Lý thuyết hàng đợi nảy sinh một cách tự nhiên trong việc nghiên cứu các chuyển mạch kênh, và chuyển mạch gĩi. Trong các mạng chuyển mạch kênh, cuộc gọi đến chuyển mạch ngẫu nhiên, mỗi cuộc gọi sẽ giữ kênh trong một khoảng thời gian ngẫu nhiên nào đĩ. Trong mạng chuyển mạch gĩi, các gĩi tin với các chiều dài khác nhau đi qua mạng, tài nguyên mạng (các chuyển mạch,kết nối sẽđược chia sẻ cho các gĩi). Các bản tin được định tuyến đến các node tiếp theo. Thời gian sử dụng bộ đệm (trễ hàng đợi) là một vấn đề quan trọng trong truyền dẫn thơng tin. Thời gian này phụ thuộc vào các thời gian xử lý, độ dài bản tin hay thời gian chờ xử lý khi chưa cĩ tài nguyên sử dụng.
Trong các ứng dụng tương tác và thời gian thực thì thời gian trả lời trung bình được xem như một tiêu chuẩn quan trọng cịn trong các ứng dụng khác thì thơng lượng lại là điều quan trọng nhất. Việc mơ tả hàng đợi theo lý thuyết tốn học rất phức tạp nên ta chỉ mơ tả chúng theo mơ hình đơn giản được sử dụng trong các mạng IP:
Hình 3.1: Mơ hình hàng đợi đơn giản trong mạng
Tin tức (cĩ thể là gĩi tin hay bản tin) đến hệ thống để yêu cầu phục vụ. Nếu server rỗi thì gĩi tin sẽ được phục vụ ngay lập tức, ngược lại chúng sẽ được lưu giữ trong các hàng đợi. Khi rời khỏi hàng đợi các gĩi sẽđược xử lý.
Các tham số cơ bản liên quan tới hàng đợi:
Server
Queue Dispatching discipline departures
w=items wait Tw=wait time
q= items in queuing system
Tq = queuing time
Ts= service time P= utilization arrivals
λ =arrival rate
Bảng 3.1 : Bảng các tham số cơ bản của hàng đợi
Tham số Kí hiệu Chú thích
Tốc độđến TB λ Thời gian gĩi tin đến hệ thống hàng đợi với
vận tốc λ trên một đơn vị thời gian(s)
Tốc độ rời khỏi TB µ Các gĩi tin rời khỏi hệ thống với tốc độµ trên một đơn vị thời gian
Hiệu suất sử dụng dịch vụ
p Là khoảng thời gian server bận do phải xử lý lý,đo bằng P= λ /µ
Độ dài TB Lw Là số gĩi nằm trong hàng đợi trung bình
tại tất cả các thời điểm t
Thời gian đợi TB Tw Cĩ hai định nghĩa:
Thứ nhất: được tính bằng tất cả thời gian gĩi tin đến xử lý (bao gồm cả các gĩi khơng phải chờ trong hàng đợi)
Thứ hai: chỉ tính TB thời gian các gĩi tin phải chờ trong hàng đợi
Thời gian phục vụ TB Ts Thời gian TB giữa thời điểm gửi gĩi tới server và thời điểm rời khỏi server
Độ dài hàng đợi TB Lq Số gĩi trung bình trong hệ thống, bao gồm
các gĩi đang được sử dụng và các gĩi đang chờ trong hàng đợi.
Thời gian xếp hàng TB Tq Thời gian các gĩi ở trong hệ thống.
Các gĩi đến hàng đợi với tốc độ thay đổi λ và đây là một quá trình poisson, thời giạ phục vụ cĩ phân bố mũ tốc độ µ (thực chất là thời gian trung bình mà các gĩi tin rời khỏi hàng đợi). Khi các gĩi đến hệ thống tăng thì hiệu suất sử dụng hệ thống cũng tăng, dẫn tới tắc nghẽn cĩ khả năng xảy ra. Với p =1 thì các server bão hồ do đĩ tốc lớn nhất theo lý thuyết mà hệ thống cĩ thể xử lý được là:
λmax= 1/Ts
Tại λmax thì kích thước hàng đợi rất dài khơng thể kiểm sốt được. Trong thực tế thời gian trả lời và những yêu cầu kích thước hàng đợi giới hạn tốc độ đầu vào của thơng tin là 70-90% so với λmax theo lý thuyết.
Tại các router và chuyển mạch trong phần lõi của kiến trúc các dịch vụ phân biệt của mạng Internet cĩ các thuật tốn lập lịch và quản lý hàng đợi. Ngày nay kiến
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Quản lý hàng đợi và các thuật tốn
trúc dịch vụ phân biệt bao gồm hàng đợi cân bằng cĩ trọng số (WFQ) cùng kĩ thuật tách sớm cĩ trọng số (WRED). Các kĩ thuật trên được sử dụng trong mạng Internet làm nhiệm vụ điều khiển tắc nghẽn và điều khiển luồng lưu lượng trong mạng. Điều khiển tắc nghẽn là vấn đề quan trọng cần giải quyết trong việc truyền tin trong mạng. Nĩ sử dụng hai cơ chếđộc lập:
• Cơ chế điều khiển vịng kín (Closed Loop control): điều khiển việc truyền các gĩi từ các nguồn đầu cuối tới đích
• Các thuật tốn lập lịch vịng hở (opened loop control): ràng buộc độưu tiên được cấu hình từ trước và phân phối băng thơng cho các kết nối.
Hệ thống điều khiển vịng kín bao gồm các thuật tốn nguồn được điều khiển bởi các thuật tốn kết nối. Thuật tốn nguồn này là bất kì giao thức nào được truyền tải
trên mạng Internet (ví dụ: TCP, UDP, RTP) và chúng khơng nhất thiết phải cĩ phản
hồi đáp ứng với tắc nghẽn. Các thuật tốn điều khiển kết nối hay cịn gọi là các thuật
tốn quản lý hàng đợi (hoặc quản lý hàng đợi tích cực AQM). Các thuật tốn AQM
bao gồm thuật tốn loại bỏ đuơi, thuật tốn phát hiện sớm ngẫu nhiên (RED). Thuật tốn AQM thực hiện việc báo hiệu tới nguồn bằng việc đánh dấu các gĩi, thơng báo tắc nghẽn tường minh (ECN) hay loại bỏ các gĩi.
Các thuật tốn lập lịch vịng mở quyết định xem gĩi nào sẽ được gửi kế tiếp. Thuật tốn này quyết định trật tự các gĩi truyền dẫn trên cơ sở trật tự sắp xếp các gĩi đến và các lớp lưu lượng ưu tiên trong gĩi.
Cịn dịch vụ phân biệt sử dụng 3 bit trong tiêu đề mỗi gĩi để định nghĩa lớp. Quá trình lập lịch của gĩi điều khiển trật tự truyền dẫn giống như phân bố băng thơng tương ứng cho mỗi lớp dịch vụ. Lập lịch bao gồm các thuật tốn liên quan tới hàng đợi: hàng đợi FIFO, hàng đợi cân bằng cĩ trọng số WFQ, và các thuật tốn lập lịch như: Thuật tốn RR, thuật tốn PS.
Hình 3.2 : Tiến trình xử lý hàng đợi trong router
Để hiểu rõ về các hàng đợi được sử dụng trong cĩ chế điều khiển tắc nghẽn ta phải trả lời các câu hỏi:
• Các gĩi sẽđược lắp đặt như thế nào trong hàng đợi.
• Thứ tự hay cách thức nào mà các thiết bị mạng phục vụ các hàng đợi của chúng.
• Các hoạt động nào của mạng để đối xử với các bĩ lưu lượng và hàng đợi bị tràn.
Router được xem như hộp lớn, trong đĩ cĩ các thành phần thực hiện việc truyền thơng tin. Trong ví dụ này ta xét router cĩ 2 giao diện. Gĩi tin đi 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 khi các gĩi được đưa đến từ giao diện IF0 sẽ được đặt vào trong hàng đợi queue 0 (hàng đợi đầu vào). Tiếp theo các gĩi đi vào trong router và được định hướng tới router kế tiếp dựa trên địa chỉđích lưu giữ trong phần header của gĩi tin,một số gĩi tin đi ra từ hàng đợi queue 0 được đưa vào hàng đợi queue 1 kết nối với giao diện IF1. Hàng đợi queue1 cịn gọi là hàng đợi đầu ra.
Cĩ rất nhiều kĩ thuật hàng đợi: FIFO (first in first out), PQ (priority queue-hàng đợ ưu tiên), FQ (fair queue-hàng đợi cân bằng). FIFO đây là kĩ thuật xếp hàng vào trước ra trước cơ bản. Các gĩi đến trước sẽ là các gĩi đầu tiên được xử lý. Khi hàng đợi đầy và cĩ tắc nghẽn xảy ra thì các gĩi đến sẽ bị loại bỏ. Hàng đợi FIFO dựa vào hệ thống đầu cuối để điều khiển tắc nghẽn thơng qua cơ chếđiều khiển tắc nghẽn. Do loại hàng đợi này rất đơn giản nhiều khi khơng điều khiển được tắc nghẽn nên ta thường xét các loại hàng đợi hiệu quả hơn: hàng đợi ưu tiên(PQ), hàng đợi cân bằng (FQ), hàng đợi cĩ trọng số (WQ).