Ta ựã thảo luận về các hiệu ứng nghẽn trong mạng ảnh hưởng ựến thông lượng. đểtổng quát ựiều này, Hình 5-10 mô tả ảnh hưởng nghẽn ựến các tham số tổng quan. Khi tải trên mạng tăng ựến vùng nghẽn trung bình thì ựộ trễ hàng ựợi ở các node tăng làm tăng trễ ựầu cuối ựến ựầu cuối và giảm thông lượng. Khi ựạt tới ựiểm nghẽn nghiêm trọng thì ựáp ứng hàng ựợi tăng ựến mức nguy hiểm làm trễ tăng nhanh và giảm mạnh thông lượng.
Rõ ràng các sự kiện thảm khốc phải ựược ngăn ngừa, ựó chắnh là nhiệm vụ của ựiều khiển tắc nghẽn. đối tượng của tất cả các kỹ thuật ựiều khiển tắc nghẽn là giới hạn các kắch thước hàng ựợi ở các bộ kiểm soát khung ựể tránh thông lượng suy sụp. Nội dung phần này là tổng quan các kỹ thuật ựiều khiển tắc nghẽn ựược xây dựng ựể hỗ trợ chuẩn hóa frame relay.
Hình 5-10 Các ảnh hưởng của nghẽn.
Các phương pháp ựiều khiển tắc nghẽn cho frame relay
Khuyến nghị ITU-T I.370 ựịnh nghĩa các mục tiêu ựiều khiển tắc nghẽn như sau:
Ớ Tối thiểu hóa việc hủy khung.
Ớ Duy trì chất lượng dịch vụ với xác suất cao vào phương sai bé.
Ớ Tối thiểu hóa xác suất mà một user có thể ựộc quyền tài nguyên mạng.
Ớ đơn giản hóa thực hiện, thông tin dẫn ựường ắt trên các user hoặc mạng.
Ớ Tạo lưu lượng bổ sung mạng tối thiểu.
Ớ Phân bố tài nguyên mạng công bằng giữa các user.
Ớ Giới hạn lan tràn nghẽn ựến một nơi hay thành phần khác trong mạng.
Ớ Hoạt ựộng ắt liên quan ựền luồng lưu lượng theo các hướng khác nhau của user.
Không nghẽn Nghẽn trung bình Nghẽn nghiêm trọng
Tải yêu cầu
T h ô n g l ư ợ n g / T rễ Trễ Thông lượng B A A B Quản lý nghẽn Tránh nghẽn Giải phóng nghẽn
Ớ Tương tác tối thiểu hoặc nhỏ gọn trên các hệ thống khác trong mạng frame relay.
Ớ Tối thiểu hóa phương sai chấtlượng dịch vụ phân phối ựến các nối kết riêng trong thời gian nghẽn.
điều khiển tắc nghẽn là một ựặc tắnh nhạy cảm cho một mạng frame relay bởi vì các công cụ giới hạn sẵn sàng trong các bộ kiểm soát khung. Phương thức frame relay ựược liên tục ựể tối ựa hóa thông lượng và hiệu quả, nghĩa là, bộ kiểm soát khung không ựiều khiển luồng cho các khung ựưa ựến từ thuê bao hoặc bộ kiểm soát khung lân cận sử dụng phương thức cửa sổ trượt như trong LAPD.
điều khiển tắc nghẽn là sự kết hợp phù hợp của mạng và các user. Mạng (tập hợp các bộ kiểm soát khung) ựóng vai trò tốt nhất ựể quản lý ựộ nghẽn trong khi ựó, user ựóng vai trò tốt nhất ựể giới hạn luồng lưu lượng.
Bảng 5.3 liệt kê các kỹ thuật ựiều khiển tắc nghẽn trong các tài liệu của ITU-T và ANSI. Phương án hủy giải quyết hầu hết các ựáp ứng nghẽn cơ bản. Khi nghẽn dủ lớn thì mạng buột phải hủy khung và cách này cũng tiến hành một cách công bằng cho tấtcả các user.
Các thủ tục tránh tắc nghẽn ựược sử dụng khi nghẽn bắt ựầu ựể tối thiểu hóa ảnh hưởng của nghẽn.Như vậy, các thủ tục này ựược bắt ựầu ngay trước ựiểm A trong Hình 5-10 ựể ngăn ngừa nghẽn tiến tới ựiểm B. Gần ựiểm A, hiển nhiên cho phép các user mà hoạt ựộng khi tải tăng. Như vậy, phải có một vài cơ chế báo hiệu tường minh từ mạng mà sẽ kắch khởi hành ựộng tránh nghẽn.
Các thủ tục giải phóng nghẽn ựược sử dụng ựể ngăn mạng sụp ựổ khi nghẽn nghiêm trọng. Các thủ tục này khởi tạo khi mạng bắt ựầu ựánh rơi các khung do nghẽn. Việc ựánh rơi các khung như vậy sẽ ựược báo cáo lại với phần mềm lớp cao hơn (vắ dụ giao thức ựiều khiển LAPF) và hoạt ựộng như một cơ chế bào hiệu ngầm ựịnh. Các thủ tục giải phóng nghẽn hoạt ựộng xung quanh ựiểm B trong vùng nghẽn nghiêm trọng như trong Hình 5-10.
ITU-T và ANSI xem việc tránh nghẽn với báo hiệu tường minh và giải phóng nghẽn với báo hiệu ngầm ựịnh ựể bổ sung các dạng ựiều khiển tắc nghẽn trong dịch vụ vật mang kiểu khung.
Quản lý tốc ựộ lưu lượng
Mạng frame relay phải hủy các khung ựể hạn chế tắc nghẽn. Bởi vì, mỗi bộ kiểm soát khung trong mạng có bộ nhớ giới hạn dùng làm hàng ựợi cho các khung và hàng ựợi này có thể tràn, vậy, việc hủy khung ựưa ựến gần nhất hay các khung khác nữa là ựiều cần thiết.
Cách ựơn giản ựể hạn chế tắc nghẽn là mạng frame relay hủy khung bất kỳ mà không xét ựến nguồn của khung. Trong trường hợp này, do không có phản hồi ựể truyền lại nên phương án tốt nhất cho hệ thống ựầu cuối là truyền các khung ngay khi có thể và ựiều này tất nhiên lại làm tăng thêm nghẽn.
để cung cấp việc ấn ựịnh tài nguyên cân bằng, dịch vụ vật mang frame relay bao gồm nội dung của tốc ựộ thông tin cam kết CIR (Committed Information Rate). đây là một tốc ựộ, ựơn vị bit/s, mà mạng ựồng ý hỗ trợ cho nối kết kiểu khung nào ựó. Mọi dữ liệu ựược truyền vượt qua tốc ựộ thông tin cam kết có thể nguy hiểm và gây nghẽn. Mặc dù sử dụng thuật ngữ Ộcam kếtỢ, nhưng ởựây không ựảm bảo rằng CIR là thỏa mãn. Trong trường hợp nghẽn nặng thì mạng có thể hỗ trợ cho dịch vụ ở tốc ựộ nhỏ hơn CIR với nối kết ựã cho. Tuy nhiên, khi ựến thời ựiểm hủy khung thì mạng sẽ chọn hủy các khung trên các nối kết vượt CIR trước khi hủy các khung dưới CIR.
Hình 5-11 Hoạt ựộng của CIR.
Theo lý thuyết, mỗi node frame relay sẽ quản lý user của nó ựể thỏa thuận các CIR của tất cả các nối kết của tất cả các hệ thống kết cuối gắn với nó không vượt quá khả anưng của node. Ngoài ra, sự thỏa thuận của các CIR không vượt qua tốc ựộ dữ liệu vật lý trên giao tiếp người sử dụng và mạng gọi là tốc ựộ truy cập. Giới hạn này có thể ựược phát biểu như sau:
Truyền nếu có thể Hủy mọi khung vượt Truyền dẫn ựược ựảm bảo Tốc ựộ tối ựa CIR Tốc ựộ hiện tại
j i j i AccessRate CIR ≤ ∑ ,
Trong ựó, CIRi,j là tốc ựộ thông tin cam kết cho nối kết i trên kênh j và AccessRatej là tốc ựộ dữ liệu của user truy cập kênh j (D, B hay kênh H).
Việc xem xét dung lượng node sẽ chọn ựuợc các giá trị CIR.
Với các nối kết frame relay vĩnh viễn, CIR cho mỗi nối kết phải ựược thiết lập ở thời ựiểm nối kết ựược thực hiện giữa người sử dụng và mạng. Với các nối kết chuyển mạch thì tham số CIR ựược thỏa thuận, ựiều này hoàn tất khi kết thúc giai ựọan thiết lập giao thức ựiều khiển cuộc gọi.
CIR cung cấp cách thức ựúng ựắn trong xác ựịnh các khung bị hủy khi nghẽn. điều này ựược thực hiện bởi bit có thể hủy DE (Discard elibility) trong khung LAPF (Hình 5-7). Bộ kiểm soát khung tiến hành ựo tốc ựộ các trạm nối ựến nó (Hình 5-11). Nếu người sử dụng gởi dữ liệu nhỏ hơn CIR thì các khung ựưa ựến không biến ựổi DE. Nếu tốc ựộ vượt qua CIR thì bộ kiểm soát khung sẽ thiết lập bit DE trên những khung vượt và chuyển chúng ựi, các khung này có thể ựược thông qua hoặc có thể bị hủy nếu nghẽn ựược phát hiệnn. Cuối cùng, tốc ựộ tối ựa ựược ựịnh nghĩa ựể những khung vượt qua tốc ựộ này thì sẽ bị hủy trong bộ kiểm soát khung.
CIR tự nó không cung cấp việc giải quyết linh hoạt với các tốc ựộ lưu lượng. Trong thực tế, bộ kiểm soát khung ựo lưu lượng qua mỗi nối kết logic trong khoảng thời gian nhất ựịnh của nối kết và sau ựó tiến hành quyết ựịnh dựa trên lượng dữ liệu nhận ựược trong khoảng thời gian này. Hai tham số bổ sung ựược gán trong nối kết vĩnh viễn và thỏa thuận trên các nối kết chuyển mạch là cần thiết. đó là:
Bc (Committed Burst Size): Là lượng dữ liệu tối ựa mà mạng chấp nhận truyền trong ựiều kiện thông thường qua khoảng thời gian ựo ựược T. Dữ liệu này có thể hoặc không liên tục (nghĩa là xuất hiện trong một hoặc nhiều khung liên tục nhau).
Be (Exess Burst Size): Là lượng dữ liệu tối ựa vượt qua Bc mà mạng vẫn cố gắng thủ tuyền dưới ựiều kiện thông thường qua khoảngthời gian ựo ựược T. Dữ liệu này là không ựược cam kết và mạng không ựảm bảo phân bố trong ựiều kiện thông thường. Nói cách khác, dữ liệu ựược ựại diện bởi Be sẽ có xác suất truyền tốt thấp hơn dữ liệu ựược ựại diện bởi Bc.
Bc và CIR có mối quan hệ với nhau.Bởi vì Bc là lượng dữ liệu cam kết mà có thể ựược truyền bởi user trong thời gian T và CIR là tốc ựộ của dữ liệu cam kết này nên ta có:
CIR B
T = c
Hình 5-12 dựa trên ITU-T I.370 mô tả mối quan hệ giữa các tham số này. Trên mỗi ựồ thị, ựường ựậm nét mô tả số bit thông tin ựược truyền qua nối kết ựã cho. đường nét mảnh với nhãn Access rate biểu diễn tốc ựộ dữ liệu trên kênh truyền của nối kết và ựường có nhãn CIR ựại diện tốc ựộ thông tin cam kết ựược ựo qua khoảng thời gian T. Chú ý rằng khi khung ựược truyền thì ựường nét ựậm song song với ựường Access rate, khi khung truyền trên một kênh thì kênh này ựược ấn ựịnh ựể truyền cho khung ựó. Khi không có khung ựược truyền thì ựường nét ựậm nằm ngang.
Phần a của hình vẽ vắ dụ 3 khung ựược truyền trong một khoảng thời gian T và tổng số bit trong 3 khung này nhỏ hơn Bc. Chú ý rằng trong thời gian truyền khung ựầu, ta ựã vượt CIR nhưng các bộ kiểm soát khung chỉ xét tổng bit truyền trong khoảng thời gian nên khung này vẫn không ựánh dấu DE=1. Phần b vắ dụ tương tụ nhưng trong khoảng
thời gian này, ta truyền 4 khung. Vì tổng bit truyền trong khoảng thời gian T ựã vượt Bc nên bit DE của khung thứ 4 ựược lập bằng 1. Tương tự, với phần c vủa hình vẽ, 4 khung này truyền với tổng bit vượt qua Bc+Be nên khung thứ tư bị hủy, khung thứ 3 vượt qua Bc nên khung này có DE=1.
Hình 5-12 Mô tả mối quan hệ giữa các tham số tắc nghẽn.
Sơ ựồ này là vắ dụ của thuật tóan gáo rò và cơ chế thực hiện ựược mô tả trong Hình 5-13. Bộ kiểm soát gói tắnh tổng dữ liệu ựược truyền qua nối kết bởi bộ ựếm C. Bộ ựếm giảm khi ựạt tốc ựộ Bc bits trong ựơn vị thời gian T. Tất nhiên, bộ ựếm là không ựược phép âm nên giá trị thực giảm cho C là Min{C, Bc}cho mỗi khoảng T. Khi giá trị bộ ựếm vượt Bc nhưng nhỏ hơn Bc+Be thì dữ liệu ựến vượt kắch thước burst cam kết và ựược chuyển ựi với bit DE ựược lập. Nếu bộ ựếm ựạt giá trị Bc+Be thì tất cả dữ liệu ựến ựều bị hủy cho ựến khi bộ ựếm giảm xuống.
t CIR Access rate Vùng DE=0 Vùng DE=1 Vùng DE=1 và hủy khung Bc Bc + Be S ố b it ự ư ợ c tr u y ền t
Frame1 Frame2 Frame3 DE=0 DE=0 DE=0
0 CIR Bc Bc + Be S ố b it ự ư ợ c tr u y ền
Frame1 Frame2 Frame3 Frame4 DE=0 DE=0 DE=0 DE=1
0
A, Tất cả các khung truyền dưới CIR B, Một khung ựánh dấu DE=1
CIR Access rate Vùng DE=0 Vùng DE=1 Vùng DE=1 và hủy khung Bc Bc + Be S ố b it ự ư ợ c tr u y ền t
Frame1 Frame2 Frame3 Frame4 DE=0 DE=0 DE=1 Hủy
0
C, Một khung ựánh dấu DE=1 và một khung hủy
T T T Access rate Vùng DE=1 và hủy khung Vùng DE=0 Vùng DE=1
Tránh nghẽn với báo hiệu tường minh
Tránh nghẽn muốn sử dụng dung lượng trong mạng frame relay nhưng ở trong vùng nghẽn nhẹ dưới sự ựiều khiển công bằng ựể ngăn chặn mức ựộ lan truyền của nghẽn. Trong hoạt ựộng tránh nghẽn tường minh thì mạng cảnh báo cho các hệ thống ựầu cuối về sự phát triển của nghẽn trong mạng và các hệ thống cuối tiến hành từng bước giảm tải cung cấp cho mạng.
Hình 5-13 Thuật toán gáo rò.
Hai phương án ựề xuất cho việc tránh nghẽn tường minh: Một nhóm cho rằng nghẽn luôn xuất hiện chậm và hầu hết luôn ở trong các node biên của mạng. Nhóm khác lại cho rằng nghẽn phát triển rất nhanh và trong các node trung tâm và yêu cầu nhanh, ựòi hỏi tác ựộng dứt khoát ựể ngừa nghẽn mạng. Ta sẽ thấy rằng hai phương án này ựược phản ánh trong tránh nghẽn tường minh hướng ựi và hướng về.
Với báo hiệu tường minh, hai bit trong trường ựịa chỉ mỗi khung ựược cung cấp. Mỗi bit có thể ựược lập bởi bất kỳ bộ kiểm soát khung nào phát hiện nghẽn. Nếu kiểm soát khung nhận một khung với cả hai bit ựều lập thì nó không ựược xóa các bit trước khi chuyển ựi. Nhưvậy, các bits vẫn tiếp tục báo hiệu từ mạng ựến các user. Hai bit ựó là:
Ớ Thông báo nghẽn tường minh hướng về BECN (Backward explicit
congestion notìication). Thông báo cho user rằng các thủ tục tránh nghẽn nên ựược khởi tạo cho lưu lượng ở hướng ngược với chiều nhận khung. Thông báo chỉ thị rằng các khung ựược truyền bởi user này trên nối kết logic có thể gặp nghẽn.
Ớ Thông báo nghẽn tường minh hướng ựi FECN (Forward explicit
congestion notìication). Thông báo cho user rằng các thủ tục tránh nghẽn nên ựược khởi tạo cho lưu lượng cùng hường nhận khung. Thông báo chỉ thị rằng các khung ựược truyền bởi user này trên nối kết logic ựã gặp nghẽn.
Bay giờ, ta sẽ xem các bit này ựược sử dụng trong mạng và user như thế nào. Trước tiên, với ựáp ứng mạng thì nó là cần thiết cho mỗi bộ kiểm soát khung ựể giám sát hành vi hàng ựợi. Nếu chiều dài hàng ựợi bắt ựầu tăng ựếnmức nguy hiểm thì FECN hoặc BECN hoặc cả hai sẽ ựược lập ựể giảm luồng khung qua bộ kiểm soát này. Việc chọn FECN hay BECN có thể ựược xác ựịnh bởi có user trên nối kết logic là sẵn sàng ựáp ứng
Be kắch thước vượt burst (Lập DE và chuyển tiếp) Bc kắch thước burst cam kết (Chuyển tiếp) Giới hạn C ở ngưỡng Bc+Be , huỷ mọi dữ liệu ựưa ựến khi C ựạt
ngưỡng này C ựếm, C tăng theo dữ liệu ựưa
ựến
Giảm C một lượng min{C, Bc} sau thời gian T
ựến bit này hoặc bit kia hay không, ựiều này có thể xácựịnh ở thời ựiểm cấu hình.trong nhiều trường hợp, bộ kiểm soát khug có một vài sự chọn lựa các nối kết logic cần cảnh báo nghẽn. Nếu nghẽn trở nên rất nghiêm trọng thì tất cả các nối kết qua bộ kiểm soát khung ựều có thể ựược cảnh báo. Trong những tầng gần nghẽn thì bộ kiểm soát khung phải thông báo cho các user cho các nối kết sinh ra lưu lượng nhiều nhất.
Bộ kiểm soát khung giám sát chiều dài mỗi hàng ựợi của nó. Chu kỳ bắt ựầu khi ngõ ra là rỗi (hàng ựợi rỗng) ựến khi bận (kắch thước hàng ựợi khác 0, bao gồm khung hiện hành). Kắch thước hàng ựợi trung bình trong chu kỳ trước và chu kỳ hiện hành ựược tắnh. Nếu kắch thước trung bình vượt giá trị ngưỡng thì ngõ này ựang ở trạng thái chớm nghẽn và các bit tránh nghẽn nên ựược lập cho một số nốio kết logic sử dụng ngõ này. Bằng việc tắnh trung bình qua hai chu kỳ thay vì giám sát chu kỳ hiện hành, hệ thống phản ứng ổn ựịnh hơn với các gợn nhất thời mà không cần thiết phải thực hiện các thủ tục tránh nghẽn.
Chiều dài hàng ựợ trung bình có thể ựược tắnh bằng việc xác ựịnh một vùng (tắch của kắch thước hàng ựợi với thời gian) qua hai chu kỳ chi cho thời gian của hai chu kỳ. Thuật tóan này ựược mô tả như sau:
t: thời gian hiện hành
ti thời ựiểm sự kiện thứ i ựến hoặc ựi. qi: số khung trong hệ thống sau sự kiện i. T0: thời ựiểm bắt ựầu chu kỳ trước. TI thời ựiểm bắt ựầu chu kỳ hiện hành. Thuật toán bao gồm 3 thành phần:
1. Cập nhật chiều dài hàng ựợi: Bắt ựầu với q0:=0
Nếu sự kiện thứ i là sự kiện ựến thì qi:=qi-1+1. Nếu sự kiện thứ i là sự kiện ựến thì qi:=qi-1-1.
2. Cập nhật vùng ựợi:
Vùng ựợi của chu kỳ trước =
[ ) ) ( 1 , 1 0 − ∈ − − ∑ i i T T t i t t q I i Vùng ựợi chu kỳ hiện hành =
[ ) ) ( 1 , 1 1 − ∈ − − ∑ i i t T t i t t q i
3. Cập nhật chiều dài hàng ựợi trung bình:
Chiều dài hàng ựợi trung bình qua hai chu kỳ:= thời gian của hai chu kỳvùng ựợi hai chu kỳ =vùng ựợi của hai chu kỳ t-T