Trong chương này, chúng ta sẽ hệ thống hóa lại một số phương pháp điều khiển tắc nghẽn điển hình nhất
Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn Chương CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN 3.1 Giới thiệu chương Trong chương này, hệ thống hóa lại số phương pháp điều khiển tắc nghẽn điển hình nhất, phân tích đánh giá chúng dựa sở tiêu chí đề xuất chương Đó phương pháp điều khiển tắc nghẽn truyền thống DECbit, vài phương pháp EWA, ETCP, FBA- TCP, QSTCP để cải thiện hiệu suất hoạt động mạng Trong đặc biệt sâu vào phương pháp điều khiển tắc nghẽn sử dụng TCP phổ biến (đặc biệt mạng Internet) XCP ứng cử viên cho mạng dựa sở IP sau 3.2 Một số phương pháp điều khiển tắc nghẽn truyền thống 3.2.1 DECbit DECbit mơ hình điều khiển tắc nghẽn sớm Phương pháp sử dụng phản hồi ẩn Trong DECbit, mạng cung cấp thông tin phản hồi cho phép phía gởi điều chỉnh lưu lượng vào mạng Các định tuyến giám sát kích thước trung bình hàng đợi khoảng thời gian định nghĩa Nếu độ dài trung bình đệm vượt ngưỡng (threshold) định tuyến thiết lập bit dẫn chống tắc nghẽn (gọi DECbit) gói tin để thơng báo tắc nghẽn mạng Phía nhận gởi lại bit thông báo nhận đến phía gởi Phía gởi giám sát bit dẫn chống tắc nghẽn để điều chỉnh kích thước cửa sổ gởi sau: Nếu xảy tắc nghẽn giảm theo phép nhân (nhân với 0,875), trường hợp ngược lại kích thước cửa sổ tăng lên theo phép cộng DECbit phương pháp đơn giản hữu hiệu Tuy nhiên, vào tiêu chí nêu thuật tốn khơng đạt tính hiệu lưu lượng bị gạt bỏ đáng kể (qua hệ số 0,875) dẫn đến thông lượng thấp Ngồi ra, tiêu chí tính bình đẳng, độ hội tụ, độ mịn điều khiển khơng đạt Thuật tốn khơng phù hợp cho ứng dụng NGN 34 Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn 3.2.2 Điều khiển chống tắc nghẽn TCP TCP (Transmission Control Protocol) [11] giao thức phổ biến cho truyền liệu tin cậy Internet Ngoài điều khiển chống tắc nghẽn ra, cịn thực chức khơi phục liệu quản lý kết nối Điều khiển chống tắc nghẽn TCP thuộc loại điều khiển vòng kín phản hồi ẩn, TCP dựa vào gói để phát tắc nghẽn Nó có cấu để phát gói Đầu tiên, gói gởi, phía gởi TCP khởi tạo định thời Nếu định thời hết hiệu lực trước gói xác nhận, TCP xem gói bị Thứ 2, phía nhận TCP nhận gói khơng trật tự Nó gởi xác nhận ACK cho gói mà nhận gần Ví dụ, giả sử phía nhận nhận gói từ đến 5, gói bị Khi phía nhận nhận gói 7, gởi dupack cho gói Phía gởi TCP xét tới phúc đáp (3 dupack) dấu hiệu gói Kết nối TCP qua pha: khởi đầu chậm pha AIMD Hình 3.1 cho ta thấy quỹ đạo điển hình cửa sổ chống tắc nghẽn Khởi đầu chậm: TCP vào mơ hình khởi đầu chậm bắt đầu kết nối Trong suốt trình khởi đầu chậm, phía gởi tăng tốc độ gởi theo hàm mũ Cụ thể, bắt đầu khởi đầu chậm cửa sổ tắc nghẽn thiết lập đoạn, MSS khởi tạo phía gởi suốt giai đoạn thiết lập kết nối Do đó, phía gởi gởi đoạn đợi phía nhận xác nhận Một ACK đến phía gởi, phía gởi tăng cửa sổ chống tắc nghẽn 1, gởi đoạn, đợi ACK tương ứng Mỗi ack đến, phía gởi gởi đoạn, đoạn, gấp đôi lên dẫn đến tăng theo hàm mũ cửa sổ chống tắc nghẽn TCP thoát khỏi khởi đầu chậm đoạn bị Khi phía gởi giảm cửa sổ tắc nghẽn nửa vào giai đoạn AIMD 35 Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn Hình 3.1 Cửa sổ tắc nghẽn AIMD: Trong mơ hình này, miễn khơng có đoạn bị mất, phía gởi TCP tăng cửa sổ tắc nghẽn MSS RTT Khi gói bị mất, TCP giảm cửa sổ tắc nghẽn nửa Như kết quả, thông lượng biểu thị dãy tăng cộng theo sau giảm nhân Trạng thái thường xem “TCP sawtooth” hình 3.1 Điều khiển chống tắc nghẽn TCP có nhược điểm là: • Thơng tin phản hồi ẩn cửa sổ gửi ln giảm nửa xảy tắc nghẽn không thực hiệu • TCP khơng chia sẻ thơng tin điều khiển, kết nối thời điểm đến đích (một trường hợp thường xảy với lưu lượng web) phải cạnh tranh, thay phối hợp để sử dụng băng thơng mạng cách hợp lý • Đối với mạng đa dịch vụ, thuật tốn điều khiển chống tắc nghẽn TCP khơng đem lại tính bình đẳng cần thiết cho ứng dụng • Đối với mạng có lưu lượng biến đổi động, biến đổi nhanh, điều khiển tắc nghẽn TCP tỏ bất ổn định không hội tụ [5] 36 Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn 3.3 Một số phương pháp điều khiển tắc nghẽn 3.3.1 EWA (Explicit Window Adaptation) FEWA (Fuzzy EWA) Phương pháp EWA [10] (Explicit Window Adaptation) dùng thông báo cách rõ ràng đến phía gởi băng thơng cịn khả dụng đường cách sử dụng chế điều khiển lưu lượng giống TCP để truyền thông tin phản hồi từ định tuyến đến phía gởi Sau khoảng đo i với thời gian tồn không đổi phụ thuộc vào băng thơng tuyến mà router có khả EWA nối, chẳng hạn, 10ms, router với khả EWA đo độ dài hàng đợi thời Qi tính tốn độ dài hàng trung bình thời Q i Qi , Q i độ dài hàng trung bình trước Qi − dùng để tính tốn cửa sổ gởi cho kết nối TCP qua router: Cửa sổ gởi = max{ MSS , α log ( B − Qi ).MSS } (3.1) Trong đó, B độ dài hàng lớn router (tức là, thời điểm nhiều B+1 gói lưu trữ chuyển router), MSS kích cỡ đoạn tất kết nối TCP qua router, α hệ số động tính tốn phần sau B Qi biểu diễn theo số gói MSS biểu diễn theo số byte Biểu thức thuật toán (3.1) giới thiệu để phản ánh kết nối TCP với khởi đầu chậm gởi nhiều lần số đoạn khoảng thời gian vòng truyền (RTT- Round Trip Time) Hệ số α thay đổi đẳng thức (3.1) giới thiệu để sử dụng tốt đường truyền vài kết nối TCP truyền đoạn qua router α cập nhật milli giây sau: α + ω up α = f (α, Q ) = α ω down i Nếu ngưỡng Nếu ngưỡng (3.2) với Qi = 127 Q i −1 + Qi 128 128 37 (3.3) Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn Giá trị khởi tạo hệ số sử dụng α thiết lập 1, tham số ω ( để up tăng cộng) ω (để giảm cách nhân với α ) thiết lập 1/8 down 31/32, độ dài hàng đợi ngưỡng ngưỡng trung bình thiết lập đến 20% 60% độ dài hàng B Cửa sổ gởi tính tốn truyền đến TCP phía gởi cách hiệu chỉnh cửa sổ thơng báo phía nhận xác nhận TCP Router (có khả TCP) giảm cửa sổ cần thiết, khơng tăng để trì điều khiển luồng điểm nối điểm TCP Cửa sổ gởi = min{cửa sổ gởi, cửa sổ thơng báo phía nhận} (3.4) Với thông tin phản hồi tắc nghẽn rõ, TCP phía gởi phản ứng lại thích hợp với tải thời router với cấu khác, chẳng hạn, ECN (Explicit Congestion Notigication) [9] hay RED (Random Early Detection) [4] EWA cho thấy kết hoạt động tốt định tuyến có tải lớn, có số vấn đề định tuyến hoạt động mức tải hầu hết thời gian Lý nằm việc tính tốn α, đặt q nhiều vào trọng tải trước định tuyến, khơng thể phản ứng lại đủ nhanh thay đổi lớn điều kiện tải Chính hạn chế EWA mờ (FEWA – Fuzzy EWA) [10] phát triển, khác với EWA cũ chủ yếu việc tính tốn α FEWA sử dụng điều khiển mờ để tính α dựa theo giá trị giá trị gần đệm định tuyến Với thay đổi việc tính toán phản hồi bên định tuyến, hiệu suất từ đầu cuối đến đầu cuối đạt lớn so với EWA 3.3.2 ETCP (Enhanced TCP) Ý tưởng ETCP [10] sử dụng phản hồi FEWA (dựa điều khiển thích ứng lưu lượng-AWND) để tính cửa sổ gởi (SWND) ETCP phía gởi khơng thực chu trình bắt đầu chậm (slow start) tránh tắc nghẽn (congestion avoidance), mà bắt đầu với cửa sổ gởi khởi tạo cập nhật cửa sổ gởi theo cách sau: 38 Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn - Nếu cửa sổ gởi lớn cửa sổ điều khiển lưu lượng cửa sổ gởi thiết lập cửa sổ điều khiển lưu lượng: SWND ← AWND - Nếu cửa sổ gởi nhỏ cửa sổ điều khiển lưu lượng cửa sổ gởi tính sau: SWND ← SWND.( AWND / SWND ) / SWND Với tính tốn cửa sổ phía gởi ETCP tăng theo hàm mũ để tiệm cận với cửa sổ điều khiển lưu lượng Với thay đổi nhỏ thu cải thiện đáng kể khả thực 3.3.3 XCP (Explicit Control Protocol) XCP [6] giao thức truyền thông liên quan đến TCP Không TCP, XCP cung cấp phản hồi chống tắc nghẽn rõ từ router có khả XCP đến XCP phía gởi Do đó, XCP phía gởi điều khiển cửa sổ gởi thích hợp để đạt tính hiệu quả, bình đẳng, điều khiển tắc nghẽn mở rộng qui mơ ổn định tồn mạng Thuật tốn điều khiển chống tắc nghẽn phản hồi router có khả XCP phân thành phần: thuật tốn hiệu bình đẳng Với phương pháp này, tính hiệu tính bình đẳng kết nối XCP router quản lý cách tách biệt 3.3.3.1 Mào đầu chống tắc nghẽn Mỗi gói liệu kết nối XCP mang theo phần mào đầu chống tắc nghẽn (CH) hình 3.2 Hai giá trị đầu tiên, H_cwnd H_rtt, thiết lập XCP phía gởi cửa sổ chống tắc nghẽn thời RTT ước lượng thời giữ khơng đổi suốt q trình truyền thơng Giá trị thứ ba, H_feedback, dùng cho phản hồi chống tắc nghẽn router Nó khởi tạo XCP phía gởi đến giá trị tăng theo yêu cầu cửa sổ chống tắc nghẽn điều chỉnh router dựa vào giá trị đầu thuật tốn điều khiển tính hiệu bình đẳng thực router 39 Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn H_cwnd H_rtt H_feedback Hình 3.2 Header chống tắc nghẽn gói liệu/xác nhận XCP Nếu XCP phía gởi có tốc độ gởi yêu cầu γ , giá trị khởi tạo cho H_feedback mào đầu tính tốn sau: H _ feedback = ( γ rtt − cwnd ) / / số gói cửa sổ tắc nghẽn (3.5) Trong gói kết nối XCP, H_feedback khởi tạo 0, XCP phía gởi có RTT ước lượng thời không hợp lệ đường dẫn XCP phía nhận chép mào đầu chống tắc nghẽn gói liệu đến sang xác nhận ACK gởi xác nhận bao gồm mào đầu chống tắc nghẽn đến XCP phía gởi Sau xác nhận ACK đến nơi, XCP phía gởi sửa lại cửa sổ chống tắc nghẽn theo phản hồi router chứa mào đầu chống tắc nghẽn: cwnd = max{cwnd + H _ feedback , s} (3.6) với s kích cỡ gói 3.3.3.2 Bộ điều khiển chống tắc nghẽn Như đề cập, điều khiển chống tắc nghẽn router có khả XCP chia thành điều khiển hiệu (EC) điều khiển bình đẳng (FC) Nhiệm vụ điều khiển hiệu tận dụng kết nối lớn nhất, tốc độ gói nhỏ hàng đường dẫn ổn định Chỉ đề cập đến EC lưu lượng đường truyền ổn định không quan tâm bình đẳng luồng có lưu lượng ổn định Đây nhiệm vụ điều khiển bình đẳng Dùng thơng tin phản hồi chống tắc nghẽn kết nối thời tính tốn EC, FC tính thơng tin phản hồi chống tắc nghẽn gói thời cho luồng Thơng tin chống tắc nghẽn chứa trường H_feedback mào đầu chống tắc nghẽn tất gói truyền lại cho XCP phía gởi 40 Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn Với kết nối, router trì định thời điều khiển thiết lập xấp xỉ đến giá trị RTT ước lượng trung bình XCP phía gởi kết nối Sau hết thời gian chờ (time-out) định thời điều khiển luồng, EC FC dùng để tính giá trị thời phản hồi điều khiển chống tắc nghẽn cho luồng XCP qua đường dẫn Các thuật toán điều khiển chống tắc nghẽn điều khiển bình đẳng định tuyến XCP có đặc điểm khơng địi hỏi thơng tin trạng thái luồng Thay vào đó, định tuyến khai thác thơng tin lưu lượng tổng cách tích luỹ thơng tin từ tất gói truyền qua định tuyến khoảng thời gian định Trong phần sau, biểu thức tốn học phép tính EC FC trình bày Bộ điều khiển hiệu (EC) Mục đích điều khiển hiệu tăng tính sử dụng đường truyền tối thiểu hóa tốc độ gói hàng đợi ổn định Nó xét lưu lượng tổng khơng ý đến tính hiệu luồng mà gói có liên quan EC tính số byte mà lưu lượng tổng tăng hay giảm theo mong muốn khoảng thời gian điều khiển (RTT trung bình) Phản hồi tổng φ (tính theo byte) tính khoảng điều khiển: φ =α.d S −β.Q (3.7) Với d RTT ước lượng trung bình cho kết nối, S băng thông dự trữ (spare bandwidth) đường truyền định nghĩa hiệu số tốc độ lưu lượng vào dung lượng đường truyền Và Q kích cỡ hàng ổn định đường truyền (tính theo bytes) với kích cỡ hàng khơng tiêu hao thời gian trễ truyền (đi về) Q ước tính giá trị nhỏ tất kích cỡ hàng vài gói α β tham số có giá trị α = 0.4 β = 0.226 [6] Phản hồi chống tắc nghẽn tổng φ phải tỉ lệ với S, đường truyền sử dụng khôg mức (S>0) hay tắc nghẽn (S0, lưu lượng tất luồng tăng giống - Nếu φ