Trải qua nhiều năm nghiờn cứu vấn đề tạo thụng tin phản hồi nhằm điều khiển độ chiếm dụng trung bỡnh của hàng đợi chia sẻ bởi nhiều luồng khỏc nhau, IRTF đó kết luận rằng giải phỏp tốt nhất là phõn tỏn một cỏch ngẫu nhiờn những tớn hiệu phản hồi để tăng cường chức năng giữ mức chiếm dụng hàng đợi trung bỡnh. Một trong những vớ dụ mà nhúm IRTF đưa ra là phỏt hiện sớm ngẫu nhiờn (RED).
RED sử dụng độ chiếm dụng trung bỡnh của hàng đợi như là một tham số, một chức năng ngẫu nhiờn mà nú quyết định cơ chế trỏnh nghẽn phải được khơi mào hay khụng. Sau khi độ chiếm dụng trung bỡnh tăng lờn thỡ khả năng loại bỏ gúi cũng sẽ tăng lờn. Hỡnh 3.14 biểu diễn một hàm khả thi đơn giản:
- Độ chiếm dụng lờn tới một ngưỡng thấp hơn minth, cỏc gúi chuyển qua khụng bị ảnh hưởng (khả năng loại bỏ gúi bằng khụng).
- Trờn giới hạn minth, khả năng loại bỏ gúi tăng theo đường thẳng với khả năng vươn tới maxp cho một độ chiếm dụng của maxth.
- Tại và trờn maxth cỏc gúi chắc chắn bị loại bỏ.
Ba giai đoạn này thỉnh thoảng đề cập đến thứ tự bỡnh thường của trỏnh nghẽn và điều khiển nghẽn. Trường hợp xấu nhất kớch thước hàng đợi bị giới hạn bởi maxth. RED bắt đầu khai mào sự chỉ dẫn nghẽn trước khi hàng đợi trở nờn đầy.
Độ chiếm dụng trung bỡnh được tớnh toỏn lại tại mọi thời điểm một gúi đến và dựa vào bộ lọc thụng thấp hoặc quy luật trung bỡnh trọng số mũ (EWMA) của độ chiếm dụng hàng đợi tức thời. Cụng thức là:
Qavg = (1 – Wq) * Qavg + Qinst * W Trong đú:
Qavg là độ chiếm dụng trung bỡnh. Qinst là độ chiếm dụng tức thời.
Wq là trọng số của hàm di chuyển trung bỡnh.
Wq ảnh hưởng tới sự chớnh xỏc của tham số mức chiếm dụng trung bỡnh so với mức chiếm dụng hàng đợi hiện tại.. Giỏ trị cao hơn là mức chiếm hơn và giỏ trị thấp hơn thỡ mức duy trỡ hơn. Mục đớch là chọn lựa một giỏ trị cho phộp RED lờ đi nghẽn tạm thời ngắn hạn mà khụng gõy mất gúi nhưng cú tỏc dụng duy trỡ cỏc mức độ chiếm dụng trước độ trễ của mọi tỏc động hoặc những luồng đồng bộ của việc trỏnh nghẽn của TCP chịu ảnh hưởng. Một router cú thể giữ cỏc giỏ trị minth, maxth và maxP khỏc nhau cho cỏc hàng đợi khỏc nhau – cõn bằng với tổng khụng gian khả dụng của hàng đợi, số lượng hàng đợi yờu cầu và độ trễ/ độ biến động trễ của lớp lưu lượng sử dụng cỏc hàng đợi khỏc nhau. Thờm vào đú Wq phải khỏc nhau trong mỗi hàng đợi.
Sự bắt đầu loại bỏ ngẫu nhiờn sớm (trước khi hàng đợi thực sự sử dụng hết hoàn toàn khụng gian cho phộp của nú) tăng lờn thỡ cú thể dễ dàng xếp ngoài vựng nghẽn tạm thời trước độ chiếm dụng hàng đợi là quỏ cao. Hai khoỏ giả định làm nền tảng cho việc loại bỏ dựa vào quản lý hàng đợi tớch cực vào:
- Nhiều hoặc hầu hết cỏc tầng gõy ra nghẽn tạm thời là nền tảng TCP và trước đú phản ứng tới phản hồi khụng tớch cực của mất gúi sớm.
- Cỏc gúi thực sự loại bỏ thuộc về luồng (hoặc cỏc luồng) TCP gõy ra nghẽn.
Hỡnh 3.13: Khả năng loại bỏ gúi biến đổi cựng với sự chiếm dụng hàng đợi Minth Max th 100% 1 Maxp Khụng bị mất gúi Chắc chắn mất gúi Khụng là 0 và tăng dần
giống như phần đầu của việc loại bỏ gúi
kh ả nă ng lo ại bỏ gú i
Sự vắng mặt của cỏc phương tiện phõn loại và hàng đợi từng luồng mà cỏc giả định này khụng thể luụn luụn cú hiệu lực. Lỳc này chỳng thường hợp lý. Việc cỏc gúi đến trong suốt một khoảng thời gian nghẽn sẽ thuộc về cỏc luồng chiếm dụng nhiều hơn là cỏc luồng khỏc. Nú giữ vững lý do để loại bỏ gúi trong suốt khoảng thời gian nghẽn như là gặp phải một luồng gúp phần gõy nghẽn. Đặc tớnh thời gian của cỏc luồng gõy nghẽn cho phộp RED và biến thể của nú tập trung cỏc luồng thớch hợp. Thậm chớ trong sự vắng mặt của tỡnh huống gúi mức luồng cụ thể.
a) Trọng số phỏt hiện sớm ngẫu nhiờn
Cỏc bộ quản lý hàng đợi khụng hạn chế việc cung cấp một loại phương thức đơn trờn một vài hàng đợi cho trước . Thụng tin thờm vào từ tỡnh huống của gúi cú thể lựa chọn một trong nhiều chức năng huỷ bỏ gúi. Vớ dụ, một gúi được đỏnh dấu tại một số điểm đường xuống cho quyền ưu tiờn trong một hồ sơ lưu lượng cú thể tỡm cho mỡnh đối tượng để kiểm soỏt, huỷ bỏ, xõm chiếm thờm. So sỏnh cỏc gúi khỏc được phõn loại trong cựng một hàng đợi (cỏc gúi được đỏnh dấu vẫn được qua khi mạng gần như khụng bị nghẽn). Mục đớch đơn giản là một router loại bỏ cỏc luồng ngoài hồ sơ đầu tiờn khi mọi thứ trở nờn chật chội hoặc cỏc gúi đặt vào lớp dịch vụ khỏc tại nguồn cú thể cú chức năng huỷ bỏ liờn kết khỏc nhau.
Trong hỡnh 3.15 là một bộ quản lý hàng đợi chọn lựa một trong hai đường mà một hàng đợi đơn đưa vào, vớ dụ một bit đơn trong byte ToS của trường DiffServ. Cỏc gúi khụng bị đỏnh dấu là đối tượng cho RED với min1th như là ngưỡng dưới của nú, max1th như là ngưỡng trờn của nú, và maxp là khả năng loại bỏ gúi định trước khi hàm nhảy tới 1. Núi cỏch khỏc cỏc gúi bị đỏnh dấu là đối tượng để tăng đường xõm chiếm trong đú loại bỏ ngẫu nhiờn bắt đầu tại một mức chiếm dụng thấp mức min2th, tăng nhanh chúng tới 1 tại min2th.
0 Min1th Min2th Max1th Max2th 100% 1 Unmarked Maxp Gúi bỡnh thường kh ả nă ng m ất gú i
Hinh 3.14: Gúi bị đỏnh dấu cú thể thay đổi chức năng loại bỏ
Việc giảm bớt hàm đặc trưng dựa vào tỡnh huống gúi thỉnh thoảng được đề cập đến như là chức năng mở rộng. Ít nhất một đại diện router chớnh sử dụng trường ưu tiờn IPv4 để lựa chọn tỏm tham số minth, maxth, và maxp cho thuật toỏn RED (mặc dự khụng cú tham số Wq cho hàm EWMA) liờn quan tới sơ đồ WRED.
b) Phỏt hiện sớm ngẫu nhiờn với đầu vào/ đầu ra
Một liờn quan tới WRED là RED với một bớt vào ra [RIO] cũng sử dụng sử đỏnh dấu gúi để giảm nhẹ RED trờn cơ sở từ gúi tới gúi RIO thừa nhận cỏc gúi đó đi qua một bộ đấnh dấu đường lờn với một bớt đơn trong tiờu đề gúi để chỉ ra bộ đỏnh dấu tỡm thấy hay khụng gúi nằm trong hoặc ngoài hồ sơ. RIO khỏc với WRED ở chỗ nú làm giảm chức năng EWMA trờn cơ sở đỏnh dấu gúi.
Mục trờn của RIO là phõn biệt dựa vào cỏc gúi ngoài trong suốt thời gian nghẽn. Như vậy nú khụng chạy bằng hai thuật toỏn chiếm dụng EWMA song song cựng nhau trong cựng hàng đợi – Qavg IN cho cỏc gúi bờn trong và Qavg OUT cho cỏc gúi bờn ngoài. Tương tự hỡnh 3.13 hai thiết lập của minth, maxth và maxP đều cú mặt - một cho cỏc gúi bờn trong và một cho cỏc gúi bờn ngoài. Thụng thường minth và maxth cho cỏc gúi bờn ngoài thấp hơn cho cỏc gúi bờn trong. Trỏi lại maxP cho cỏc gúi bờn ngoài lại cao hơn cho cỏc gúi bờn trong.
Điểm xử lý khỏc nhau là ở trong việc sử dụng hai giỏ trị độ chiếm dụng hàng đợi di chuyển trung bỡnh riờng biệt. Khi tớnh toỏn một khả năng loại bỏ cỏc gúi, độ chiếm dụng hàng đợi đó thực hiện từ Qavg IN, ngược lại với cỏc gúi ngoài hàng đợi thỡ độ chiếm dụng hàng đợi được lấy từ Qavg OUT. Qavg IN dựa trờn độ chiếm dụng trung bỡnh cỏc gúi bờn trong riờng lẻ, trỏi lại với Qavg OUT dựa trờn độ chiếm dụng tổng trung bỡnh của cỏc gúi cả trong và ngoài.
Một hệ quả của thiết kế này là khụng chỉ đường cong đặc trưng cho cỏc gúi bờn ngoài xõm chiếm thờm mà mức trung bỡnh của cỏc gúi ngoài đến nơi cũng tăng theo đỏp ứng lại cả hai luồng lưu lượng trong và ngoài hàng đợi. Tuy nhiờn số lượng gúi bờn ngoài đi qua hàng đợi khụng tỏc động đến khả năng loại bỏ gúi. Nhõn tố này thực hiện một vài cỏch ngăn ngừa chống sự bựng nổ gúi bờn ngoài từ sự khai mào trỏnh nghẽn khụng cần thiết trờn cỏc luồng mà cỏc gúi cũn lưu giữ lại trong hồ sơ.
c) Phỏt hiệm sớm ngẫu nhiờn thớch ứng
Cơ sở RED yờu cầu sự thớch ứng kỹ lưỡng cỏc thụng số của nú để hoạt động cú hiệu quả. Nú phải loại bỏ vừa đủ cỏc gúi đi tới đớch của nú và khụng hơn. Một điều đỏng tiếc là thụng số thiết lập phụ thuộc vào trạng thỏi tự nhiờn và trạng thỏi bựng nổ của lưu lượng qua một hàng đợi RED cơ sở. Vớ dụ Wq tỏc động nhanh mức nào đến Qavg theo hướng chiếm dụng hàng đợi tức thời và sẽ phải chọn để lớp loại bỏ sự bựng nổ tạm thời chưa tỏc động trở lại trong thời gian làm nản sự xõy dần nghẽn dài hạn lờn. Cũn
mức tốc độ tại điểm nghẽn dài hạn xuất hiện phụ thuộc vào một tập bao nhiờu luồng TCP được sắp xếp đồng thời trong hàng đợi.
Trong sự cú mặt của một số ớt luồng TCP, nghẽn dường như được xõy dựng rất chõm, và Wq phải chậm theo. Tuy nhiờn việc sử dụng giỏ trị tương tự của Wq trong sự cú mặt của cỏc luồng TCP dần tới cỏc giai đoạn trỏnh nghẽn trong RED khụng chống lại đủ sớm hoặc đủ xõm chiếm. Ngược lại việc chọn Wq thoả món phương thức RED nhanh trong nhiều luồng TCP cú thể thành cụng trong phương thức loại bỏ xõm chiếm quỏ mức khi chỉ một số ớt luồng đi qua hàng đợi.
Hỡnh 3.15: Phỏt hiện sớm ngẫu nhiờn thay đổi maxp
RED thớch ứng (ARED) cố gắng địa chỉ hoỏ giới hạn này là cỏch cho phộp RED làm giảm tham số của nú dựa trờn hồ sơ nghẽn gần đõy. Nú chỳ thớch rằng trong ARED N kết nối chia sẻ một hàng đợi, hiệu quả của việc loại bỏ gúi RED thờm vào cho trước là làm giảm tải trọng một hướng của (1 – 1/(2*N)). Núi cỏch khỏc khi N tăng lờn RED cần phải tăng độ chiếm để đạt tới kết quả là khụng đổi.
Để địa chỉ hoỏ cho vấn đề này, ARED năng động điều động maxp dựa vào sự biến động của Qavg gần đõy (xem hỡnh 3.16). Nếu Qavg rớt theo minth thỡ giỏ trị duy trỡ của maxp được tớnh toỏn. Nếu Qavg tăng quỏ maxth thỡ mức xõm chiếm maxp được tớnh toỏn. Nếu Qavg dao động quanh maxth, maxp tiếp tục tăng.
Như là một hệ quả thuật toỏn ARED thay đổi theo sự thay đổi tải trọng cú thể do sự tăng hoặc giảm số lượng luồng TCP qua hàng đợi ở một thời điểm. Thuật toỏn làm việc mà khụng yờu cầu làm sỏng tỏ hay thụng tin nhận được bờn ngoài cỏc luống số.
d) Phỏt hiện sớm ngẫu nhiờn mức luồng
Minth Maxth 100% 1 Maxp Maxp kh ả n ăn g m ất g úi Đường gấp khỳc cho lưu lượng linh hoạt
Đường gấp khỳc
Tỏch sớm ngẫu nhiờn mức luống FRED đại diện cho sự tinh lọc khỏc của thuật toỏn RED [FRED97]. Giải phỏp giải thớch xu thế của RED là khụng tốt khi hàng đợi được chia sẻ giữa cỏc luồng phản tỏc dụng khỏc nhau mở rộng tới thụng bỏo nghẽn sớm. Đặc trựng được cho bởi “ động lực của RED” [FRED97]:
- Cỏc luống khụng thớch ứng – giao thức truyền tải bỏ qua sự loại bỏ gúi.
- Luồng chặt – cỏc kết nối TCP với thời gian triệt xung quanh ngắn (RTTs) mà trước đú phục hồi nhanh từ việc loại bỏ gúi.
- Luồng dễ vỡ – cỏc kết nối TCP với RTTs dài mà trước đú khụi phục chậm từ việc loại bỏ gúi.
Khi sự pha trộn giữa cỏc luồng này vượt quỏ một hàng đợi RED được quản lý, phương thức của luồng khụng thớch ứng cú thể đẩy Qavg lờn cao hơn minTH và gõy ra cỏc gúi rời khỏi tất cả cỏc luồng thậm chớ nếu cỏc luồng khỏc nhau mà phản ứng thụng thường. Tương tự như vậy luồng chặt tỏc động kộm hơn bởi việc mất một vài gúi riờng lẻ so với luồng dễ vỡ đơn giản, bởi vỡ tốc độ phục hồi của TCP phụ thuộc vào RTT của luồng. Toàn bộ hiệu quả và thụng bỏo nghẽn tỏc động đến cỏc loại luồng khỏc một cỏch khụng cõn bằng.
FRED điều khiển tỡnh trạng này bởi phương thức loại bỏ gúi từng chặng trờn cở sở tầng ngắn hạn trờn mỗi luồng (nhưng chỉ cỏc luống cú gúi trong hàng đợi tại thời điểm cho trước). Hai biến số minq và maxq đại diện cho số lượng gúi mức thấp và mức cao và một vài luồng cho trước phải được sắp xếp tại thời điểm cho trước. Biến số Avgcq đại diện cho lượng gúi trung bỡnh được đỏnh giỏ mỗi luồng hiện thời cú trong hàng đợi.
Khi Qavg nhỏ hơn maxth, FRED luụn nhận được cỏc gúi thuộc cỏc luồng gúi ớt hơn minq gúi sẵn sàng trong hàng đợi. Việc thiết lập minq giữa 2 và 4 đảm bảo một vài khụng gian hàng đợi cực tiểu đến cỏc luồng dễ vỡ. Nếu luồng cú nhiều hơn maxq gúi hiện tại trong hàng đợi, FRED loại bỏ gúi mới khụng kể Qavag là bao nhiờu. Thực tế này bao gồm cỏc luồng khụng thớch ứng. Nơi một luồng cú giữa minq và maxq gúi trong hàng đợi, FRED sử dụng RED thường để quy định cú hay khụng một gúi phải được chấp nhận hay bị loại bỏ.
Thậm chớ mặc dự FRED khụng yờu cầu hàng đợi từng luồng nú cũng yờu cầu router thiết lập tỡnh huống luồng, thờm một số phần phải tương đối phức tạp biến thể RED trước.