độ ưu tiên cho các hàng đợi tại bất kì giao diện đầu nào nhưmg nó thường được sử dụng cho các lưu lượng có băng thông thấp

Để giải quyết vấn đề các hàng đợi có độ ưu tiên thấp không được xử lý khi

có quá nhiều hàng đợi có độ ưu tiên cao thì ta có thể sử dụng các kiểu hàng đợi khác: hàng đợi cân bằng có trọng số (WFQ) hay hàng đợi cân bằng (FQ), đơn giản hơn ta có thể sử dụng cơ chế định dạng lưu lượng hay CAR để giới hạn tốc độ của lưu lượng có độ ưu tiên cao hơn PQ sử dụng định cấu hình tĩnh do đó nó không thể thích ứng với các mạng thay đổi Cơ chế xếp hàng ưu tiên là cơ chế đơn giản,

có thể cung cấp các lớp dịch vụ phân biệt và cần ít nhất hai hàng đợi FIFO Lấy một ví dụ sau: cho các hàng đợi FIFO và ta sẽ ấn định các mức ưu tiên khác nhau cho chúng: mức ưu tiên cao, mức ưu tiên trung bình, mức ưu tiên bình thường, mức ưu tiên thấp

Hình 3.4 : Cơ chế làm việc của PQ

Sau đó cần hai cơ chế sau:

 Một bộ phân loại có nhiệm vụ kiểm tra các phần header của gói tin để quyết định xem gói nào nên được đưa vào hàng đợi nào

 Bộ lập lịch có nhiệm vụ làm rỗng các hàng đợi, bắt đầu bằng hàng đợi có

độ ưu tiên cao nhất sau đó đến các hàng đợi trung bình, tiếp theo là các hàng đợi trung bình, cuối cùng là hàng đợi có độ ưu tiên thấp Các hàng đợi được phục vụ cho tới khi nào không còn gói nào trong chúng thì lúc

đó bộ lập lịch mới chuyển sang hàng đợi khác

3.1.4 Hàng đợi cân bằng FQ (Fair Queue)

Kĩ thuật này giải quyết vấn đề một số hàng đợi không được phục vụ trong một thời gian dài do tài nguyên dùng để phục vụ cho các hàng đợi có độ ưu tiên cao hơn Thuật toán Round Robin trong lập lịch được dùng để phục vụ tất cả các hàng đợi một cách công bằng Kĩ thuật này ngăn chặn một số nguồn dùng quá nhiều tài nguyên của mạng mà không chia sẻ cho các nguồn khác Các vấn đề có thể xảy ra khi các gói có chiều dài thay đổi, và các hàng đợi chỉ được cho phép giải phóng một gói tại một thời điểm Lược đồ định hướng một byte có thể được sử dụng để cân bằng các hàng đợi Thêm vào đó một số hàng đợi có thể bị đầy hơn các hàng đợi khác và chúng yêu cầu phải được phục vụ nhiều hơn nhưng kĩ thuật hàng đợi cân bằng sẽ phục vụ mỗi hàng đợi công bằng

3.1.5 Hàng đợi cân bằng có trọng số WFQ (Weighted Fair Queue)

Thuật toán hàng đợi cân bằng có trọng số là một thuật toán nằm trong họ các thuật toán hàng đợi cân bằng (FQ) Kĩ thuật này có thể được xem là sự phối hợp của hai kĩ thuật hàng đợi cân bằng và hàng đợi ưu tiên Tất cả các hàng đợi đều được phục vụ do đó có thể tránh được tình trạng bỏ đói hàng đợi, tuy nhiên sẽ có một số hàng đợi được ưu tiên phục vụ nhiều hơn Một trọng số sẽ được gán cho một số hàng đợi để ấn định chỉ số ưu tiên cao hơn cho chúng

Hình 3.5 : Hoạt động của hàng đợi WFQ

Ví dụ: có một hàng đợi sẽ chiếm một nửa băng thông khả dụng, nửa băng thông còn lại sẽ chia cho các hàng đợi còn lại Lưu lượng có thể được ưu tiên tuỳ theo các gói được đánh dấu, địa chỉ IP đích, địa chỉ IP nguồn hay số cổng, thông tin trong trường TOS của phần tiêu đề gói tin IP WFQ đánh các trọng số cho các luồng lưu lượng do đó các lưu lượng có mức băng thông thấp sẽ đạt được các mức ưu tiên bằng nhau Nếu các hàng đợi có mức ưu tiên cao không được sử dụng thì các lưu lượng có mức ưu tiên thấp sẽ sử dụng các hàng đợi đó Điều này ngăn cản các lưu lượng có băng thông cao giành lấy các tài nguyên đã được chia sẻ Tính năng quan trọng của kĩ thuật này là việc di chuyển các lưu lượng tương thích thời gian thực lên trước hàng đợi và chia sẻ một cách công bằng băng thông còn lại với các hàng đợi

khác

Khi các gói đến nó sẽ được phân loại bởi bộ phân loại và được ấn định tới một cửa Cửa này là một thực thể của hàng đợi mà cùng với các cửa khác được sắp xếp theo trật tự của thuật toán round robin có trọng số Chỉ theo cách này thì dịch