tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích đánh giá một số thuật toán quản lý hàng đợi tích cực trong TCP network

Trang LỜI NĨI ĐẦU Trong quá trình hoạt đợng của các hệ thống mạng truyền số liệu, xảy hiện tượng tắc nghẽn Để hệ thống làm việc hiệu quả và có độ tin cậy cao người ta đã đưa rất nhiều giải pháp để điều khiển tắc nghẽn mạng Trong đó, quản lý hàng đợi tích cực Active Queue Management (AQM) là một giải pháp Trong những năm gần đây, phương pháp quản lý hàng đợi tích cực được đánh giá là phương pháp tốt cả Cơ chế này hoạt động tại Router nhằm điều khiển số lượng gói tin hàng đợi của Router bằng cách loại bỏ gói tin đến một cách chủ động Để thực hiện chế này, đã có rất nhiều phương pháp được đề xuất cho phép hoạt động của mạng có được độ trễ tốt và thông lượng cao các điều kiện khác về lưu lượng Việc cập nhật, nắm rõ và phân tích được đặc điểm của các thuật toán AQM Từ đó phân tích, đánh giá các thuật toán và đề xuất lựa chọn các thuật toán thích hợp từng điều kiện cụ thể Được sự hướng dẫn của PGS TS Lê Bá Dũng, xin hoàn thành luận văn tốt nghiệp cao học với nợi dung: Phân tích đánh giá số thuật toán quản lý hàng đợi tích cực TCP network Đề tài gồm các nội dung chính sau: Chương 1: Tổng quan các thuật toán quản lý hàng đợi Chương 2: Các phương pháp quản lý hàng đợi tích cực Chương 3: Nghiên cứu các thuật toán RED, BLUE phân tích, đánh giá các thuật toán Do điều kiện tiếp cận để nghiên cứu cũng lực của bản thân còn hạn chế nên đề tài có thể chưa đề cập hết các vấn đề liên quan đến một cách đầy đủ, sâu sắc và quá trình nghiên cứu, trình bày cũng không tránh khỏi những thiếu sót Kính mong các thầy, cô giáo và các bạn quan tâm đến nội dung của đề tài, đóng góp ý kiến để có điều kiện tiếp thu và phát triển đề tài cũng bổ xung thêm kiến thức cho bản thân được đầy đủ, đắn và để luận văn của được hoàn thiện Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 26 tháng 11 năm 2012 Người thực Ngô Văn Thuật Phân tích đánh giá một số thuật toán quản lý hàng đợi tích cực TCP Network Trang CHƯƠNG TỔNG QUAN CÁC THUẬT TOÁN VỀ QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI 1.1 Truyền liệu hệ thống mạng Hình 1.1: Kiến trúc mạng đơn giản Hình 1.2: Kiến trúc bản một router 1.2 Điều khiển tắc nghẽn 1.2.1 Khái niệm 1.2.2 Các kỹ thuật sử dụng quản lý tắc nghẽn 1.2.3 Điều khiển tắc nghẽn tránh tắc nghẽn mạng TCP 1.3 Các kĩ thuật hàng đợi Router 1.3.1 Giới thiệu hàng đợi Router Phân tích đánh giá mợt sớ tḥt tốn quản lý hàng đợi tích cực TCP Network Trang Hình 1.3 Mô hình hàng đợi đơn giản mạng Bảng 1.1: Bảng các tham sớ bản của hàng đợi Tham số Kí hiệu Tốc độ đến TB ٨ Tốc độ rời khỏi TB µ Hiệu śt sử dụng dịch vụ Đợ dài TB P Lw Chú thích Các gói tin đến hệ thống hàng đợi với vận tốc ٨ một đơn vị thời gian (s) Các gói tin rời khỏi hệ thớng với tớc đợ µ mợt đơn vị thời gian Là khoảng thời gian server bận phải xử lý, đo bằng P=٨/µ Là sớ gói nằm hàng đợi trung bình tại tất cả các thời điểm t Có hai định nghĩa: Thứ nhất: được tính bằng tất cả thời Thời gian đợi TB Tw gian gói tin đến xử lý (bao gồm cả các gói không phải chờ hàng đợi) Thứ hai: tính TB thời gian các gói Thời gian phục vụ TB Ts Độ dài hàng đợi TB Lq tin phải chờ hàng đợi Thời gian TB giữa thời điểm gửi gói tới server và thời điểm rời khỏi server Số gói trung bình hệ thống, bao Phân tích đánh giá một sớ tḥt tốn quản lý hàng đợi tích cực TCP Network Trang gồm các gói được sử dụng và các gói Thời gian xếp hàng TB Tq chờ hàng đợi Thời gian các gói hệ thống Hình 1.4: Tiến trình xử lý hàng đợi router 1.3.2 Quản lý hàng đợi (Queue management) Quản lý hàng đợi bao gồm các hoạt động: - Thêm gói vào hàng đợi theo ngữ cảnh của gói hàng đợi chưa đầy - Loại bỏ gói nếu hàng đợi đã đầy - Xóa bỏ gói được yêu cầu bộ lập lịch - Thường xuyên quản lý độ chiếm giữ của hàng đợi - Loại bỏ gói hàng đợi đã đầy - Đánh dấu các gói hàng đợi chuẩn bị đầy Phân tích đánh giá mợt sớ tḥt tốn quản lý hàng đợi tích cực TCP Network Trang CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI TÍCH CỰC 2.1 Tổng quan 2.1.1 Khái niệm quản lý hàng đợi tích cực AQM (Active Queue Managament) 2.1.2 Sự cần thiết phải có quản lý hàng đợi tích cực 2.1.3 Các phương pháp quản lý hàng đợi tích cực Active Queue Managament Queue Length Based RED 10 SHRED FRED 11 HRED CBT 12 ARED SRET 13 RARED DSRED 14 QAVRED MRED 15 PUNSI Adaptive RED 16 CHOCKe PDRED 17 Stochastic RED LRED Load Based Queue Length & Load Based BLUE SFB SFED FABA AVQ SAVQ EAVQ YELLOW LUBA RAQM PRC REAQM REM SVB RaQ Hình 2.1: Phân loại phương pháp quản lý hàng đợi tích cực 2.2 Quản lý hàng đợi tích cực dựa chiều dài hàng đợi 2.2.1 Cơ chế ECN (Explicit Congestion Notification) 2.2.1.1 Khái niệm chung 2.2.1.2 Sự đánh dấu IP header ECN FIELD (Trường ECN IP header) Phân tích đánh giá mợt sớ tḥt tốn quản lý hàng đợi tích cực TCP Network Trang ECT 0 1 CE 1 Not-ECN ECT (1) ECT (0)1 CE Hình 2.2: ECN Field IP header 2.2.1.3 Sự đánh dấu TCP header 2.2.1.4 Cơ chế hoạt động 2.2.2 Cơ chế hủy bỏ sớm ngẫu nhiên theo trọng số WRED (Weighted Random Early Detection) 2.2.2.1 Khái quát 2.2.2.2 Cơ chế hoạt động Hình 2.5: Sơ đồ hoạt động WRED Phân tích đánh giá mợt sớ tḥt tốn quản lý hàng đợi tích cực TCP Network Trang Hình 2.6: Cơ chế loại bỏ gói tin WRED 2.2.2.3 Sự ảnh hưởng thông số MPD (mark probability denominator) đến sự hoạt động WRED 2.2.3 Adaptive RED 2.2.31 Tổng quan Adaptive RED Every Q(ave) Update: if (minth < Q(ave) < maxth) status = Between; if Q(ave) < minth && status !=Below) status = Below; maxp = maxp / α; if Q(ave) > maxth && status ! = Above) status = Above; maxp = maxp * ß Hình 2.7: Giải thuật Adaptive RED tổng quát 2.2.3.2 Cơ chế hoạt động Phân tích đánh giá mợt sớ tḥt tốn quản lý hàng đợi tích cực TCP Network Trang Every interval seconds: if (avg > target and maxp ≤ 0.5) increase maxp: maxp free_time) then Pm = Pm - delta last_update = now Hình 3.5: Giải thuật BLUE 3.3 Phân tích, đánh giá các thuật toán 3.3.1 Tỷ lệ tổn thất gói tin sử dụng RED BLUE Hình 3.6: Network topology Bảng 3.1 Cấu hình RED Phân tích đánh giá mợt sớ tḥt tốn quản lý hàng đợi tích cực TCP Network Trang 15 Bảng 3.2 Cấu hình BLUE Hình 3.7 Tỷ lệ gói RED BLUE 3.3.2 Đánh dấu tác động của RED BLUE Phân tích đánh giá mợt sớ tḥt tốn quản lý hàng đợi tích cực TCP Network Trang 16 Hình 3.8 Lô chiều dài hàng đợi RED BLUE Hình 3.9 Đánh dấu tác động RED Hình 3.10 Đánh dấu hành vi Blue (Pm) Phân tích đánh giá mợt sớ tḥt tốn quản lý hàng đợi tích cực TCP Network Trang 17 3.3.3 Hiệu của ECN timeouts HÌnh 3.11 Chiều dài hàng đợi lơ RED BLUE với ECN timeouts Hình 3.12 Đánh dấu hành vi với ECN thời gian chờ 3.4 So sánh số giải thuật AQM qua mô 3.4.1 So sánh hoạt đợng của mợt số thuật tốn dựa kiểm soát tải nạp dựa hàng đợi 3.4.1.1 Kịch bản mô Routerr1 Routerr2 Phân tích đánh giá một sớ tḥt tốn quản lý hàng đợi tích cực TCP Network Bottleneck link Tp = 80 ms BW = 45 Mbps Trang 18 Hình 3.13: Kiến trúc mạng mô 3.4.1.2 Các tham số mô 3.4.1.3 Kết quả mô Hình 3.14: Thông lượng luồng UDP với thuật toán khác Phân tích đánh giá mợt sớ tḥt tốn quản lý hàng đợi tích cực TCP Network Trang 19 Hình 3.15: Kích thước bộ đệm sử dụng mợt sớ tḥt tốn khác Hình 3.16: Kích thước hàng đợi đối với thuật tốn khác 3.4.2 Đánh giá hoạt đợng của thuật tốn AQM thích nghi khơng thích nghi môi trường băng thông đầu thay đổi 3.4.2.1 Kịch bản mô Phân tích đánh giá một số thuật toán quản lý hàng đợi tích cực TCP Network Trang 20 Hình 3.17: Cấu hình mạng mô Hình 3.18: Dung lượng đầu theo thời gian 3.4.2.2 Các tham số mô 3.4.2.3 Kết quả mô Phân tích đánh giá mợt sớ tḥt tốn quản lý hàng đợi tích cực TCP Network Trang 21 Hình 3.19: Độ dài trung bình hàng đợi được điều khiển thuật toán AQM KẾT LUẬN Từ ý tưởng về quản lý hàng đợi tích cực đời năm 1999 tới đã gần 100 chế được phát triển và một số ít các phương pháp bật được đề cập Mục đích của AQM là trì một hàng đợi ổn định nhằm đạt được độ sử dụng tài nguyên cao và trễ hàng đợi ổn định nhằm đạt được độ sử dụng tài nguyên cao và trễ hàng đợi nhỏ Các nhược điểm về vấn đề khóa và đầy hàng đợi của chế loại bỏ đuôi là các tiêu chí để xem xét phát triển bất kỳ một thuật toán AQM nào đó Trong các thuật toán đã phân tích, có thể thấy rằng RED là một thuật toán được sử dụng rộng rãi nhất và điều chỉnh các tham số của RED là mục tiêu chính của hầu hết các thuật toán AQM được công bố Một loạt các thuật toán SRED, DRED, DSRED, MRED, RARED… được công bố dựa sở này Thuật toán SRED không tính toán độ dài trung bình của hàng đợi, nếu các nghiên cứu tiếp theo về SRED đưa cách thức để cải tiến hoạt động của SRED bằng cách thêm vào tính toán về kích cỡ hàng đợi trung bình sẽ đem lại lợi ích đáng kể Mặc dù hoạt động của MRED tốt RED một chút có rất ít sự quan tâm về phát triển giải thuật này AVQ đạt được hệ số sử dụng tuyến tốt vẫn giữ chiều dài trung bình của hàng đợi nhỏ Bên cạnh đó CHOKe đem lại hệ số công bằng lớn lại không có hệ số sử dụng tuyến cao AVQ Hệ số sử dụng tuyến thay đổi theo thời gian của SAVQ cải thiện rất nhiều đáp ứng tức thời của thuật toán này và độ dài hàng đợi trung bình của SAVQ nhanh chóng hội tụ đến giá trị mong muốn Việc sử dụng tốc độ đến của các luồng lưu lượng một độ đo chính đo lường sự tắc nghẽn và tỷ lệ sử dụng tuyến mong muốn là độ đo phụ làm cho EAVQ khai thác tuyến một trăm phần trăm Tương tự EAVQ, Yellow cũng sử dụng hai đại lượng này để quản lý tắc nghẽn Thuật toán này đạt được hệ số sử dụng tuyến rất cao bằng cách xem hệ số tải là tiêu chí chính và hàm điều khiển hàng đợi là tiêu chí sơ cấp Thuật toán AVQRED có sự kết hợp của cả AVQ và RED thực Phân tích đánh giá một số thuật toán quản lý hàng đợi tích cực TCP Network Trang 22 hiện cải tiến cách thức mà các bộ đệm ảo được điều chỉnh để thích ứng với đặc tính động học của tài nguyên gateway Tuy nhiên RED không hiệu quả việc ngăn ngừa việc mất mát các gói tin Trong đó Blue lại có thể khắc phục được nhược điểm bằng cách BLUE thực hiện việc quản lý các gói tin bị mất Kiến nghị, trường hợp quản lý hàng đợi có không gian đủ lớn thì nên sử dụng thuật toán RED trường hợp quản lý hàng đợi có không gian hẹp thì nên sử dụng thuật toán BLUE Trong tất cả các trường hợp, các kịch bản mô phỏng được giới thiệu các thuật toán cải tiến AQM tập trung vào một số ít các tình huống chung và quá đơn giản quá trình phân tích hành vi của giao thức các tình huống phi chuẩn Các công bố về phương pháp AQM phần lớn dựa kết quả mô phỏng và cần được thực tế Việc mô hình hóa các điều kiện về lưu lượng Internet là quá phức tạp mô phỏng mạng làm cho nó trở thành nhân tố quan trọng việc đánh giá các thuật toán AQM các điều kiện thực tế Chắc chắn tương lai, sẽ còn nhiều chế AQM cải tiến mới đời nhằm khắc phục những nhược điểm của phương pháp cũ Để đánh giá một cách toàn diện về thuật toán mới này ta cần dựa một số các tiêu chí như: Mục đích của thuật toán, phương pháp tiếp cận, cách thức phát hiện tắc nghẽn, độ công bằng đối với các luồng, đặc tính phát hiện luồng vi phạm, mục tiệu chất lượng, số lượng các tham số cần xác định trước, các tham số ảnh hưởng đến xác suất loại bỏ gói và một số đặc điểm bật của thuật toán Ta có dùng sự đánh giá này cho những thuật toán đã phân tích và kết quả đánh giá được thể hiện qua các bảng sau: Thái Nguyên, ngày 26 tháng 11 năm 2012 Người thực Phân tích đánh giá mợt sớ tḥt tốn quản lý hàng đợi tích cực TCP Network Trang 23 Ngô Văn Thuật Phân tích đánh giá mợt sớ tḥt tốn quản lý hàng đợi tích cực TCP Network Trang 24 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Braen,B, Clark, D,et.al (1998), “ Recommendations on queue management and congestion avoidance in the Internet ” IETF RFC (Information) 2309 [2] Joerg Widmer., Robert Denda, Martin Mauve Prakitsche Informatik IV (2001) , “ A Survey of TCP Friendly Congestion Control ” , IEEE Transactions on Network [3] E.Hashem (1998), “ Analysis of Random drop for gateway congestion Control” report LCS, TR - 465, Laboratory for Computer Science, MIT, Cambridge, MA, , p 103 [4] T.V Lakshman, A Neidhardt, T Ott, The Drop From Straegy in TCP Over ATM and Its Interworking with Other Control Features, Proc Infocom 96, pp 242 – 1250 [5] S.Floyd, V Jacobson (1993), “ Random Early Detection Gateways for Congestion Avoidance ” , IEEE/ACM Transaction on Networking [6] W.Feng, D.D Kandlur, D.Saha, K.G.Shin (1999), “ A Self Configuring RED Gateway ” , Proceedings of IEEE INFOCOMM, Vol pp 1320 – 1328 [7] D.lin, R.Morris (1997), “ Dynamics of Random early Detection ” , Proceedings of ACM SIGCOMM [8] Mark Parris, Kevin Jeffay, F Donelson Smith (1999), “ Lightweight Active Router Queue management for Multimedia Networking ” Multimedia Computing and Networking 1999, Proceedings, SPIE Proceeding Series, Volume 3654, San Jose, CA, pages 162-174 [9] T.J.Ott, T.V.Lakshman, and L.Wong (1999), “ SRED: Stablised RED ” in IEEE INFOCOMM [10] Bing Zheng, Mogammed Atiquzzaman (2000), “ DSRED: An active Queue Management Scheme for Next Generation Network”, Proceedings of 25th IEEE conference Local Computer Networks LCN 2000 Phân tích đánh giá một số thuật toán quản lý hàng đợi tích cực TCP Network Trang 25 [11] Jahoon Koo, Byunghun Song, Kwangsue Chung, Hyukjoon Lee, Hyunkook Kahng (2001), “MRED: A New Approach To Random Early Detection” 15 th International Coference on Information Networking [12] S.Floyd, R.Gummadi, S.Shenkar and ICSI ”Adaptive RED: An algorithm for Increasing the robustness of RED’s active Queue Management”, Berkely, CA[online] http:www.icir.org/floyd/red.html [13] Jinsheng Sun, King-Tim Ko, Guanrong Chen, Sammy Chan, Moshe Sukerman (2003), “PD – RED: To Improve Performance of RED”, IEEE COMMUNICATIONS LETTER [14] Chonggang Wang, Bin Liu, Y.thomas Hou, Kazem Sohraby, Yu Lin (2004), “LRED: A Robust Active Queue Managemant Scheme Based On Packet Loss Ration” 23rd Annual Joint conference of IEEE Computer and Communication Societies INFOCOM [15] Mark Claypool, Robert Kinicki, Mathew Hartling (2004), “Active Queue Management for Web Traffic” IEEE International Conference on Performance, Computing and Comunication 2004 [16] Liujia Hu, Ajay D.Kshemkalyani (2004), “HRED: A simple and Efficient Active Queue Management Algorithm”, 13th International Conferrence on Computer Communications and Networking ICCCN 2004 [17] Yue-Dong Xu, Zhen-Yu Wang, Hua Wang (2005), “ARED A Novel Adative Congestion Controller” IEEE International Conference on Machine Learning and Cybernetics [18] Tae-Hoon Kim, Kee-Hyun Lee (2006), “Refined Adaptive RED in TCP/IP Networks”, IEEE ICASE [19] Jiong-Hwan Seol, Ki Young Lee, Yoon Sik Hong (2006), “Performance Improvement of Adaptive AQM Using the Variation of Queue Length” IEEE Region 10 Conferencer TENCON [20] Tetsuji Yamaguchi, Yutaka Takahashi (2007), “A queue Management algorithrm for fair bandwidth allocation” Computer Communication Phân tích đánh giá mợt sớ tḥt tốn quản lý hàng đợi tích cực TCP Network Trang 26 [21] Pan,R, Pabhakar, B, Psounis,K (2000), “CHOKe, a Stateless Active Queue Management Scheme for Approximating Fair BandwidthAllocation”, IEEE INFOCOM [22] Shan Chen, Zhen Zhou, Brahim Bensaou (2007), “Stochastic RED and its applacations” ICC 2007 [23] Wu-Chung Feng, Kang G.Shin, Dilip D.Kandlur, Debanjan Saha (2002), “The BLUE Active Queue Management Algorithms” IEEE ACM Transactions on Networking [24] A.Kamra, S.Kapila, V.Khurana, V.Yhadhav, H.Saran “SFED: a rate control based active queue management discipline, IBM India research laboratory Research Report, available online from: http.www.cse.iitd.ernet.in/srajeev/publications.htm [25] Abinav Kamra, Huzur Saran, Sandeep Sen, Rajeev Shorey (2003) “Fair Adaptive Bandwidth allocation: a rate control based active queue management discipline”, Computer Networks [26] Srisankar S.Kunniyyur, R.Srikant (2004), “An Apative Virtual Queue (AVQ) for Active Queue Managemant”, IEEE/ACM Transactions on Networking [27] Cheng-Nian Long, Bin Zhao, Xin-Ping Guan (2005), “SAVQ: stabilized Adaptive Virual Queue Management Algorithm”, IEEE Communications Letters [28] Qian Yanping, Li Qi Xiang, Ji Wei (2007) “A Stable Enhanced Adaptive Virtual Queue Management Algorithm for TCP netwoks”, IEEE International Coference on Control and Automation [29] Chengnian Long, Bin Zhao, Xinping Guan, Jun Yang (2004), The Yelow active Queue Management Algorithm”, Computer Networks [30] Manoj k.Agarwal, Rajeev Gupta, Vivekanad Kargaonkar (2004), “Link Utilisation Based AQM and its Performance”, IEEE Communications Society, Globecom 2004 Phân tích đánh giá mợt sớ tḥt tốn quản lý hàng đợi tích cực TCP Network Trang 27 [31] Chonggang Wang, Bo Li, Thomous Hou, Kazem Sohraby, Keping Long (2005), “A stable rate-based algprithm for active queue management” Computer Communications [32] Chin-Ling Chen, Jia-Chun Yu (2005), “A Proportional Rate-based Control S cheme for Active Queue Management” IEEE International Conference on Electro Information Technology [33] Jun Wang, Min Song, Houjun Yang (2006), “Rate-Based Active Queue Management for Congestion Control over Wired and Wireless Links”, (Invited Paper) IEEE [34] Athuralia, D.E Lapsley, S.H Low (2001), “Random Exponential Marking for Internet congestion control”, IEEE transactions on Network [35] Xidong Deng, Sungwon Yi, George Kesidis, Chita R.Das (2002), “Stabilised Virtual Buffer (SVB) An Active Queue Management Scheme for Internet Quality of Service”, IEEE Globecom [36] Jaesung Hong, Changhee Joo, Saewoong Bahk (2006), “Active queue management algorithm cosidering queue and load states”, Computer Communication [37] jinsheng Sun, Moshe Zukerman (2007), “RaQ: a robust active queue management scheme based on rate and queue length”, Computer Communications Phân tích đánh giá mợt sớ tḥt tốn quản lý hàng đợi tích cực TCP Network ... đầy Phân tích đánh giá mợt sớ tḥt tốn quản lý hàng đợi tích cực TCP Network Trang CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI TÍCH CỰC 2.1 Tổng quan 2.1.1 Khái niệm quản lý hàng đợi tích cực. .. dụng quản lý tắc nghẽn 1.2.3 Điều khiển tắc nghẽn tránh tắc nghẽn mạng TCP 1.3 Các kĩ thuật hàng đợi Router 1.3.1 Giới thiệu hàng đợi Router Phân tích đánh giá mợt sớ tḥt tốn quản lý hàng. .. cực AQM (Active Queue Managament) 2.1.2 Sự cần thiết phải có quản lý hàng đợi tích cực 2.1.3 Các phương pháp quản lý hàng đợi tích cực Active Queue Managament Queue Length Based RED 10 SHRED FRED