Thuật toán lập lịch hàng đợi công bằng có trọng số (WFQ - Weighted Fair Queuing) hỗ trợ các dòng có các yêu cầu băng thông khác nhau bằng cách gán cho mỗi hàng đợi một trọng số “weight” với tỷ lệ băng thông đầu ra khác nhau. Thuật toán WFQ là cơ sở để một loạt các phương pháp lập lịch được thiết kế để giải quyết các hạn chế của thuật toán FQ.
WFQ hỗ trợ các gói tin có chiều dài thay đổi, vì vậy các dòng có các gói tin lớn hơn không được phân bổ nhiều băng thông hơn so với các dòng có các gói tin nhỏ hơn. Do hỗ trợ việc phân bổ hợp lí băng thông khi chuyển tiếp, các gói tin có độ dài thay đổi làm tăng độ phức tạp tính toán của thuật toán lập lịch. Đây là lý do chính mà thuật toán lập lịch hàng đợi dễ dàng thực hiện hơn khi các gói tin có chiều dài cố định.
Thuật toán WFQ tương tự như thuật toánRound-Robin dựa theo trọng số của từng bit, trong đó, các bit riêng lẻ từ các gói tin ở đầu mỗi hàng đợi được truyền đi theo phương pháp WRR. Phương pháp này hỗ trợ việc phân bổ hợp lý băng thông, vì nó sử dụng chiều dài thực tế của gói tin. Kết quả, tại thời điểm bất kỳ, mỗi hàng đợi sẽ nhận cấu hình băng thông đầu ra khác nhau. Nếu chương trình dịch lại gói tin tại đầu còn lại của liên kết, tại đó, các gói tin cuối cùng sẽ được lắp ráp hoàn chỉnh được xác định theo đúng thứ tự. Thời điểm này được gọi là thời gian kết thúc của gói tin.
50
Hình 2.7: Minh họa thuật toán lập lịchWFQ – khi truyền bit-by-bit
Hình trên cho thấy bộ lập lịch round-robin dựa vào trọng số của từng bit tại 3 hàng đợi. Giả sử hàng đợi 1 được gán 50% băng thông, hàng 2 và 3 được gán 25%. Lập lịch truyền 2 bit từ hàng đợi 1, 1 bit từ hàng 2 và 1 bit từ hàng 3, sau đó quay lại hàng 1. Như kết quả trong hình, các bit cuối cùng của gói 600 byte (từ hàng 1) được truyền trước các bit cuối cùng của gói 350 byte (từ hàng 2), và bit cuối cùng của gói 350 byte được truyền trước các bit cuối cùng của gói 450 byte (từ hàng 3). Như vậy, các gói 600 byte được ghép đầy đủ trước các gói 350 byte, và các gói 350 byte được hoàn thiện trước các gói 450 byte.
Trình lập lịch tính toán và gán thời gian kết thúc cho mỗi gói tin. Với tốc độ bit tại đầu ra, các gói tại hàng đợi có gói tin chờ, trọng số tương đối và độ dài của mỗi gói tin được gán cho mỗi hàng đợi, trình lập lịch sẽ tính toán và phân chia thời gian kết thúc cho mỗi gói tin đến. Sau đó, các gói tin có thời gian kết thúc sớm nhất sẽ được chọn và chuyển tiếp. Thời gian kết thúc không phải là thời gian truyền dẫn thực tế của mỗi gói, mà là một số được gán cho mỗi gói tin đại diện cho thứ tự các gói tin được truyền trên cổng đầu ra (như hình dưới Service According to Packet Finish Time).
Hình 2.8: Minh họa thuật toán lập lịchWFQ – khi truyền theo thời gian kết thúc Khi gói tin được phân loại và được đặt vào hàng đợi, bộ lập lịch tính toán và gán một thời gian kết thúc cho gói tin. Khi lập lịch, WFQ chọn các gói tin có thời gian kết thúc sớm nhất để truyền tiếp. Ví dụ, nếu WFQ xác định gói A có thời gian kết thúc 30, gói B là 70, gói C là 135, tức là gói A sẽ được truyền trước gói B và gói C là được truyền cuối cùng.
51 - Ưu điểm:
Bảo đảm sự độc lập của băng thông đầu ra của lớp dịch vụ này với lớp dịch vụ khác.
Khi kết hợp nhiều lưu lượng của các phần khác nhau của một mạng, WFQ đảm bảo sự công bằng trọng số của băng thông đầu ra cho mỗi lớp dịch vụ với độ chậm trễ giới hạn.
- Nhược điểm:
Tốc độ xử lý chậm, do phải xử lý theo từng byte.
WFQ được thực hiện trong phần mềm, hạn chế trong việc áp dụng WFQ tại giao diện tốc độ thấp tại các phần của mạng.
Các lớp dịch vụ tổng hợp cao có thể ảnh hưởng đến hiệu quả hoạt động của các luồng khác trong cùng lớp dịch vụ.
WFQ thực hiện thuật toán phức tạp WFQ yêu cầu một lượng lớn trạng thái lớp dịch vụ và quét lặp đi lặp lại trạng thái trên mỗi gói tin đến và đi. Độ phức tạp tính toán tác động tới khả năng mở rộng của WFQ, khi cố
gắng hỗ trợ một số lượng lớn các lớp dịch vụ giao diện tốc độ cao.
Tại các giao diện tốc độ cao, giảm thiểu sự chậm trễ của truyền gói tin đơn lẻ có thể không có giá trị khi tính toán chi phí nếu số lượng xem xét không đáng kể trong mạng kết nối tốc độ cao và các yêu cầu tính toán thấp hơn các hàng đợi khác.
Mặc dù giới hạn về độ trễ được đảm bảo bởi WFQ có thể tốt hơn cho các hàng đợi, các giới hạn độ trễ vẫn là vấn đề khá lớn.
Cải tiến của WFQ: nhiều biến thể của WFQ đã được phát triển với mục đích thương mại khác nhau để cân bằng phức tạp, độ chính xác, và hiệu suất. Đặc biệt là 4 cải tiến:
- Dựa trên lớp WFQ gán các gói tin vào các hàng đợi dựa trên các tiêu chí phân loại gói tin do người dùng định nghĩa. Ví dụ, các gói dữ liệu có thể được gán cho một hàng đợi đặc biệt nào đó dựa trên các thiết lập của các bit ưu tiên IP. Sau khi gói tin được gán cho hàng đợi nào, gói tin có thể nhận được dịch vụ ưu tiên dựa trên trọng số người sử dụng cấu hình cho hàng đợi đó.
- Hàng đợi công bằng tự khóa (Self-clocking Fair Queuing - SCFQ) là nâng cao của WFQ nhằm đơn giản hóa sự phức tạp của việc tính toán thời gian hoàn thành của hệ thống GPS tương ứng. Sự giảm độ phức tạp dẫn đến độ trễ xấu hơn và tăng độ trễ với một số lượng các lớp dịch vụ.
52
- WF2Q - Worst-case Fair Weighted Fair Queuing là nâng cao của WFQ sử dụng cả thời gian bắt đầu và thời gian kết thúc của gói tin để đạt được mô phỏng chính xác hơn về hệ thống GPS.
- WFQ+ - Worst-case Fair Weighted Fair Queuing+ là nâng cao của WFQ để thực hiện một chức năng thời gian ảo cho kết quả về độ phức tạp thấp hơn với độ chính xác cao hơn.