Nghiên cứu thuật toán quản lý hàng đợi mới cho mạng IP

Cấu trúc CQS

Việc phân loại gói tin có hiệu lực do được hỗ trợ bởi một số tính năng khác của các dịch vụ mạng Internet: điều khiển truy cập, phân biệt dịch vụ, cân bằng tải, định dạng lưu lượng…Mỗi dịch vụ yêu cầu các thiết bị Internet phải phân loại các gói vào trong các luồng khác nhau và thực hiện các hành động phù hợp với các gói trong các luồng đó. Tại đây các gói sẽ được phân loại dựa theo thông tin trong các trường đã nêu phần trước để thực hiện các xử lý phù hợp: như định hướng các gói tới chặng tiếp theo, bắt giữ, hay dánh dấu các gói để trong trường hợp có xảy ra tắc nghẽn thì sẽ loại bỏ các gói có độ ưu tiên thấp hơn. Bộ lập lịch chỉ xử lý các hàng đợi có độ ưu tiên cao, còn lại là “bỏ đói” các hàng đợi có độ ưu tiên thấp, nó gây lãng phí băng thông và tạo ra trễ lớn cho các lưu lượng có độ ưu tiên thấp do các hàng đợi có độ ưu tiên thấp phải chờ đợi để tới lượt mình thì mới được truyền.

Hoạt động của cỏc router biờn và router lừi trong mạng

Để cung cấp được các ứng dụng thoả mãn được các yêu cầu của khách hàng về chất lượng dịch vụ thì việc đầu tiên phải hiểu và cung cấp được đặc trưng cho các thành phần trong mạng và các kết nối của nó một cách tự động, cùng với các thông tin ứng dụng và sự vận hành của người sử dụng trong mạng. Các thành phần trong mạng có thể kể đến là các bộ giám sát, các router (router biờn và router lừi), …Tiến trỡnh giỏm sỏt cỏc sự kiện khỏc nhau trong mạng vớ dụ như cảnh báo khi có một hệ thống mạng bị lỗi hay khi có quá nhiều gói đến vượt quá khả năng cho phép của router. Có rất nhiều thế hệ router mới ra đời cho phép xử lý các lường lưu lượng đa dạng nhanh hơn và đảm bảo chấ lượng dịch vụ tốt hơn.Việc thiết kế phân phối lưu lượng và điều khiển luồng và cung cấp các tính năng mạng để thoả mãn các yêu cầu về dữ liệu và lưu lượng đa phương tiện trong các loại ứng dụng khác nhau.

Tổng kết chương

• Các router biên được thiết kế để phát hiện và điều chỉnh các luồng không thuận lợi gây ra các hiệu năng thấp cho các luồng tương thích như TCP (những luồng được đối xử lại trong suốt thời điểm tắc nghẽn). Các router biên đầu vào sẽ nhân bản thông tin tắc nghẽn tới các router đầu của miền mạng luồng hướng lên trước đó để giảm sự lãng phí tài nguyên tại mạng đường xuống để từ chối không nhận các gói. Các router biên mở rộng và tương thích được sử dụng để cung cấp khả năng thông qua cao, độ trễ thấp và độ mất gói cho các ứng dụng đa phương tiện hiện hành như IP Telephony, phân phối các dịch vụ media thông qua Internet.

Các kĩ thuật hàng đợi

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. 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. Ngoài ra WFQ có thể làm việc với RSVP (giao thức đặt trước tài nguyên) để xây dựng nên các cấu trúc dịch vụ tích hợp (kiến trúc được thiết kế để đảm bảo băng thông mạng từ đầu cuối đến đầu cuối trong mạng IP), hay liên kết với các lược đồ thông báo tắc nghẽn Frame Relay bằng việc chỉnh sửa các trọng số của hàng đợi để đáp ứng cho các thông báo tắc nghẽn thuận(FECN) và thông báo tắc nghẽn ngược (BECN), và một chút để xây dựng kiến trúc dịch vụ phân biệt sử dụng các bít IP Precedence.

Các kĩ thuật liên quan tới hàng đợi

Mỗi lớp lưu lượng đều có một giới hạn các cách xử sự trước khi đi vào mạng như giới hạn tốc độ các gói vào mạng như thế nào, số lượng các gói đến trong các khoảng thời gian lý thuyết (được biết đến như một Profile). Cách thứ nhất thường gây ra hiện tượng sắp xếp lại trong hàng đợi của cùng một lớp lưu lượng, hầu hết 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 quản lý các gói đi vào trong hàng đợi. Mặc dù loại bỏ các gói là cách phù hợp với cơ chế phản hồi, nhưng cách này không tích cực do việc loại bỏ các gói sẽ gây ra lãng phí tài nguyên mạng sử dụng để truyền được gói đến router trước khi nhận thấy có tắc nghẽn.

Các phương pháp quản lý hàng đợi

Nhưng giải pháp này không khả thi bộ đệm càng lớn thì độ trễ hàng đợi càng lớn, làm giảm chất lượng dịch vụ và nếu có quá nhiều bó lưu lượng lớn đến kế tiếp nhau thì kích thước bộ đệm không đủ lớn giữ được tất cả các lưu lượng này, điều này dễ gây ra tắc nghẽn. Mục tiêu chính của RED là phối hợp giữa trung bình hoá chiều dài của hàng đợi (cung cấp lưu lượng dạng bó) và thông báo tắc nghẽn sớm (giảm kích thước hàng đợi trung bình) để đạt được trễ hàng đợi trung bình thấp và độ thông qua cao. Ta thấy khi kết nối xảy ra tức nghẽn nhẹ hay giá trị maxp cao thì kích thước hàng đợi trung bình sẽ gần giá trị minth, còn khi kết nối bị tắc nghẽn nặng, hay giá trị maxp thấp thì kích thước trung bình hàng đợi gần bằng hoặc lớn hơn maxth.

Ví dụ WRED sử dụng kích thước hàng đợi trung bình tổng cho tất cả precedence trong khi RIO-DC (RIO decoupled) tính toán xác suất mất gói của precedence j như một chức năng của số lượng trung bình các gói có cùng một Precedence. Tính năng này có thể rất hữu ích đối với việc cung cấp các dịch vụ phân biệt: cấu hình các router trong nhóm các trễ, trọng số QoS cú liờn quan trực tiếp tới việc định rừ dịch vụ và cỏc yờu cầu khỏch hàng nờn nú sẽ đơn giản nhóm các tham số như các mức ngưỡng hàng đợi, xác suất loại bỏ các gói, trọng số trung bình.

So sánh các kĩ thuật quản lý bộ đệm

Do có kích thước bộ đệm nhỏ hơn nên Blue có trễ đầu cuối qua mạng nhỏ hơn so với sử dụng thuâtk toán RED, do đó nó cải thiện được nhược điểm của thuật toán điều khiển tắc nghẽn. Thêm vào đó các yêu cầu kích thước bộ đệm nhỏ hơn cho phép có nhiều bộ nhớ hưon để phân phối cho các gói có độ ưu tiên cao và giải phóng bộ nhớ trong router để cho các chức năng khác như : lưu trữ các bảng định tuyến lớn. Do thuật toán ARED quản lý kích thước trung bình của hàng đợi dựa trên việc tương thích giá trị maxp sao cho kích thước trung bình hàng đợi thay đổi trong khoảng minth và maxth nên khắc phục được sự phụ thuộc của trễ hàng đợi và khả năng thông qua của hàng đợi vào các tham số và tải lưu lượng.

Tổng kết chương

Một vấn đề quan trọng trong quản lý hàng đợi bằng thuật toán Blue là điều khiển tắc nghẽn có thể được thể hiện bởi kích thước hàng đợi nhỏ nhất.  RED quản lý hàng đợi dựa trên kích trước trung bình của hàng đợi nên kích thước trung bình hàng đợi thay đổi theo các mức tắc nghẽn và quá trình thiết lập các tham số. Ở chương này đề cập tới một số thuật toán đó : WRED, RIO, ARED….Có sự so sánh giữa các thuật toán này để tìm ra thuật toán tối ưu nhất trong việc quản lý hàng đợi trong điều khiển tắc nghẽn.