3.3.6.1 Giới thiệu chung về RIO
Trong chương 1 đã giới thiệu về các dịch vụ DS. Nhìn chung kiến trúc DS nhằm mục đích cung cấp QoS có đảm bảo tại mức các luồng được tổng hợp. Nó phân loại các gói tin IP thành các nhóm lưu lượng nhỏ hơn tuỳ theo các giá trị DSCP được đánh dấu trong tiêu đề gói IP tại các đường biên của mạng. Trong lõi mạng chúng sẽ được truyền theo các PHB tương ứng. DS không yêu cầu duy trì trạng thái luồng, hay các tiến trình báo hiệu bên trong các mạng lõi, do đó nó giảm bớt gánh nặng làm việc cho các router trong mạng lõi. Các router biên trong các mạng DS giám sát và đánh dấu các gói của luồng lưu lượng. Các gói tuân theo các profile của người sử dụng sẽ được đánh dấu là “In profile” còn các gói nằm ngoài các profile dịch vụ sẽ được đánh dấu là out profile. Một thuật toán được hỗ trợ bên trong các router lõi của mạng phân biệt là RIO (phát hiện sớm ngẫu nhiên vào ra). Trong suốt quá trình tắc nghẽn các gói có profile out sẽ bị loại bỏ trước các gói In profile. Với các chính sách loại bỏ gói, các AFPHB sẽ đưa ra quyền ưu tiên cho các gói In và cung cấp các mức dịch vụ khác nhau cho người sử dụng trên cơ sở các proifile dịch vụ của họ. Để điều khiển tắc nghẽn cho các luồng được tổng hợp trong mạng DS ta có thể sử dụng lược đồ điều khiển tắc nghẽn từ biên tới biên (edge to edge congestion control scheme-E2E-CCS). Trong lược đồ này thì gói điều khiển QoS được gửi từ các router bên trong ra các router bên ngoài tại mỗi khoảng thời gian cố định. Các router bên trong sử dụng thuật toán để điều chỉnh tốc độ gửi của luồng theo thông tin QoS được phản hồi về từ các router biên.
Ta đang xét thuật toán RIO trong mạng DS. Kiến trúc một mạng DS bao gồm 2 loại router: router biên và router lõi. Các router biên được lắp đặt tại đường biên của các mạng, nó hỗ trợ cho các điều kiện lưu lượng như: phân lớp, định dạng, và đánh dấu gói tin. Còn các router lõi được lắp đặt bên trong mạng, cung cấp chức năng phân loại đơn giản và một số chức năng định hướng khác. Các router biên lại bao gồm các node đầu ra và các node đầu vào vùng DS.
E2E-CCS coi các router đầu vào và đầu ra cũng như phía thu và phía phát các gói điều khiển QoS. Phía phát sẽ gửi các gói tin điều khiển trong cùng một nhóm tới phía thu để tại các khoảng thời gian T đều đặn. Gói điều khiển được sử dụng để truyền các thông tin QoS giữa các router đầu ra và router đầu vào. Khi router đầu ra nhận được gói điều khiển, nó sẽ tính toán tốc độ đầu ra của các gói In và Out được đánh dấu bởi ECN. Các router đầu ra sau đó sẽ điền các tham số QoS vào các trường tương ứng trong các gói điều khiển và gửi chúng ngược trở lại router đầu vào. Các gói điều khiển luôn có mức ưu tiên cao nhất trong các mạng DS. Khi các router đầu vào nhận được các gói điều khiển phản hồi từ các router đầu ra thì nó sẽ chỉnh sửa tốc độ gửi trong các thông tin QoS đặt trong các gói điều khiển.
Thuật toán quản lý hàng đợi của router lõi là thuật toán RIO, có thể được xem như sự phối hợp của hai thuật toán RED với các xác suất loại bỏ gói tin khác nhau cho các gói In và các gói Out. Do đó nó cũng có hai bộ giá trị ngưỡng giống như trong RED: (minth(in), maxth(in) ,maxp(in)) và (minth(out) maxth(out), maxp(out)), được sử dụng cho việc tính toán xác suất loại bỏ các gói In, Out. Thông thường các tham số của các gói Out được thiết lập cao hơn các gói In để có thể loại bỏ các Out trước khi có bất kì một gói In nào bị loại bỏ. Thêm vào đó kích thước hàng đợi trung bình của các gói Out được tính toán dựa trên cơ sở tổng các gói (gói In và các gói Out) trong hàng đợi. Trong khi kích thước hàng đợi trung bình của các gói In chỉ được tính toán dựa trên các gói In.
a. Cấu trúc router đầu vào
T ra ff ic C la ss if ie r T C T C Rate Controler
QoS controller Hander
To network core router
QoS control packet from egress router
Incoming traffic from end Host
Hình 3.14 : Cấu trúc router đầu vào
TC (Traffic Controller) : bộ điều khiển lưu lượng Rate Controller : bộ điều khiển tốc độ Traffic Classifier : bộ phân loại lưu lượng
Tại các router đầu vào mạng lưu lượng đến đầu tiên sẽ được phân loại trong các tập hợp lưu lượng theo các giá trị DSCP được đánh dấu trong phần tiêu đề của gói tin. Mỗi tập hợp này được giám sát bởi bộ điều phối lưu lượng để đánh giá tốc độ tổ hợp lưu lượng hiện hành và phải chắc chắn rằng mỗi tổ hợp lưu lượng này sẽ không vượt quá tốc độ thông tin đỉnh của nó. Các lưu lượng mà vượt quá tốc độ có thể cho phép thì sẽ bị loại bỏ và bị đánh dấu lại để ngăn chặn việc các luồng lưu lượng này chiếm giữ tài nguyên mạng nhiều hơn tìa nguyênđã được chia sẻ. Bộ điều khiển tốc độ điều chỉnh tốc độ đầu ra của bộ điều phối lưu lượng theo các tham số đã được ấn định trong các gói điều khiển QoS khi nó được phản hồi lại từ các router đầu ra.
b. Cấu trúc router đầu ra
Về cấu trúc thì các router đầu ra tương tự như các router đầu vào. Bộ giám sát lưu lượng có thể đáp ứng cho việc đánh giá tốc độ đến của các gói In và Out với số đo profile TSW (Time Sliding Window - cửa sổ trượt thời gian) và ghi lại số lượng các gói In, Out nhận được trong suốt các khoảng thời gian đều đặn T.
Hình 3.15 : Cấu trúc router đầu ra
Thuật toán điều khiển tốc độ gói In và Out cho cả router đầu vào và đầu ra
Tại mỗi khoảng thời gian T
Router cổng vào sẽ nhận các gói điều khiển QoS If Ns = Nr then T ra ff ic cl as si fi er T C T C
QoS controller Hander
Incoming traffic from core Router
QoS control packet to ingress Router
If ENrIn > 0 then
giảm tốc độ của các gói In và Out else if ENrOut > 0 then
giảm tốc độ gửi của các gói Out else
tăng tốc độ gửi else
giảm tốc độ gửi của cả gói In và Out
Kí hiệu:
Ns : số lượng các gói gửi tại router đầu vào
Nr : số lượng các gói nhận được tại router đầu ra.
ENrIn : số lượng các gói In nhận được router đầu ra với ECN = 1
ENrOut : số lượng các gói Out nhận được tại router đầu ra với ECN =1
Tại router đầu vào, thuật toán tăng đơn giản thực hiện chức năng tăng tốc độ gửi Rs:
Rs = Rs * (1+ α) 0< α < 1
Trong E2E-CCS thuật toán giảm được sử dụng để chỉnh sửa tốc độ gửi của các gói In và Out tuỳ theo thông tin điều khiển QoS nhận được. Thuật toán giảm:
If ENrOut > 0 then
Rs = RrIn + RrOut * β
Với 0 < β < 1 , RrIn và RrOut là tốc độ đầu ra của các gói In và Out tại các router cổng ra. Và
If ENrIn > 0 or Ns ≠ Nr then
Rs = RrIn * γ
Với 0< γ < 1
3.3.6.2 Thuật toán RIO
RED có các cổng vào ra In/Out (RIO) là cơ chế AQM cơ sở phù hợp cho bộ AF PHB. RIO là phần mở rộng của RED sử dụng hai tập các tham số để phân biệt loại bỏ các gói In(In profile) và các gói ngoài Out(out profile). Để quyết định khi nào loại bỏ các gói Out thì RIO sử dụng kích thước trung bình của tổng chiều dài hàng đợi. RIO sẽ được mở rộng để xử lý n>2 precedence cho cùng một nguyên lý. Xác suất loại bỏ các gói của Precedence 1≤ j <n phụ thuộc vào kích thước trung bình của hàng đợi ảo
chứa các gói có Precedence từ 1 tới j. Với các gói có mức precedence n (ví dụ là ưu tiên thấp nhất), xác suất loại bỏ các gói là chức năng của độ chiếm giữ trung bình của hàng đợi vật lý. Cách thức ban đầu này còn gọi là RIO-C (RIO coupled) để phân biệt với các cách thức sau đó. 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. RIO-C phân biệt các gói theo các precedence theo 3 cách. Cách thứ nhất sử dụng các mức ngưỡng khác nhau cho các precedence khác nhau, do đó các gói có precedence thấp sẽ bị loại bỏ trước các gói có độ ưu tiên cao hơn. Cách thứ hai là sử dụng xác suất loại bỏ tăng tại tốc độ khác nhau cho các độ ưu tiên khác nhau. Cách thứ 3 nằm trong tính toán kết hợp của xác suất loại bỏ gói. Trên thực tế xác suất loại bỏ gói có precedence j sử dụng số lượng trung bình các gói của tất cả các precedence thấp hơn. Hai cách đầu tiên dựa trên việc thiết lập đơn giản các tham số khác nhau do đó chúng không loại trừ lẫn nhau.
Bên cạnh đó RIO được dùng để hỗ trợ cho các bộ điều khiển tốc độ để quyết định xem nên điều chỉnh tốc độ như thế nào cho hợp lý tại các router đầu vào. Trong cơ chế E2E-CCS các router lõi giám sát hàng đợi đầu ra và đánh dấu các bit ECN trong các gói đến một cách ngẫu nhiên. Do đó điều khiển tắc nghẽn sẽ được thực hiện khi độ chiếm giữ hàng đợi trong router lõi bắt đầu đạt tới mức ngưỡng hiện thời. Bên trong mạng, tại các Router sẽ không có sự chia sẻ lưu lượng từ phía người sử dụng trong các luồng khác nhau hoặc trong các hàng đợi. Các gói của tất cả các người sử dụng được tậphợp lại trong một hàng đợi. Các người sử dụng khác nhau có các Profile khác nhau do họ có số lượng các gói In trong hàng đợi khác nhau.
Thuật toán RIO:
For arrival packet If là gói In
Tính toán kích thước hàng đợi In trung bình avgin Else tính toán kích thước hàng đợi tổng avgtotal If là gói In
If minin ≤ avgin < maxin Tính toán xác suất Pin;
với Pin là xác suất loại bỏ gói else if maxin ≤ avgin
If là gói Out
If minout ≤ avgtotal < maxout Tính toán xác suất Pout;
với Pout là xác suất loại bỏ gói này else if maxout ≤ avgtotal
loại bỏ gói này
Bằng cách lựa chọn các tham số để thể hiện thuật toán, RIO có thể đối xử với các gói Out khác nhau tại thời điểm tắc nghẽn và ưu tiên loại bỏ gói khi có tắc nghẽn xảy ra.
Nhìn chung mỗi khi có gói đến router sẽ kiểm tra xem gói đó là gói In hay gói Out. Nếu là gói In router sẽ tính toán avgin (kích thước hàng đợi trung bình của gói In),
nếu nó là các gói Out, router sẽ tính toán các avgtotal (kích thước hàng đợi trung bình
của các gói Out). Xác suất loại bỏ các gói In phụ thuộc vào avgin , xác suất loại bỏ các
gói Out phụ thuộc vào avgout.
Hoạt động của thuật toán RIO
3 tham số minin, maxin, Pmax(in) , định nghĩa khoảng hoạt động bình thường của RIO [0 ,minin), pha thứ 2: tránh tắc nghẽn [minin , maxin) và điều khiển tắc nghẽn [maxin
, ∞) đối với các gói In. Tương tự với các gói Out ta lựa chọn được các tham số: minout ,maxout , Pmax(out).
Việc phân biệt đối xử các gói Out được thực hiện bằng việc lựa chọn các tham số: Lựa chọn minout< minin thì router sẽ loại bỏ các gói Out sớm hơn nhiều so với các gói In. Trong pha tránh tắc nghẽn thì xác suất loại bỏ các gói out sẽ lớn hơn khi thiết lập Pmax(out)>Pmax(in). Thứ 3: các gói Out sẽ tiến tới pha điều khiển tắc nghẽn sớm hơn các gói In khi thiết lập maxout<<maxin. Tóm lại RIO sẽ loại bỏ các gói out đầu tiên ngay khi có dấu hiệu của tắc nghẽn xảy ra, và nó sẽ loại bỏ toàn bộ các gói Out khi có tắc
nghẽn. Trong thuật toán RIO trên thì sử dụng avgtotal để quyết định xác suất loại bỏ các
gói Out, router có thể duy trì kích thước hàng đợi bé và khả năng thông qua cao mà không ảnh hưởng tới các lưu lượng trộn trong đó.
Trong lược đồ điều khiển tắc nghẽn thì việc tăng hay giảm tốc độ gửi của tập hợp các luồng là một vấn đề quan trọng. Tại các router đầu vào, thuật toán điều khiển việc tăng hay giảm các luồng lưu lượng đầu vào dựa trên các thông tin điều khiển QoS. Tần số đưa ra quyết định này phụ thuộc vào việc thay đổi tốc độ có thường xuyên hay không. Trong lược đồ này khi các router đầu vào nhận được các gói điều khiển từ router đầu ra, nó sẽ thay đổi tốc độ theo các chức năng quyết định và các thuật toán tăng, giảm. Do đó tần số quyết định của E2E-CCS được quyết định bởi việc
các router đầu vào có thường xuyên gửi các gói điều khiển QoS hay không. Tần số quyết định hay T được thiết lập tới giá trị RTT ngắn nhất giữa các router đầu vào và đầu ra trong trường hợp không có tắc nghẽn.