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 LỜI NÓI ĐẦU I Giới thiệu kỹ thuật hàng đợi mạng IP Giới thiệu hàng đợi Router Tại phải quản lý hàng đợi Các tính quản lý hàng đợi: .10 II Các kỹ thuật hàng đợi .11 Hàng đợi FIFO (First in first out) 11 Hàng đợi ưu tiên PQ (Prioiry queue) 13 Hàng đợi cân FQ (fair queue) .14 Hàng đợi cân có trọng số WFQ (Weighted Fair Queue) 16 III: Các kỹ thuật liên quan đến hàng đợi .19 Bắt giữ đánh dấu gói tin 19 Giảm chiếm giữ hàng đợi 21 Phương pháp quản lý hàng đợi truyền thống Tail Drop 22 Quản lý hàng đợi thuật toán RED 24 So sánh RED Tail Drop 28 KẾT LUẬN 30 Bài báo cáo nêu lên tầm quan trọng thuật toán quản lý hàng đợi, bao gồm thuật toán quản lý hàng đợi thuật toán Tail Drop, thuật toán RED Mỗi thuật có ưu điểm nhược điểm riêng, phù hợp với tham số lưu lượng khác nên sử dụng thuật toán cần tìm hiểu kĩ đặc điểm loại lưu lượng để việc sử dụng đạt hiệu Nhìn chung thuật toán thuật toán RED có ưu điểm Điều thể việc thuật toán RED tính toán thay đổi kích thước hàng đợi để loại bỏ gói phát tắc nghẽn 30 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT CQ Custom Queuing Hàng đợi khách CQS Classification, Queuing, Scheduling Phân loại, hàng đợi, lập lịch DSCP Differentiated services codepoint Điểm mã dịch vụ phân biệt EIR Excess Information Rate Tỷ lệ thông tin vượt FIFO First In First Out Vào trước 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 LAN Local Area Network Mạng cục PSTN Public Switched Telephone Network Mạng điện thoại công cộng PQ Priority Queuing Hàng đợi ưu tiên PQ PHB Per-Hop Behavior Xử lý Hop QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RED Random Early Detection Phát trước ngẫu nhiên UDP User Datagram Protocol Gói liệu người dùng VPN Virtual Private Network Mạng riêng ảo WAN Wide Area Network Mạng diện rộng WFQ Weighted Fair Queueing Xếp hàng theo trọng số WRED Weighted Early Random Detect Phát sớm ngẫu nhiên theo trọng số LỜI NÓI ĐẦU Ngày nghành công nghiệp viễn thông đạt thành tựu to lớn trở thành ngành thiếu đời sống người Nhờ phát triển kỹ thuật số, kỹ thuật phần cứng công nghệ phần mềm đem lại cho người sử dụng dịch vụ đa dạng phong phú Mạng IP dịch vụ ứng dụng công nghệ IP với ưu điểm tính linh hoạt, khả mở rộng dễ dàng đạt hiệu cao… dần chiếm ưu thị trường viễn thông giới Nhiều nghiên cứu công nghệ IP thực để đưa giải pháp tiến đến mạng hội tụ toàn IP Tuy nhiên mạng IP mạng “Best Effort” - mạng nỗ lực tối đa, mà bảo đảm chất lượng dịch vụ mạng Các nhà xây dựng mạng khéo léo đưa mô hình mạng mô hình mạng dịch vụ phân biệt DiffServ mạng dịch vụ tích hợp IntServ đồng thời kết mô hình mạng với để lợi dụng ưu điểm mạng hạn chế nhược điểm chúng Bên cạnh nhà thiết kế sâu vào tìm hiểu thiết kế phương pháp quản lý, giám sát tiến trình truyền tin bên thân thành phần nhỏ mạng router, chuyển mạch….Điển hình router thiết kế theo cấu trúc CQS phần đơn giản hoá việc truyền tin nâng cao chất lượng dịch vụ Một phương pháp đưa router để cải thiện chất lượng dich vụ mạng IP thông dụng phương pháp quản lý hàng đợi (Queue Management Do đề tài chuyên đề mạng viễn thông này, nhóm 10 chúng em lựa chọn đề tài nghiên cứu là: “Hàng đợi kỹ thuật liên quan tới quản lý hàng đợi mạng IP” Do lĩnh vực đề tài tương đối rộng, kiến thức có nhiều hạn chế nên báo cáo không tránh khỏi nhiều sai sót Em mong góp ý bảo thầy cô bạn sinh viên để báo cáo hoàn thiện phong phú Trong trình làm đề tài nhóm chúng em xin cảm ơn thầy giáo Nguyễn Tiến Ban tận tình hướng dẫn giúp đỡ để chúng em hoàn thành đề tài Nhóm 10- Lớp L12VT Hàng đợi kỹ thuật liên quan tới quản lý hàng đợi mạng IP I Giới thiệu kỹ thuật hàng đợi mạng IP Giới thiệu hàng đợi Router Lý thuyết hàng đợi nảy sinh cách tự nhiên việc nghiên cứu chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói Trong mạng chuyển mạch kênh, gọi đến chuyển mạch ngẫu nhiên, gọi giữ kênh khoảng thời gian ngẫu nhiên Trong mạng chuyển mạch gói, gói tin với chiều dài khác qua mạng, chuyển mạch, kết nối chia sẻ phục vụ cho gói Các tin định tuyến đến node Thời gian sử dụng đệm (trễ hàng đợi) vấn đề quan trọng truyền dẫn thông tin Thời gian phụ thuộc vào khoảng thời gian xử lý chuyển tiếp, độ dài tin hay thời gian chờ xử lý chưa có tài nguyên sử dụng Trong ứng dụng tương tác thời gian thực thời gian trả lời trung bình xem tiêu chuẩn quan trọng ứng dụng khác thông lượng lại điều quan trọng Việc mô tả hàng đợi theo lý thuyết toán học phức tạp nên ta mô tả chúng theo mô hình đơn giản sử dụng mạng IP: arrivals Queue Dispatching discipline departures Server λ =arrival rate Ts= service time P= utilization w=items wait Tw=wait time q= items in queuing system Tq = queuing time Hình 1: Mô hình hàng đợi đơn giản mạng Tin tức (có thể gói tin hay tin) đến hệ thống để yêu cầu phục vụ Nếu server rỗi gói tin phục vụ lập tức, ngược lại chúng lưu giữ hàng đợi Khi rời khỏi hàng đợi gói xử lý Các tham số liên quan tới hàng đợi: Bảng : Bảng tham số hàng đợi Tham số Kí hiệu Chú thích Tốc độ đến TB Λ Thời gian gói tin đến hệ thống hàng đợi với vận tốc λ đơn vị thời gian(s) Tốc độ rời khỏi TB Μ Các gói tin rời khỏi hệ thống với tốc độ μ đơn vị thời gian P Là khoảng thời gian server bận phải xử lý, đo P= λ /μ Hiệu suất sử dụng dịch vụ Độ dài TB Lw Là số gói nằm hàng đợi trung bình tất thời điểm t Có hai định nghĩa: Thứ nhất: tính tất thời gian gói Thời gian đợi TB Tw tin đến xử lý (bao gồm gói chờ hàng đợi) Thứ hai: tính TB thời gian gói tin phải chờ hàng đợi Ts Thời gian TB thời điểm gửi gói tới server thời điểm rời khỏi server Độ dài hàng đợi TB Lq Số gói trung bình hệ thống, bao gồm gói sử dụng gói chờ hàng đợi Thời gian xếp hàng TB Tq Thời gian gói hệ thống Thời gian phục vụ TB Các gói đến hàng đợi với tốc độ thay đổi λ trình poisson, thời gian phục vụ có phân bố mũ tốc độ μ (thực chất thời gian trung bình mà gói tin rời khỏi hàng đợi) Khi gói đến hệ thống tăng hiệu suất sử dụng hệ thống tăng, dẫn tới tắc nghẽn có khả xảy Với p =1 server bão hòa tốc độ lớn theo lý thuyết mà hệ thống xử lý là: λmax= 1/Ts Tại λmax kích thước hàng đợi dài kiểm soát Trong thực tế thời gian trả lời yêu cầu kích thước hàng đợi giới hạn tốc độ đầu vào thông tin 70-90% so với λmax theo lý thuyết Tại router chuyển mạch phần lõi kiến trúc dịch vụ phân biệt mạng Internet có thuật toán lập lịch quản lý hàng đợi Ngày kiến trúc dịch vụ phân biệt bao gồm hàng đợi cân có trọng số (WFQ) kĩ thuật tách sớm ngẫu nhiên có trọng số (WRED) Các kĩ thuật sử dụng mạng Internet làm nhiệm vụ điều khiển tắc nghẽn điều khiển luồng lưu lượng mạng Điều khiển tắc nghẽn vấn đề quan trọng cần giải việc truyền tin mạng Nó sử dụng hai chế độc lập: • Cơ chế điều khiển vòng kín (Closed Loop control): điều khiển việc truyền gói từ nguồn đầu cuối tới đích • Các thuật toán lập lịch vòng hở (Opened loop control): ràng buộc độ ưu tiên cấu hình từ trước phân phối băng thông cho kết nối Hệ thống điều khiển vòng kín bao gồm thuật toán nguồn điều khiển thuật toán kết nối Thuật toán nguồn giao thức truyền tải mạng Internet (ví dụ: TCP, UDP, RTP) chúng không thiết phải có phản hồi đáp ứng với tắc nghẽn Các thuật toán điều khiển kết nối hay gọi 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 sớm ngẫu nhiên (RED) Thuật toán AQM thực việc báo hiệu tới nguồn việc đánh dấu gói, thông báo tắc nghẽn tường minh (ECN) hay loại bỏ gói Các thuật toán lập lịch vòng mở định xem gói gửi Thuật toán định trật tự gói truyền dẫn sở trật tự xếp gói đến lớp lưu lượng ưu tiên gói Còn dịch vụ phân biệt sử dụng bit tiêu đề gói để định nghĩa lớp Quá trình lập lịch gói điều khiển trật tự truyền dẫn giống phân bố băng thông tương ứng cho lớp dịch vụ Lập lịch bao gồm thuật toán liên quan tới hàng đợi: hàng đợi FIFO, hàng đợi cân có trọng số WFQ, thuật toán lập lịch như: Thuật toán RR, thuật toán PS Hình : Tiến trình xử lý hàng đợi router Để hiểu rõ hàng đợi sử dụng chế điều khiển tắc nghẽn ta phải trả lời câu hỏi: • Các gói lắp đặt hàng đợi • Thứ tự hay cách thức mà thiết bị mạng phục vụ hàng đợi chúng • Các hoạt động mạng để đối xử với bó lưu lượng hàng đợi bị tràn Router xem hộp lớn, có thành phần thực việc truyền thông tin Trong ví dụ ta xét router có giao diện Gói tin 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 gói đưa đến từ giao diện IF0 đặt vào hàng đợi queue (hàng đợi đầu vào) Tiếp theo gói vào router định hướng tới router dựa địa đích lưu giữ phần header gói tin, số gói tin từ hàng đợi queue đưa vào hàng đợi queue kết nối với giao diện IF1 Hàng đợi queue1 gọi hàng đợi đầu Có nhiều kĩ thuật hàng đợi: FIFO (first in first out), PQ (priority queue - hàng đợi ưu tiên), FQ (fair queue - hàng đợi cân bằng) FIFO kĩ thuật xếp hàng vào trước trước Các gói đến trước gói xử lý Khi hàng đợi đầy có tắc nghẽn xảy gói đến bị loại bỏ Hàng đợi FIFO dựa vào hệ thống đầu cuối để điều khiển tắc nghẽn thông qua chế điều khiển tắc nghẽn Do loại hàng đợi đơn giản nhiều không điều khiển tắc nghẽn nên ta thường xét loại hàng đợi hiệu hơn: hàng đợi ưu tiên(PQ), hàng đợi cân (FQ), hàng đợi có trọng số (WQ) Tại phải quản lý hàng đợi Kỹ thuật quản lý hàng đợi muốn đến cách thức mà router hay switch quản lý gói tin hay frame liệu chờ để cổng Với router, trình chờ đợi thường diễn tiến trình đẩy gói tin IP hoàn tất Vì vậy, chế hàng đợi thường xem xét hàng đợi Các LAN switch thường hỗ trợ hàng đợi vào hàng đợi ra, hàng đợi vào thường dùng để nhận frame truyền ngõ switch Công cụ tránh nghẽn muốn đến thuật toán dùng định có hay không gói tin nên bị loại bỏ hệ thống hàng đợi bị tải Do lưu lượng video, voice, data có dạng bó, có số lượng vượt tốc độ cho phép lúc router làm gì? Các router mạng Internet cấu hình có nhiều hàng đợi với kích thước lớn, chuyển gói đến trước hàng đợi đơn hay đưa gói vào hàng đợi khác phục vụ hàng Do gói truyền mạng phải thời gian dài để truyền hàng đợi Trễ hàng đợi chí lâu trễ truyền mạng Đối với hàng đợi dài, xảy tắc nghẽn sách “loại bỏ phần đuôi” sử dụng nhiều Điều có nghĩa gói đến điều kiện hàng đợi bị đầy bị loại bỏ trước vào hàng đợi Vấn đề đặt làm có tắc nghẽn xảy Để giải vấn đề ta sử dụng thuật toán quản lý hàng đợi lập lịch Nói đơn giản thuật toán quản lý hàng đợi sử dụng để quản lý chiều dài hàng đợi gói cách loại bỏ gói cần thiết Quản lý hàng đợi bao gồm hoạt động: • Thêm gói vào hàng đợi theo ngữ cảnh gói hàng đợi chưa đầy • Loại bỏ gói nếuClassify hàng đợi đầy • Xoá bỏ gói yêu cầu lập lịch Queue • Thường xuyên quản lý độ chiếm giữ hàng đợi Schedule Port Queue • Loại bỏ gói hàng đợi đầy • Đánh dấu gói hàng đợi chuẩn bị đầy Queue Port n Queue port m Hình 3: Kiến trúc CQS router Quản lý hàng đợi: Do kích thước hàng đợi giới hạn nên chúng bị đầy tràn hàng đợi Do hàng đợi đầy gói truyền thông đến vào hàng đợi bị loại bỏ Việc loại bỏ loại bỏ đằng đuôi, điều có nghĩa gói đến (thậm chí gói có độ ưu tiên cao) đến hàng đợi đầy bị loại bỏ Do chế cần yếu tố: + Luôn chắn hàng đợi không bao giờ đầy để có đủ chỗ cho gói có độ ưu tiên cao + Phải có chế loại bỏ gói có độ ưu tiên thấp trước gói có độ ưu tiên cao Phát sớm ngẫu nhiên (RED) cung cấp đủ hai chế • Định dạng bắt giữ lưu lượng + Định dạng: sử dụng để giới hạn tiềm băng thông luồng Điều sử dụng nhiều lần để ngăn chặn vấn đề tràn luồng Có thể tăng giảm tốc độ lưu lượng đến để phù hợp với trạng mạng + Bắt giữ: tương tự định dạng, khác lưu lượng vượt tốc độ cấu hình không đưa vào đệm bị loại bỏ Các tính quản lý hàng đợi: Mục đích hàng đợi điều khiển lưu lượng, chống tắc nghẽn mạng, đặc biệt nút cổ chai Kỹ thuật quản lý hàng đợi trước thiết lập kích thước hàng đợi lớn cho hàng đợi, gói đưa vào hàng đợi hàng đợi đầy sau có gói đến loại bỏ gói tới Khi số lượng gói hàng đợi giảm truyền tới chặng lúc hàng đợi nhận tiếp gói tới Đây kĩ thuật “loại bỏ phần đuôi” (drop tail) Tuy nhiên cách có hạn chế: • Kĩ thuật cho phép gói từ kết nối đơn vài luồng đủ để chiếm dụng không gian hàng đợi, ngăn chặn không cho kết nối khác đến hàng đợi Kĩ thuật kết trình đồng có hiệu định thời Thường luồng lưu lượng đến hàng đợi dạng bó Khi hàng đợi đầy luồng đến bị loại bỏ số gói hàng đợi giảm xuống Kĩ thuật loại bỏ bó thông tin gói, việc mát thông tin lớn • Giảm số lượng gói bị loại bỏ hàng đợi Các gói thường đến mạng dạng bó, có chủng loại phong phú, tốc độ không cố định Nếu ta đặt kích thước hàng đợi cố định không linh hoạt với loại lưu lượng khác nhau: kích thước hàng đợi bé hàng đợi dễ bị tràn việc loại bỏ gói thường xuyên xảy ra, kích thước hàng đợi lớn gây lãng phí tài nguyên Quản lý hàng đợi giữ kích thước trung bình hàng đợi nhỏ cung cấp khả cao Ngoài quản lý hàng đợi cho phép loại bỏ tắc nghẽn việc loại bỏ gói tin không loại bỏ bó thông tin điều hạn chế số lượng gói bị loại bỏ • Cung cấp dịch vụ tương tác có độ trễ thấp Do quản lý hàng đợi giữ kích thước trung bình hàng đợi nhỏ nên giảm độ trễ luồng Điều quan ứng dụng tương tác: truyền web, lưu lượng telnet hay phiên audio-video tương tác Các phương pháp đưa để quản lý hàng đợi thuật toán RED, hàng đợi cân có trọng số (WFQ), hàng đợi ưu tiên (PQ),… 10 Hàng đợi cân có trọng số WFQ (Weighted Fair Queue) Thuật toán hàng đợi cân có trọng số thuật toán nằm họ thuật toán hàng đợi cân (FQ) Kĩ thuật xem phối hợp hai kĩ thuật hàng đợi cân hàng đợi ưu tiên Tất hàng đợi phục vụ tránh tình trạng bỏ đói hàng đợi, nhiên có số hàng đợi ưu tiên phục vụ nhiều Một trọng số gán cho số hàng đợi để ấn định số ưu tiên cao cho chúng Hình 7: Hoạt động hàng đợi WFQ Ví dụ: có hàng đợi chiếm nửa băng thông khả dụng, nửa băng thông lại chia cho hàng đợi lại Lưu lượng ưu tiên tuỳ theo gói đánh dấu, địa IP đích, địa IP nguồn hay số cổng, thông tin trường TOS phần tiêu đề gói tin IP WFQ đánh trọng số cho luồng lưu lượng lưu lượng có mức băng thông thấp đạt mức ưu tiên Nếu hàng đợi có mức ưu tiên cao không sử dụng lưu lượng có mức ưu tiên thấp sử dụng hàng đợi Điều ngăn cản lưu lượng có băng thông cao giành lấy tài nguyên chia sẻ Tính quan trọng kĩ thuật việc di chuyển lưu lượng tương thích thời gian thực lên trước hàng đợi chia sẻ cách công băng thông lại với hàng đợi khác Khi gói đến phân loại phân loại ấn định tới cửa Cửa thực thể hàng đợi mà với cửa khác xếp theo trật tự thuật toán round robin có trọng số Chỉ theo cách 16 dịch vụ thực đối sử công cho hàng đợi Chìa khoá phân loại đàm thoại, điều có nghĩa việc thể trọng số để phân loại phụ thuộc vào thông tin nằm phần tiêu đề gói tin (địa nguồn, địa đích, giao thức cổng nguồn, IP precedence) Bởi thực tế áp dụng hàng đợi cho đàm thoại, WFQ sử dụng thuật toán Băm để chia cắt luồng lưu lượng thành luồng nhỏ đưa vào số gới hạn hàng đợi lựa chọn người sử dụng hay cố định mặc định Cách làm tăng số lượng lớn hàng đợi, thể cân thuật toán Điều có nghĩa ta có nhiều luồng chia sẻ hàng đợi (được thể dựa màu sắc khác gói hàng đợi) Khi gói đến, phân loại kiểm tra thông tin phần header gói tin sử dụng thông tin này, tính toán số lượng nằm số hàng đợi Sau lắp đặt gói vào hàng đợi định nghĩa số WFQ tách gói có độ ưu tiên cao đánh dấu bit IP Precedence router lập lịch nhanh Theo cách với precedence cao WFQ cấp băng thông nhiều cho luồng luồng khác WFQ sử dụng hàng đợi mặc định giao diện nối tiếp router cisco cấu hình tốc độ nhỏ tốc độ luồng E1(2.048 Mb/s) Ngoài bit precedence WFQ phân loại lưu lượng thành luồng khác (hàng đợi) dựa sở mạng đích, mạng nguồn địa MAC, cổng nguồn, cổng đích, giao thức, số ổ cắm khe, giá trị nhận dạng kết nối liên kết chuyển tiếp khung (DLCI) giá trị TOS Có loại xử lý luồng : phiên làm việc có băng thông cao phiên làm việc có băng thông thấp Lưu lượng băng thông thấp có độ ưu tiên hiệu so với lưu lượng yêu cầu băng thông lớn lưu lượng băng thông lớn chia sẻ dịch vụ truyền dẫn tương ứng theo trọng số ấn định Các luồng lưu lượng băng thông thấp bao gồm phần lưu lượng, dịch vụ ưu đãi nhận, cho phép toàn tải cung cấp gửi trong khuôn mẫu mang tính thời gian Các luồng lưu lượng băng thông cao chia sẻ băng thông lại Các tin luồng yêu cầu băng thông cao bị loại bỏ sau bắt gặp mức ngưỡng tin tắc nghẽn Tuy nhiên luồng băng thông thấp bao gồm tin điều khiển tiếp tục xếp hàng lại Kết hàng đợi cân chứa nhiều tin phân loại số mức ngưỡng Ngoài WFQ làm việc với RSVP (giao thức đặt trước tài nguyên) để xây 17 dựng nên cấu trúc dịch vụ tích hợp (kiến trúc thiết kế để đảm bảo băng thông mạng từ đầu cuối đến đầu cuối mạng IP), hay liên kết với lược đồ thông báo tắc nghẽn Frame Relay việc chỉnh sửa trọng số hàng đợi để đáp ứng cho thông báo tắc nghẽn thuận(FECN) thông báo tắc nghẽn ngược (BECN), chút để xây dựng kiến trúc dịch vụ phân biệt sử dụng bít IP Precedence WFQ cung cấp quản lý ưu tiên lưu lượng động theo loại lưu lượng bên gói WFQ quản lý luồng liệu duplex, ví dụ cặp ứng dụng, luồng liệu đơn giản thoại thoại video WFQ cung cấp giải pháp cho trường hợp yêu cầu thời gian quán cho người sử dụng mạng có tải nặng nhẹ giống không cung cấp thêm băng thông thừa WFQ tự động tương thích để thay đổi điều kiện lưu lượng mạng 18 III: Các kỹ thuật liên quan đến hàng đợi Bắt giữ đánh dấu gói tin Mỗi lớp lưu lượng có giới hạn cách xử trước vào mạng giới hạn tốc độ gói vào mạng nào, số lượng gói đến khoảng thời gian lý thuyết (được biết đến Profile) Bắt giữ đánh dấu gần giống hoạt động diễn router định gói bên giới hạn giá trị trị ấn định cho luồng lưu lượng (gọi out profile) Nếu gói bị bắt giữ gói out profile bị loại bỏ Còn đánh dấu mềm gói out profile bị đánh dấu cách chỉnh sửa một vài bit phần header sau chuyển tới hàng đợi đầu router tới tầng lập lịch Các chức tương tự biết đến chức định dạng lưu lượng, chỉnh sửa số đặc điểm tạm thời lưu lượng cách chuyển tiếp gói bên có độ trễ lựa chọn Hoạt động chức bắt giữ đánh dấu Bắt giữ đánh dấu chia sẻ thành phần chung đo Chức đo đạc để định xem gói nằm profile (in profile) hay nằm profile (out profile) Một ví dụ sử dụng đo thẻ token packet cho phép mức độ nhỏ bó bên lớp lưu lượng điển hình Các thẻ đưa vào gáo tốc độ cố định X (số thẻ /s) bị loại bỏ khỏi gói gói đến Kích thước gáo giới hạn, gáo có kích thước Y thẻ Token Bucket Token Bucket Token Bucket Pack arrive Pack arrive Take available Token Take available token Take available token Depth of Bucket Pack arrive Profile : In Profile : In Profile : Out Hình 8: Chức đo đơn giản token packet 19 Khi gói đến gáo, gáo có thẻ tồn thẻ gán cho gói (thẻ gỡ bỏ) gói xem in profile Nếu thẻ gói gói coi out profile Thẻ bổ sung với tốc độ X thể tốc độ trung bình dài hạn gói trì profile Tuy nhiên gói đến dạng bó ngắn xem profile gáo đạt Y thẻ Nếu gói đến với tốc độ R nhỏ X gáo điền thêm (X - R) thẻ giây, dừng lại đạt Y thẻ Nếu gói đến với tốc độ R= X số thẻ gáo không đổi Khi tốc độ R > X thẻ khỏi gáo với tốc độ R- X Chỉ cần gáo thẻ gói xem Profile Nếu R lớn so với X, gáo rỗng gói đến xem nằm profile Trạng thái out profile tiếp diễn R giảm xuống nhỏ X (tại điểm gáo lại bắt đầu điền đầy thoát khỏi trạng thái rỗng) Một token packet xem điều luật bắt buộc để điều khiển tốc độ gói đến: số lượng gói đến điểm đo chu kì T phải nhỏ (T × X × Y) Có thể có nhiều token packet hoạt động đồng thời để đo gói đến Lúc ta phải sử dụng profile xếp lớp cho gói đến Các trường hợp xảy gói đến: • Nếu gáo có tồn thẻ tất gói đến in profile gói thẻ rút gói truyền bình thường • Nếu gáo thẻ, gáo khác có thẻ gói vào gáo không thẻ bị bắt giữ, gói đến gáo có thẻ bị đánh dấu trước truyền gói thông thường • Nếu tất gáo rỗng gói bị loại bỏ(bắt giữ) Tuy nhiên router đối xử gói bị đánh dấu gói loại hai có tắc nghẽn xảy mạng Có hai cách đối xử với gói bị đánh dấu này: cách thứ đánh giá thấp độ ưu tiên gói cách ấn định chúng vào hàng đợi khác trình đánh dấu Cách thứ hoán vị thuật toán quản lý hàng đợi để giữ cho độ chiếm giữ hàng đợi thấp Cách thứ thường gây tượng xếp lại hàng đợi lớp lưu lượng, hầu hết giao thức đầu cuối mạng TCP không xử lý hiệu tượng nên cách tốt sử dụng quản lý hàng đợi tích cực để 20 quản lý gói vào hàng đợi RED thuật toán quản lý hàng đợi tích cực cho phép quản lý hiệu trình gói vào hàng đợi Giảm chiếm giữ hàng đợi Chiếm giữ hàng đợi tượng gói tin lâu hàng đợi mà chưa xử lý Các gói tin chiếm giữ hàng đợi làm cho không gianhàng đợi bị thu hẹp lại có nhiều gói tin khác đến không đưa vào hàng đợi bị loại bỏ có tắc nghẽn xảy Độ chiếm giữ hàng đợi tăng tải cung cấp (tốc độ lưu lượng đến) vượt tốc độ lập lịch xử lý gói tin khỏi hàng đợi Và tốc độ hàng đợi đưa gói phụ thuộc nhiều vào cách lập lịch tác động ngược trở lại luồng lưu lượng từ hàng đợi khác để truy nhập tới đầu Độ chiếm giữ xem ảnh hưởng mức tắc nghẽn lên giao diện đầu hàng đợi Để giảm độ tắc nghẽn ta sử dụng số cách thức tránh tắc nghẽn trog số giao thức truyền tải tạo luồng lưu lượng qua hàng đợi Do trễ xảy trước giao thức truyền tải kịp tác động đến tắc nghẽn router, nên quản lý hàng đợi có hai khái niệm tắc nghẽn :  Tắc nghẽn suốt : xảy với chu kì ngắn thời gian xử lý giao thức điều khiển tắc nghẽn Tắc nghẽn xảy ngắn, liên quan tới lưu lượng dạng bó từ nhiều luồng Nhìn chung router không muốn loại bỏ gói từ bó lưu lượng phải thiết kế hàng đợi có kích thước cho bao trùm kích thước bó lưu lượng Điều khó thực kích thước bó lưu lượng thay đổi theo luồng lưu lượng đến có cách quản lý động kích thước hàng đợi phù hợp với kích thước bó lưu lượng Khi kích thước bó lưu lượng lớn kích thước hàng đợi trung bình tăng, lưu lượng đến dạng bó nhỏ kích thước hàng đợi trung bình giảm  Tắc nghẽn dài hạn : kết từ tốc độ trạng thái không đổi tất luồng chuyển qua hàng đợi Khi có tắc nghẽn mạng quản lý hàng đợi sử dụng chế phản hồi cho giao thức truyền tải để giữ cho trễ dài hạn giảm Về nguyên lý gửi phản hồi theo hai cách : + Đánh dấu gói nhóm + Loại bỏ gói 21 Để giảm độ chiếm giữ hàng đợi có hai cách thực : a Thông báo tắc nghẽn rõ ràng Mặc dù loại bỏ gói cách phù hợp với chế phản hồi, cách không tích cực việc loại bỏ gói gây lãng phí tài nguyên mạng sử dụng để truyền gói đến router trước nhận thấy có tắc nghẽn Do sử dụng thị tắc nghẽn để tránh lãng phí tài nguyên Một cách thức sử dụng thông báo tắc nghẽn rõ ràng (ECN) Hai bit không sử dụng CU trường DS thị bít truyền tải theo ECN (ECT) bit thể tắc nghẽn (CE) Phía gửi giao thức truyền tải thiết lập bit ECT biên giới gói tin phần kết thúc luồng hiểu bit CE Khi yêu cầu phản hồi điều khiển tắc nghẽn, bit CE bị từ chối Khi router dọc theo tuyến muốn gửi phản hồi điều khiển tắc nghẽn có hai tuỳ chọn sau :  Nếu bit ECT thiết lập, thiết lập bit CE  Nếu bit ECT thiết lập lại loại bỏ gói b Loại bỏ trước Trước định loại gói phải đặt câu hỏi nên loại bỏ gói để đơn giản việc quản lý không ảnh hưởng nhiều đến gói khác hàng đợi Từ vấn đề thấy đơn giản loại bỏ gói trước vào hàng đợi (gọi loại bỏ đuôi) Có cách tương tự loại bỏ trước (DFF), loại bỏ đầu hàng đợi Đôi loại bỏ trước thông báo sớm loại bỏ đuôi nhiên thời gian công đoạn xử lý gói đưa vào hàng đợi bị loại bỏ Phương pháp quản lý hàng đợi truyền thống Tail Drop Loại bỏ đuôi kĩ thuật truyền thống nhằm quản lý chiều dài hàng đợi router, thiết lập chiều dài hàng đợi lớn cho hàng đợi, chấp nhận gói đến đạt chiều dài lớn Các gói đến sau bị loại bỏ kích thước hàng đợi giảm xuống 22 Xác suất loại bỏ gói 100% max chiều dài hàng đợi Khi độ chiếm giữ hàng đợisuất nhỏloại hơnbỏ giácác trị gói lớn (max) gói đến Hình 9: Lược đồ xác Tail Drop từ luồng lưu lượng chấp nhận xếp hàng vào đệm chờ xử lý Khi độ chiếm giữ hàng đợi vượt giá trị max cho phép tất gói đến sau bị loại bỏ độ chiếm hàng đợi giảm Hàm xác suất loại bỏ gói tin : q < max buffer size q > max buffer size d(q) = Khi gói đến hàng đợi dạng bó, gói đến với tốc độ thay đổi λ (quá trình gói đến trình poisson) bó có B gói tin, phân bố mũ μ Các gói đệm hàng đợi có dạng chuỗi Markov có phân bố dừng π Cho kích thước hàng đợilà K, ta có công thức tính xác suất loại bỏ gói tail drop : PTD = π(K) +π(K-1)d(K-1) +… + π(1)d(1) Tail drop đơn giản, có hai điều hạn chế  Trong số trương hợp cho phép kết nối đơn vài kết nối độc quyền chiếm dụng không gian hàng đợi, ngăn cản kết nối khác đến hàng đợi Đây tượng chặn luồng từ kết nối khác (lock out) Hiện tượng lock out kêt ảnh hưởng đồng định thời lưu lượng 23  Tail drop cho phép hàng đợi trì trạng thái đầy chu kì thời gian dài kể từ lúc có thông báo tắc nghẽn tail drop xuất thông qua tượng gói hàng đợi bắt đầu đầy Điều quan trọng để giảm kích thước hàng đợi trạng thái không đổi quản lý hàng đợi Do gói đến hàng đợi dạng bó nên việc loại bỏ gói bó dễ gây loại đa gói Điều dẫn đến đồng toàn thể luồng Khi hàng đợi đầy có hai cách loại bỏ gói tin đến :  Loại bỏ hàng đợi: hàng đợi đầy mà có gói tin hàng đợi việc loại bỏ gói tin xảy ngẫu nhiên bên hàng đợi Một gói đến hàng đợi  Loại bỏ đầu hàng đợi : hàng đợi đầy mà có gói tin đến hàng đợi router loại bỏ gói tin nằm vị trí đầu hàng đợi Cả hai cách giải vấn đề lock out không giải vấn đề đầy hàng đợi Trong mạng Internet việc loại bỏ gói tin giống chế thông báo tắc nghẽn tới node đích Giải pháp cho vấn đề hàng đợi đầy router loại bỏ gói trước hàng đợi bắt đầu đầy, node cuối phản ứng lại với tắc nghẽn trước đệm tràn Quản lý hàng đợi thuật toán RED Thuật toán Khi có dấu hiệu tắc nghẽn xảy mạng, đệm router điền đầy router bắt đầu loại bỏ gói Đối với luồng lưu lượng TCP tín hiệu để bắt đầu pha khởi đầu chậm để giảm tải mạng làm dịu tắc nghẽn Có hai vấn đề nan giải mạng: thứ gói bị phải truyền lại, việc làm tăng tải mạng đồng thời phát sinh trễ luồng lưu lượng Một vấn đề thứ hai đồng toàn luồng Với lưu lượng dạng bó, hàng đợi điền đầy gói đến sau bị loại bỏ Kết kết nối nhiều kết nối TCP bị ảnh hưởng chyển sang chế độ khởi đầu chậm Việc có nhiều kết nối TCP chuyển sang chế độ khởi đầu chậm thời điểm thoát khỏi chế độ gây thêm bó lưu lượng lớn Một giải pháp cho việc có nhiều lưu lượng dạng bó đến router xây dựng đệm đủ lớn để đệm bó lưu lượng tránh việc phải loại bỏ gói Nhưng giải pháp không khả thi đệm lớn độ 24 trễ hàng đợi lớn, làm giảm chất lượng dịch vụ có nhiều bó lưu lượng lớn đến kích thước đệm không đủ lớn giữ tất lưu lượng này, điều dễ gây tắc nghẽn Một giải pháp tối ưu để giải tắc nghẽn thông báo cho luồng TCP thời điểm bắt đầu xảy tắc nghẽn để giảm tốc độ đến, cần thiết giảm tốc độ luồng khác Do trường hợp tắc nghẽn giảm tải lưu lượng TCP mạng mà không đồng toàn luồng Đây giải pháp thuật toán RED Thuật toán RED lần nghĩ Sally Floyd Van Jacobson cho chức quản lý hàng đợi tích cực (AQM), sau chuẩn hoá lại theo yêu cầu IETF RED có khả chống đồng toàn thể luồng TCP, trì khả thông qua cao độ trễ thấp với cách đối xử công qua đa kết nối TCP Mục đích thiết kế thuật toán RED • Tránh tắc nghẽn: RED thiết kế để tránh tắc nghẽn giải Do RED sử dụng để phát tắc nghẽn bắt đầu hình thành để trì mạng miền độ trễ thấp độ thông qua • Tránh đồng toàn cục: Khi có dấu hiệu tắc nghẽn xảy mạng, router phải định xem kết nối để gửi thông báo phản hồi Bằng việc phát sớm tắc nghẽn thông báo cho kết nối cần thiết tránh tượng đồng toàn thể luồng TCP • Đường biên kích thước hàng đợi trung bình: RED điều khiển kích thước hàng đợi trung bình điều khiển trễ hàng đợi RED (Random Early Detection- Phát sớm ngẫu nhiên) tính toán kích thước hàng đợi trung bình dựa dựa lọc thông thấp trung bình dịch chuyển có trọng số tăng theo hàm mũ (EWMA- Exponential Weighted Moving Average) Kích thước hàng đợi trung bình so sánh với hai giá trị ngưỡng: mức ngưỡng nhỏ mức ngưỡng lớn • Khi kích thước hàng đợi trung bình nhỏ mức ngưỡng nhỏ gói bị đánh dấu • Khi kích thước hàng đợi trung bình lớn mức ngưỡng tối đa cho cho phép tất gói đến bị đánh dấu Và thực tế gói bị loại bỏ Khi gói bị loại bỏ tất nguồn hợp tác với 25 kích thước hàng đợi trung bình không vượt giá trị ngưỡng tối đa cho phép • Khi kích thước hàng đợi trung bình nằm khoảng giá trị ngưỡng nhỏ giá trị ngưỡng lớn gói đến đánh dấu xác suất Pa , Pa hàm kích thước hàng đợi trung bình Tại thời điểm gói bị đánh dấu, xác suất gói bị đánh dấu phải tương xứng với băng thông chia sẻ kết nối router Guaranteed Drop Drop Probability Maxp Non-zero and Increasing likely-hood of Drop Drop=0 minth maxth 100% Average Occupacy Hình 10: Mối quan hệ xác suất loại bỏ gói kích thước hàng đợi trung bình trường hợp xem pha trình tránh tắc nghẽn: • Pha thứ nhất: hoạt động bình thường • Pha thứ hai : tránh tắc nghẽn • Pha tắc nghẽn: điều khiển tắc nghẽn Nhìn chung thuật toán RED chia thành phần riêng: • Phần 1: dùng để tính toán kích thước hàng đợi trung bình, định mức độ bó cho phép vào hàng đợi router Nó đưa mô tả chu kì hàng đợi rỗng (chu kì rỗi) cách đánh giá số lượng m gói nhỏ truyền suốt chu kì rỗi router Sau chu kì rỗi router lại tính toán kích thước hàng đợi trung bình thể m gói đến hàng đợi rỗng suốt chu kì 26 Độ chiếm giữ hàng đợi • Phần 2: sử dụng để tính toán xác suất đánh dấu gói sau định xem router đánh dấu gói có thường xuyên không, để đưa mức tắc nghẽn rõ ràng Mục đích đánh dấu gói cách đặn router tránh đồng toàn thể luồng TCP, tránh lệch điều khiển kích thước hàng đợi trung bình Độ chiếm giữ hàng đợi lớn xác suất loại bỏ gói cao, độ chiếm giữ hàng đợi gần giá trị max th xác suất loại bỏ gói dần tiến tới giá trị maxp Maxp Hình 11: Mô tả mối quan hệ maxp độ chiếm giữ hàng đợi Thuật toán chung cho router RED For gói đến Tính toán kích thước hàng đợi trung bình hàng đợi avg If minth ≤ avg < maxth Tính toán xác suất Pa với Pa xác suất đánh dấu gói đến; else if maxth ≤ avg Đánh dấu gói đến Else Chấp nhận gói đến hàng đợi; Khi kích thước hàng đợi nằm mức ngưỡng max, gói đến đánh dấu xác suất P a, chức kích thước hàng đợi trung bình Tại thời điểm có gói bị đánh dấu xác suất gói 27 bị đánh dấu từ kết nối điển hình tỉ lệ với băng thông chia sẻ kết nối router So sánh RED Tail Drop Thuật toán Tail Drop hoạt động đơn giản so với thuật toán RED Tail Drop chia sẻ luồng khác Không có sách gửi nhiều gói để nâng cao hiệu dịch vụ So sánh xác suất loại bỏ gói lưu lượng đầu vào dạng bó : Khi lưu lượng đầu vào dạng đầu vào dạng bó, trình gói đến dạng trình poisson có tốc độ đến λ bó đến có số lượng gói B Thời gian phục vụ có phân bố mũ μ-1 Tải cung cấp p = Bλ/μ Số lượng gói đệm hàng đợi có dạng chuỗi Markov với phân bố dừng π Hình 12: So sánh xác suất loại bỏ gói Tail Drop RED Ta thấy điều kiện tải cung cấp thấp xác suất loại bỏ gói RED cao so với Tail Drop, tải cung cấp tăng xác suất loại bỏ gói gần Thực chất Tail Drop đơn giản thuật toán RED So sánh độ trễ Lưu lượng đầu vào dạng bó có tốc độ λ, trình đến trình poisson Phân phối dừng hai phương pháp : Tail Drop : 28 p k (1 − p ) ΠTD(k) = − p 1+ k Với ∀ k= 0,….K RED : k −1 ΠRED(k) = p k ∑ (1 − d (l )) K ∑p k =0 l =0 k −1 k ∏ (1 − d (l )) Với ∀ k= 0,….K l =0 Ta thấy thuật toán RED có ưu điểm giảm trễ latency làm tăng jitter Trễ biến thiên RED, Tail Drop p tăng độ trễ tăng, nhiên trễ không biến thiên nhiều Tail Drop ưu tiên lưu lượng nên có luồng lưu lượng quan trọng đến hàng đợi mà kích thước hàng đợi vượt giá trị lớn gói bị loại bỏ Nó quản lý kích thước hàng đợi không linh hoạt thuật toán RED Khi đầu hàng đợi đầy, Tail Drop hoạt động, gói loại bỏ tắc nghẽn đánh giá lại kích thước hàng đợi giảm xuống Còn RED tránh ảnh hưởng xấu Tail Drop phiên TCP tắc nghẽn bị tạo đa luồng TCP tích cực Hình 13: Hàm phân bố dừng Tail Drop RED với p=2 29 KẾT LUẬN Bài báo cáo nêu lên tầm quan trọng thuật toán quản lý hàng đợi, bao gồm thuật toán quản lý hàng đợi thuật toán Tail Drop, thuật toán RED Mỗi thuật có ưu điểm nhược điểm riêng, phù hợp với tham số lưu lượng khác nên sử dụng thuật toán cần tìm hiểu kĩ đặc điểm loại lưu lượng để việc sử dụng đạt hiệu Nhìn chung thuật toán thuật toán RED có ưu điểm Điều thể việc thuật toán RED tính toán thay đổi kích thước hàng đợi để loại bỏ gói phát tắc nghẽn 30 [...]... các giao thức đầu cuối trong mạng TCP không xử lý hiệu quả được hiện tượng này nên cách tốt nhất là sử dụng quản lý hàng đợi tích cực để 20 quản lý các gói đi vào trong hàng đợi RED là một thuật toán quản lý hàng đợi tích cực cho phép quản lý hiệu quả quá trình các gói đi vào trong hàng đợi 2 Giảm chiếm giữ hàng đợi Chiếm giữ hàng đợi là hiện tượng các gói tin ở lâu trong hàng đợi mà chưa được xử lý. .. thường, và thấp Luồng dữ liệu đi vào Hàng đợi PQ1 Hàng đợi PQ2 Phân loại gói tin Hàng đợi PQ3 Cổng ra Hàng đợi PQ N IP Router Hình 5: Hàng đợi PQ Nếu hàng đợi ưu tiên cao luôn có một gói đang chờ, bộ lập lịch luôn luôn lấy các gói trong hàng đợi ưu tiên cao Nếu hàng đợi ưu tiên cao không có gói nào đang chờ nhưng có trong hàng đơi ưu tiên trung bình, một gói trong hàng đợi này sẽ được lấy và tiến... và RED với p=2 29 KẾT LUẬN Bài báo cáo nêu lên tầm quan trọng và các thuật toán quản lý hàng đợi, bao gồm các thuật toán quản lý hàng đợi như thuật toán Tail Drop, thuật toán RED Mỗi thuật có các ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với các tham số lưu lượng khác nhau nên khi sử dụng các thuật toán cần tìm hiểu kĩ về các đặc điểm của từng loại lưu lượng để việc sử dụng đạt hiệu quả Nhìn chung các thuật. .. loại gói tin Cổng ra Hàng đợi FIFO Bộ lập lịch IP Router Hình 4: Hàng đợi FIFO Hàng đợi FIFO sử dụng kỹ thuật hủy gói cuối hàng đợi để quyết định khi nào bỏ gói hay cho gói vào hàng đợi Nếu cấu hình một hàng đợi dài hơn, nhiều gói có thể đặt trong hàng đợi, nghĩa là hàng đợi ít khả năng đầy Nếu không gian hàng đơi còn trống nhiều thì gói ít bị mất Tuy vậy, với một hàng đợi dài, độ trễ và độ biến động trễ... mất gói khi hàng đợi bắt đầu đầy Điều này rất quan trọng để giảm kích thước hàng đợi ở trạng thái không đổi trong quản lý hàng đợi Do các gói đến hàng đợi dưới dạng bó nên việc loại bỏ gói trong một bó dễ gây ra loại đa gói Điều này có thể dẫn đến đồng bộ trên toàn thể luồng Khi hàng đợi đầy có hai cách loại bỏ gói tin đến :  Loại bỏ trong hàng đợi: nếu hàng đợi đầy mà có các gói tin hàng đợi thì việc... 30 %; 15 4 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...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 cùng một lớp Một bộ định tuyến hay bộ chuyển mạch cần các hàng đợi xuất để giữ các gói trong khi chờ bộ giao tiếp sẵn sàng gửi gói Trong khi các công cụ hàng đợi khác thể hiện các tính năng khác, như sắp xếp trật tự các gói, hàng đợi FIFO chỉ cung cấp một ý nghĩa giữ các. .. Phương pháp quản lý hàng đợi truyền thống Tail Drop Loại bỏ đuôi là kĩ thuật truyền thống nhằm quản lý chiều dài hàng đợi của router, thiết lập chiều dài hàng đợi lớn nhất cho mỗi hàng đợi, chấp nhận các gói đến cho tới khi đạt được chiều dài lớn nhất Các gói đến sau sẽ bị loại bỏ cho tới khi kích thước hàng đợi giảm xuống 22 Xác suất loại bỏ gói 100% 0 max chiều dài hàng đợi Khi độ chiếm giữ hàng đợisuất... bị đánh dấu như các gói loại hai khi có tắc nghẽn xảy ra trong mạng Có hai cách đối xử với các gói bị đánh dấu này: cách thứ nhất đánh giá thấp độ ưu tiên của gói bằng cách ấn định chúng vào các hàng đợi khác nhau trên quá trình đánh dấu Cách thứ 2 hoán vị thuật toán quản lý hàng đợi để giữ cho độ chiếm giữ hàng đợi thấp Cách thứ nhất thường gây ra hiện tượng sắp xếp lại trong hàng đợi của cùng một... NetMeeting, 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 nhận 1/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