Hàng đợi và các kỹ thuật liên quan tới quản lý hàng đợi trong mạng IP

Hàng đợi và các kỹ thuật liên quan tới quản lý hàng đợi trong mạng IP

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 2

LỜI NÓI ĐẦU 3

I Giới thiệu về kỹ thuật hàng đợi trong mạng IP 4

1 Giới thiệu hàng đợi trong Router 4

2 Tại sao phải quản lý hàng đợi 8

3 Các tính năng của quản lý hàng đợi: 10

II Các kỹ thuật hàng đợi 11

1 Hàng đợi FIFO (First in first out) 11

2 Hàng đợi ưu tiên PQ (Prioiry queue) 13

3 Hàng đợi cân bằng FQ (fair queue) 14

4 Hàng đợi cân bằng có trọng số WFQ (Weighted Fair Queue) 16

III: Các kỹ thuật liên quan đến hàng đợi 19

1 Bắt giữ và đánh dấu gói tin 19

2 Giảm chiếm giữ hàng đợi 21

3 Phương pháp quản lý hàng đợi truyền thống Tail Drop 22

4 Quản lý hàng đợi bằng thuật toán RED 24

5 So sánh RED và Tail Drop 28

KẾT LUẬN 30

TÀI LIỆU THAM KHẢO 31

Điểm mã dịch vụ phân biệt

EIR Excess Information Rate Tỷ lệ thông tin vượt quá

FIFO First In First Out Vào trước ra trước

FCFS First Come First Served Đến trước, phục vụ trước

ISP Internet Service Provider Cung cấp dịch vụ mạng

ISDN Integrated Services Digital

Network

Mạng số tích hợp đa dịch vụ

PSTN Public Switched Telephone

Network

Mạng điện thoại công cộng

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

RED Random Early Detection Phát hiện trước ngẫu nhiên

UDP User Datagram Protocol Gói dữ liệu người dùng

VPN Virtual Private Network Mạng riêng ảo

WFQ Weighted Fair Queueing Xếp hàng theo trọng số

WRED Weighted Early Random

Detect

Phát hiện sớm ngẫu nhiên theotrọng số

2

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay nghành công nghiệp viễn thông đã đạt được những thành tựu

to lớn và trở thành một ngành không thể thiếu trong đời sống con người Nhờ

sự phát triển của kỹ thuật số, kỹ thuật phần cứng và các công nghệ phần mềm

đã và đang đem lại cho người sử dụng các dịch vụ mới đa dạng và phong phú Mạng IP và các dịch vụ ứng dụng công nghệ IP với các ưu điểm nhưtính linh hoạt, khả năng mở rộng dễ dàng và đạt hiệu quả cao… đã và đang dầnchiếm ưu thế trên thị trường viễn thông thế giới Nhiều nghiên cứu về côngnghệ IP đã được thực hiện để đưa ra các giải pháp tiến đến một mạng hội tụtoàn IP Tuy nhiên mạng IP hiện nay mới chỉ là mạng “Best Effort” - một mạng

nỗ lực tối đa, mà không hề có bất kì một sự bảo đảm nào về chất lượng dịch vụcủa mạng Các nhà xây dựng mạng đã khéo léo đưa ra các mô hình mạng mớinhư mô hình mạng dịch vụ phân biệt DiffServ và mạng dịch vụ tích hợpIntServ đồng thời kết các mô hình mạng với nhau để lợi dụng ưu điểm của từngmạng và hạn chế nhược điểm của chúng Bên cạnh đó các nhà thiết kế còn đisâu vào tìm hiểu và thiết kế các phương pháp quản lý, giám sát các tiến trìnhtruyền tin ngay bên trong bản thân của các thành phần nhỏ của mạng nhưrouter, chuyển mạch….Điển hình là các router được thiết kế theo cấu trúc CQS

đã phần nào đơn giản hoá việc truyền tin và nâng cao chất lượng dịch vụ Mộttrong những phương pháp đưa ra ở các router để cải thiện chất lượng dich vụtrong mạng IP thông dụng nhất là phương pháp quản lý hàng đợi (QueueManagement Do vậy ở đề tài chuyên đề mạng viễn thông này, nhóm 10 chúng

em đã lựa chọn đề tài nghiên cứu của mình là: “Hàng đợi và các kỹ thuật liên

quan tới quản lý hàng đợi trong mạng IP”.

Do lĩnh vực của đề tài này tương đối rộng, và kiến thức còn có nhiều hạnchế nên bài báo cáo này không tránh khỏi nhiều sai sót Em rất mong được sựgóp ý và chỉ bảo của các thầy cô và các bạn sinh viên để bài báo cáo được hoànthiện và phong phú hơn Trong quá trình làm đề tài nhóm chúng em xin cảm ơnthầy giáo Nguyễn Tiến Ban đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ để chúng em có thểhoàn thành đề tài này

Nhóm 10- Lớp L12VT

Hàng đợi và các kỹ thuật liên quan tới quản lý hàng đợi

trong mạng IP

I Giới thiệu về kỹ thuật hàng đợi trong mạng IP

1 Giới thiệu hàng đợi trong Router

Lý thuyết hàng đợi nảy sinh một cách tự nhiên trong việc nghiên cứuchuyển 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 mộtkhoảng thời gian ngẫu nhiên nào đó Trong mạng chuyển mạch gói, các gói tinvới chiều dài khác nhau đi qua mạng, các chuyển mạch, kết nối sẽ được chia sẻphục vụ cho các gói Các bản tin được định tuyến đến các node tiếp theo Thờigian sử dụng bộ đệm (trễ hàng đợi) là một vấn đề quan trọng trong truyền dẫnthông tin Thời gian này phụ thuộc vào khoảng thời gian xử lý chuyển tiếp, độdài 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 trungbình được xem như một tiêu chuẩn quan trọng còn trong các ứng dụng khác thìthông lượng lại là điều quan trọng nhất Việc mô tả hàng đợi theo lý thuyết toánhọc rất phức tạp nên ta chỉ mô tả chúng theo mô hình đơn giản được sử dụngtrong các mạng IP:

Hình 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 sẽđược 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:

arrivals

λ =arrival rate

Bảng 1 : Bảng các tham số cơ bản của hàng đợi

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 gianHiệu suất sử dụng

Là khoảng thời gian server bận do phải xử

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

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 gồmcác gói đang được sử dụng và các gói đangchờ trong hàng đợi

Thời gian xếp hàng

Các gói đến hàng đợi với tốc độ thay đổi λ và đây là một quá trìnhpoisson, thời gian phục vụ có phân bố mũ tốc độ μ (thực chất là thời gian trungbình mà các gói tin rời khỏi hàng đợi) Khi các gói đến hệ thống tăng thì hiệusuất sử dụng hệ thống cũng tăng, dẫn tới tắc nghẽn có khả năng xảy ra Với

p =1 thì các server bão hòa do đó tốc độ lớn nhất theo lý thuyết mà hệ thống cóthể xử lý được là:

λmax= 1/TsTại λmax thì kích thước hàng đợi rất dài không thể kiểm soát được Trongthực tế thời gian trả lời và những yêu cầu kích thước hàng đợi giới hạn tốc độđầu 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 vụphân 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 ngẫu nhiên có trọng số (WRED) Các kĩ thuậttrên được sử dụng trong mạng Internet làm nhiệm vụ điều khiển tắc nghẽn vàđiều khiển luồng lưu lượng trong mạng Điều khiển tắc nghẽn là vấn đề quantrọng cần giải quyết trong việc truyền tin trong mạng Nó sử dụng hai cơ chếđộc lập:

 Cơ chế điều khiển vòng kín (Closed Loop control): điều khiển việctruyền 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 kếtnối

Hệ thống điều khiển vòng kín bao gồm các thuật toán nguồn được điềukhiển bởi các thuật toán kết nối Thuật toán nguồn này là bất kì giao thức nàođược truyền tải trên mạng Internet (ví dụ: TCP, UDP, RTP) và chúng khôngnhất thiết phải có phản hồi đáp ứng với tắc nghẽn Các thuật toán điều khiểnkết nối hay còn gọi là các thuật toán quản lý hàng đợi (hoặc quản lý hàng đợitích cực AQM) Các thuật toán AQM bao gồm thuật toán loại bỏ đuôi, thuậttoán phát hiện sớm ngẫu nhiên (RED) Thuật toán AQM thực hiện việc báohiệu 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 kếtiếp Thuật toán này quyết định trật tự các gói truyền dẫn trên cơ sở trật tự sắpxếp 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 nghĩalớp Quá trình lập lịch của gói điều khiển trật tự truyền dẫn giống như phân bốbăng thông tương ứng cho mỗi lớp dịch vụ Lập lịch bao gồm các thuật toán

6

liên quan tới hàng đợi: hàng đợi FIFO, hàng đợi cân bằng có trọng số WFQ, vàcác thuật toán lập lịch như: Thuật toán RR, thuật toán PS

Hình 2 : Tiến trình xử lý hàng đợi trong router

Để hiểu rõ về các hàng đợi được sử dụng trong cơ chế điều khiển tắcnghẽn 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 hàngđợi của chúng

 Các hoạt động nào của mạng để đối xử với các bó lưu lượng vàhàng đợi bị tràn

Router được xem như hộp lớn, trong đó có các thành phần thực hiện việctruyền thông tin Trong ví dụ này ta xét router có 2 giao diện Gói tin đi từmạng A tới mạng B Mạng A tiếp xúc với router qua giao diện IF0, mạng Btiếp xúc với router qua giao diện IF1 Sau khi các gói được đưa đến từ giaodiện IF0 sẽ được đặt vào trong hàng đợi queue 0 (hàng đợi đầu vào) Tiếp theocác gói đi vào trong router và được định hướng tới router kế tiếp dựa trên địachỉ đích lưu giữ trong phần header của gói tin, một số gói tin đi ra từ hàng đợiqueue 0 được đưa vào hàng đợi queue 1 kết nối với giao diện IF1 Hàng đợiqueue1 còn gọi là hàng đợi đầu ra

Có rất nhiều kĩ thuật hàng đợi: FIFO (first in first out), PQ (priorityqueue - hàng đợi ưu tiên), FQ (fair queue - hàng đợi cân bằng) FIFO đây là kĩthuật xếp hàng vào trước ra trước cơ bản Các gói đến trước sẽ là các gói đầutiên được xử lý Khi hàng đợi đầy và có tắc nghẽn xảy ra thì các gói đến sẽ bịloại bỏ Hàng đợi FIFO dựa vào hệ thống đầu cuối để điều khiển tắc nghẽnthông qua cơ chế điều khiển tắc nghẽn Do loại hàng đợi này rất đơn giản nhiềukhi 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).

2 Tại sao phải quản lý hàng đợi

Kỹ thuật quản lý hàng đợi muốn chỉ đến cách thức mà một router haymột switch quản lý một gói tin hay một frame khi dữ liệu đó đang chờ để đi ramột cổng Với router, quá trình chờ đợi thường diễn ra khi tiến trình đẩy gói tin

IP đã hoàn tất Vì vậy, cơ chế hàng đợi thường chỉ được xem xét là hàng đợi ra.Các LAN switch thường hỗ trợ cả hàng đợi vào và hàng đợi ra, trong đó hàngđợi vào thường được dùng để nhận frame đang được truyền ra ngõ ra củaswitch Công cụ tránh nghẽn muốn chỉ đến thuật toán được dùng khi quyết định

có hay không và khi nào thì gói tin nên bị loại bỏ khi một hệ thống hàng đợi đã

bị quá tải Do lưu lượng video, voice, data có dạng bó, thỉnh thoảng có một sốlượng vượt quá tốc độ cho phép lúc này router sẽ làm gì? Các router chínhtrong mạng Internet được cấu hình có nhiều hàng đợi với kích thước lớn, nó sẽchuyển các gói đến đầu tiên ra trước trong một hàng đợi đơn hay đưa các góivào trong các hàng đợi khác nhau và phục vụ từng hàng lần lượt Do đó các góitruyền trong mạng sẽ phải mất một thời gian dài để truyền trong hàng đợi Trễhàng đợi thậm chí còn lâu hơn cả trễ truyền trong mạng Đối với các hàng đợiquá dài, khi xảy ra tắc nghẽn thì chính sách “loại bỏ phần đuôi” được sử dụngnhiều Điều này có nghĩa là bất kì gói nào đến trong điều kiện hàng đợi bị đầyđều bị loại bỏ trước khi vào được hàng đợi Vấn đề đặt ra là làm thế nào khi cótắc nghẽn xảy ra Để giải quyết vấn đề này ta sử dụng các thuật toán quản lýhàng đợi và lập lịch

Nói đơn giản thuật toán quản lý hàng đợi được sử dụng để quản lý chiều dàicủa hàng đợi các gói bằng cách loại bỏ các gói khi cần thiết

Quản lý hàng đợi bao gồm các hoạt động:

 Thêm gói vào hàng đợi theo ngữ cảnh của gói khi hàng đợi chưa đầy

 Loại bỏ gói nếu hàng đợi đã đầy

 Xoá bỏ gói khi được yêu cầu bởi bộ lập lịch

 Thường xuyên quản lý độ chiếm giữ của hàng đợi

 Loại bỏ gói khi hàng đợi đã đầy

 Đánh dấu các gói khi hàng đợi chuẩn bị đầy

8

Schedule

port m

Queue Queue Queue

Queue

Classify

Port 1

Port n

Hình 3: Kiến trúc CQS trong router

Quản lý hàng đợi:

Do kích thước của hàng đợi là giới hạn nên chúng có thể bị đầy và trànhàng đợi Do đó khi hàng đợi đầy thì bất kì một gói truyền thông nào đến đềukhông thể vào trong hàng đợi và nó sẽ bị loại bỏ Việc loại bỏ này là loại bỏđằng đuôi, điều này có nghĩa là bất kì gói nào đến (thậm chí các gói có độ ưutiên cao) đến khi hàng đợi đã đầy đều bị loại bỏ Do đó cơ chế này cần 2 yếu tố:

+ Luôn chắc chắn rằng hàng đợi không bao giờ đầy để có đủ chỗ cho cácgói có độ ưu tiên cao

+ Phải có cơ chế loại bỏ các gói có độ ưu tiên thấp trước các gói có độ ưutiên cao

Phát hiện sớm ngẫu nhiên (RED) cung cấp đủ hai cơ chế này

 Định dạng và bắt giữ lưu lượng

+ Định dạng: được sử dụng để giới hạn tiềm năng băng thông củaluồng Điều này được sử dụng rất nhiều lần để ngăn chặn vấn đề tràn luồng Cóthể tăng hoặc giảm tốc độ của lưu lượng đến để phù hợp với hiện trạng củamạng

+ Bắt giữ: cũng tương tự như định dạng, nó chỉ khác là nếu lưu lượngvượt quá tốc độ cấu hình thì nó không được đưa vào bộ đệm và có thể bị loạibỏ

3 Các tính năng của quản lý hàng đợi:

Mục đích chính của hàng đợi là điều khiển lưu lượng, chống tắc nghẽntrong mạng, đặc biệt là tại các nút cổ chai Kỹ thuật quản lý hàng đợi trước đây

là thiết lập một kích thước hàng đợi lớn nhất cho mỗi hàng đợi, các gói sẽ đượcđưa vào trong hàng đợi cho đến khi hàng đợi đầy sau đó nếu còn có gói đến thì

sẽ loại bỏ các gói mới tới này Khi số lượng các gói trong hàng đợi giảm dođược truyền tới chặng tiếp theo thì lúc đó hàng đợi mới nhận tiếp các gói tới.Đây cũng chính là kĩ thuật “loại bỏ phần đuôi” (drop tail) Tuy nhiên cách này

có hạn chế:

 Kĩ thuật này chỉ cho phép các gói từ một kết nối đơn hoặc một vàiluồng đủ để chiếm dụng không gian hàng đợi, ngăn chặn không chocác kết nối khác cùng đến một hàng đợi Kĩ thuật này là kết quả củaquá trình đồng bộ hoặc có hiệu quả định thời Thường thì các luồnglưu lượng đến hàng đợi dưới dạng bó Khi hàng đợi đầy thì bất kìluồng nào đến cũng đều bị loại bỏ cho tới khi số gói trong hàng đợigiảm xuống Kĩ thuật này sẽ loại bỏ các bó thông tin chứ không phảichỉ là các gói, do đó việc mất mát thông tin là rất lớn

 Giảm số lượng các gói bị loại bỏ trong hàng đợi

Các gói thường đến mạng dưới dạng bó, và có chủng loại rất phong phú,tốc độ không cố định Nếu ta đặt kích thước hàng đợi cố định thì không linhhoạt với từng loại lưu lượng khác nhau: như nếu kích thước hàng đợi quá bé thìhàng đợi rất dễ bị tràn và việc loại bỏ gói sẽ thường xuyên xảy ra, còn nếu kíchthước hàng đợi quá lớn sẽ gây lãng phí tài nguyên Quản lý hàng đợi giữ kíchthước trung bình của hàng đợi nhỏ cung cấp khả năng cao hơn Ngoài ra quản

lý hàng đợi cho phép loại bỏ tắc nghẽn bằng việc loại bỏ gói tin chứ không loại

bỏ cả bó thông tin điều này sẽ hạn chế được số lượng các gói bị loại bỏ

 Cung cấp các dịch vụ tương tác có độ trễ thấp

Do quản lý hàng đợi giữ kích thước trung bình của hàng đợi nhỏ nêngiảm độ trễ trong các luồng Điều này rất quan trong các ứng dụng tương tác:truyền web, lưu lượng telnet hay các phiên audio-video tương tác

Các phương pháp đưa ra để quản lý hàng đợi là các thuật toán RED,hàng đợi cân bằng có trọng số (WFQ), hàng đợi ưu tiên (PQ),…

10

II Các kỹ thuật hàng đợi

1 Hàng đợi FIFO (First in first out)

Hàng đợi FIFO không có sự phân loại vì tất cả các gói được thuộc về cùngmột lớp Một bộ định tuyến hay bộ chuyển mạch cần các hàng đợi xuất để giữcác gói trong khi chờ bộ giao tiếp sẵn sàng gửi gói Trong khi các công cụ hàngđợi khác thể hiện các tính năng khác, như sắp xếp trật tự các gói, hàng đợiFIFO chỉ cung cấp một ý nghĩa giữ các gói trong khi chúng chờ để rời khỏi mộtcổng giao tiếp (interface) Hàng đợi FIFO sử dụng một hàng đợi đơn cho bộgiao tiếp Vì chỉ có một hàng đợi nên không cần phân lớp để quyết định khi gói

đi vào Và cũng không cần lập lịch ban đầu để cho hàng đợi lấy gói tiếp theo.Chỉ quan tâm đến cách cấu hình chiều dài hàng đợi FIFO tránh tác động đến độtrễ và mất gói

Hình 4: Hàng đợi FIFO

Hàng đợi FIFO sử dụng kỹ thuật hủy gói cuối hàng đợi để quyết định khinào bỏ gói hay cho gói vào hàng đợi Nếu cấu hình một hàng đợi dài hơn, nhiềugói có thể đặt trong hàng đợi, nghĩa là hàng đợi ít khả năng đầy Nếu khônggian hàng đơi còn trống nhiều thì gói ít bị mất Tuy vậy, với một hàng đợi dài,

độ trễ và độ biến động trễ của gói tăng Với hàng đợi ngắn, độ trì hoãn ít xuấthiện hơn, nhưng hàng đợi FIFO đơn sẽ đầy nhanh chóng, lúc này các gói mới

sẽ bị hủy bỏ

Lập lịch hàng đợi FIFO:

Sau khi gói đi vào hàng đợi thì bộ định tuyến sẽ sử dụng thuật toán lập lịch

để duy trì công việc Lập lịch FIFO là thuật toán lập lịch truyền thống được sửdụng trong Internet Đây là thuật toán lập lịch đơn giản nhất Trong thuật toánnày bộ lập lịch truyền các gói theo thứ tự đến và hủy các gói khi hàng đợi đầy.Tuy nhiên, bộ lập lịch gói không có sự phân biệt giữa các người sử dụng Vìvậy nó không thể phân phối cho một số user độ trễ trung bình thấp hơn các

Bộ lập lịch Hàng đợi FIFO

Luồng dữ

liệu đi vào

Phân loại gói tin

Cổng ra

IP Router

người dùng khác Mọi người dùng trong cùng lớp dịch vụ chịu cùng một độ trễbiến thiên (jitter delay) Ngoài ra, độ biến động trễ có xu hướng tăng lên khi sốchặng tăng lên vì độ trễ hàng đợi của gói ở các chặng khác nhau không tươngquan với nhau.

Để hạn chế độ biến động trễ, giải thuật FIFO+ ra đời Giải thuật này cânbằng độ giao động cho tất cả các luồng trong lưu lượng tổng trong suốt đường

đi qua các chặng

Giải thuật được thực hiện như sau: Tại mỗi chặng chúng ta đo độ trễ trungbình của từng gói trong mỗi lớp tại mỗi nút mạng Sau đó chúng ta tính toán sựchênh lệch giữ nó với độ trễ trung bình của lưu lượng tổng Khoảng cách chênhlệch này được cộng hoặc trừ vào một trường trong tiêu đề của gói Trường nàycho phép mỗi nút mạng tính toán khi nào gói được đưa đến xử lý trong mạng.Các nút mạng lúc đó lập lịch gói cứ như thể nó đến đúng vào thời điểm trungbình mong muốn Điều này được thực hiện bằng cách sắp xếp hàng đợi theothời điểm đến mong đợi chứ không phải theo thời gian đến thực sự.FIFO (gồm cả FIFO+) không thể cung cấp việc chia sẻ tài nguyên đồng đềugiữa các người sử dụng cũng như sự bảo vệ Không có sự bảo vệ ở đây cónghĩa là khi một người dùng gửi gói với tốc độ lớn hơn tốc độ cho phép làmảnh hưởng đến các người sử dụng khác

Với FIFO, độ trễ trung bình của một người sử dụng có thể tăng lên nếutổng tốc độ đến của tất cả người sử dụng tăng lên

Tuy nhiên việc sử dụng kỹ thuật hàng đợi FIFO có các nhược điểm:

• FIFO không hoàn toàn tin cậy khi một luồng không mong muốn tranhgiành với các luồng có độ ưu tiên thấp Các luồng không mong muốn gửi một

số lượng lớn các gói (đa số các gói đó bị huỷ bỏ) Trong khi đó, các luồng với

độ ưu tiên thấp gửi một số lượng gói xác định và hầu hết chúng bị hủy bởi vìhàng đợi lúc nào cũng đầy do các luồng không mong muốn đã chiếm hết khônggian hàng đợi

• Sự bùng nổ cao hay thấp gây ra tình trạng đầy hàng đợi FIFO Các gói đivào một hàng đợi đầy phải chờ một thời gian dài trước khi chúng được truyền.Nhưng ở thời điểm khác, hàng đợi có thể trống và các gói trong cùng mộtluồng không bị trì hoãn

12

Các ưu điểm của kỹ thuật hàng đợi FIFO:

• Đây là kỹ thuật đơn giản và nhanh

• Nó được hỗ trợ trên tất cả các nền tảng

• Hàng đợi FIFO được hỗ trợ trong tất cả các phiên bản của Cisco IOS

2 Hàng đợi ưu tiên PQ (Prioiry queue)

Tính năng đặc biệt của PQ là ở bộ lập lịch PQ lập lịch lưu lượng đảm bảohàng đợi ưu tiên luôn được phục vụ trước Với 4 mức ưu tiên: cao, trung bình,bình thường, và thấp

Hình 5: Hàng đợi PQ

Nếu hàng đợi ưu tiên cao luôn có một gói đang chờ, bộ lập lịch luôn luônlấy các gói trong hàng đợi ưu tiên cao Nếu hàng đợi ưu tiên cao không có góinào đang chờ nhưng có trong hàng đơi ưu tiên trung bình, một gói trong hàngđợi này sẽ được lấy và tiến trình cứ như thế tiếp tục

Bộ lập lịch PQ có một số thuận lợi và hạn chế Các gói trong hàng đợi ưutiên cao có thể đạt 100% băng thông liên kết, với độ trì hoãn nhỏ và độ biếnđộng trễ nhỏ Thật ra, khi nghẽn mạch, các gói trong hàng đợi ưu tiên thấp tốnnhiều thời gian phục vụ Khi liên kết tắc nghẽn, các ứng dụng người dùng cóthể ngừng làm việc nếu các gói đặt trong hàng đợi ưu tiên thấp

PQ phân lớp các gói dựa trên nội dung của các tiêu đề Nó sử dụng tối đa 4hàng đợi Chỉ áp dụng chính sách hủy gói cuối hàng đợi, mặt khác sau khi phânlớp các gói, nếu hàng đợi tương ứng đầy, các gói bị bỏ Mặt khác, chiều dàimỗi hàng đợi là nguyên nhân ảnh hưởng đến độ trễ và mất gói Thật ra, PQ cóthể thiết lập chiều dài hàng đợi trở về giá trị 0, có nghĩa là chiều dài hàng đợi

“không giới hạn” (“không giới hạn” có nghĩ là khi bộ định tuyến ra ngoài vùng

IP Router

Luồng dữ

liệu đi vào

Phân loại gói tin

nhớ, các gói không thể lập lịch; tuy nhiên, chúng ta gặp vấn đề rắc rối hơn việclập lịch cho gói nếu bộ định tuyến ngoài vùng nhớ.)

Thể hiện hoạt động bên trong một bộ định tuyến, sau bộ định tuyến nhậndạng cổng xuất cho gói

1 PQ có thể phân lớp các gói sử dụng danh sách điều khiển truy cập ACLvới giao thức lớp 3 PQ cũng có thể so trùng trực tiếp không cần sử dụng ACL,đầu vào, chiều dài gói và cổng TCP và UDP

2 Hủy bỏ gói cuối hàng đợi là chính sách bỏ gói mặc định

3 Số hàng đợi cực đại là 4

4 Chiều dài hàng đợi cực đại có thể là 0, nghĩa là hàng đợi có chiều dài

“không xác định” theo lý thuyết Mặc định là 20, 40, 60 và 80 tướng ứng vớicác hàng đợi ưu tiên cao, trung bình, bình thường và thấp

5 Bên trong một hàng đợi, PQ sử dụng nguyên lý PQ

6 Khi lập lịch các hàng đợi, PQ luôn phục vụ các hàng đợi ưu tiên caotrước

Khi ngõ xuất không tắc nghẽn (nói một cách khác TXR không đầy), cácgói mới đặt vào TXR một cách trực tiếp Khi TXR đầy, PQ thể hiện việc lậplịch Khi tất cả các hàng đợi PQ truyền hết các gói (TXR không đầy), tắc nghẽndịu đi Các gói mới đến lại vào TXR, cho đến khi nó đầy trở lại, nó sẽ khởiđộng tiến trình hàng đợi với PQ

PQ làm việc tốt trong các chính sách QoS cần xử lý một loại lưu lượng vớikhả năng phục vụ tốt nhất Tuy nhiên, dịch vụ PQ với các hàng đợi thấp giảmnhanh chóng, làm cho PQ không thiết thực cho hầu hết các ứng dụng hiện nay.Chẳng hạn, việc chạy một kết nối FTP, một trình duyệt web, một cuộc gọiNetMeeting, và 2 cuộc gọi VoIP khi xuất, các kết nối TCP với lưu lượng HTTP

và FTP thường xuyên vượt quá thời gian cho phép

3 Hàng đợi cân bằng FQ (fair queue)

Hàng đợi cân bằng còn được gọi là hàng đợi dựa trên luồng lưu lượng.Trong FQ, các gói tin đến được phân loại thành N hàng đợi Mỗi hàng đợi nhận1/N băng thông khả dụng đầu ra Bộ lập lịch kiển tra các hàng đợi theo chu kỳ

và bỏ qua các hàng đợi rỗng Mỗi khi bộ lập lịch tới một hàng đợi, một gói tinđược truyền ra khỏi hàng đợi

14

Hàng đợi cân bằng rất đơn giản, nó không yêu cầu một kỹ thuật chỉ địnhbăng thông phức tạp nào Nếu một hàng đợi mới được thêm vào N hàng đợi cótrước đó để tạo một lớp lưu lượng mới, bộ lập lịch sẽ tự động đặt lại băng thôngcủa mỗi hàng đợi bằng 1/(N+1) Đơn giản chính là ưu điểm chính của hàng đợicân bằng.

Hình 6: Hàng đợi cân bằng FQ

Hàng đợi cân bằng có hai nhược điểm chính:

Thứ nhất, khi băng thông đầu ra được chia thành N hàng đợi thì tươngứng mỗi hàng đợi sẽ có băng thông là 1/N, nếu các lớp lưu lượng đầu vào cóyêu cầu băng thông khác nhau, thì FQ không thể phân bố lại băng thông đầu ratheo yêu cầu băng thông của các lớp lưu lượng đầu vào

Thứ hai, kích thước gói tin không được quan tâm trong FQ, trong khi đó,kích thước các gói tin lại ảnh hưởng đến sự phân bố băng thông thực tế, thậmchí bộ lập lịch vẫn hoạt động theo nguyên tắc cân bằng (mỗi hàng đợi sẽ có 1/Nbăng thông, bộ lập lịch sẽ kiểm tra theo chu kỳ đến từng hàng đợi, một gói tin

sẽ được truyền đi khi bộ lập lịch tới thăm) Ví dụ, nếu một hàng đợi nào đóchiếm dữ các gói tin có kích thước lớn hơn các hàng đợi khác, thì hàng đợi nàyphải có băng thông đầu ra lớn hơn băng thông đầu ra của các hàng đợi khác (1/N) Giả sử một hàng đợi FQ có 4 hàng đợi tương ứng với 4 luồng lưu lượng 1,

2, 3, và 4 Kích thước trung bình của các gói tin của 4 luồng lưu lượng tươngứng là 200, 100, 400 và 300 byte, theo thứ tự, băng thông chia sẻ của các cổngđầu ra tương ứng với 4 luồng này sẽ là; Luồng 1 = 200/1,000 = 20%;

Luồng 2 = 100/1,000 = 10%; Luồng 3 = 400/1,000 = 40%; Luồng 4 =300/1,000