4.5 Nghiên cứu A-RIO bằng mô phỏng 9 5-
4.5.1 Cấu hình mạng mô phỏng 9 5-
S1
AQM
Hình 4.11: Cấu hình mạng mô phỏng A-RIO
S 2 S100 R1 R2 D trTCM Tagger 1Mbps 60Mbps, 5ms 30Mbps, 2ms
Topo mạng mô phỏng đƣợc minh hoạ nhƣ hình 4.11. Mạng gồm 100 nút nguồn (S1 – S100) đƣợc nối với router vào R1 bằng các đƣờng truyền 1Mbps, mỗi nguồn đồng thời là một router biên đƣợc cài đặt bộ đánh dấu trTCM (two rate Three Color Maker) [16]. Hàng đợi vật lý đƣợc đặt tại lối ra của router R1, với kích thƣớc tối đa 1000 gói tin. Các gói tin sau khi qua bộ đánh dấu sẽ nhận đƣợc một dấu (giá trị trƣờng DS trong gói tin) tƣơng ứng với ba mức ƣu tiên trong hàng đợi vật lý. Tất cả các luồng đƣợc sau khi đánh dấu đƣợc chuyển tiếp trong một lớp AF qua router R2 và đến nút đích chung D. Kênh truyền chung (kênh tắc nghẽn) nối giữa hai router R1, R2 có tốc độ 30Mbps (bằng 30% tổng dung lƣợng kết hợp từ 100 nguồn vào). Các chiến lƣợc AQM (RIO, A-RIO, GRIO) đƣợc đặt tại hàng đợi tại R1.
4.5.2 Các nguồn lƣu lƣợng
Các kịch bản mô phỏng đƣợc thể hiện trong bảng 4.2. Với mỗi chiến lƣợc AQM, chúng tôi tổ chức theo 6 trƣờng hợp, tuỳ theo kiểu lƣu lƣợng và thời gian khứ hồi (RTT) của mỗi nguồn, số nguồn giữ cố định là 100. Mỗi trƣờng hợp đƣợc coi nhƣ là một hồ sơ lƣu lƣợng cho trƣớc.
Bảng 4.2: Các kịch bản mô phỏng.
Case AQM Số nguồn RTT Tỷ lệ đảm bảo
(% tốc độ link) Tổng FTP Pareto
On/Off
1 A-RIO, RIO, G-RIO 100 100 0 = 25 50 75 100 125 2 A-RIO, RIO, G-RIO 100 100 0 25 50 75 100 125 3 A-RIO, RIO, G-RIO 100 0 100 = 25 50 75 100 125 4 A-RIO, RIO, G-RIO 100 0 100 25 50 75 100 125 5 A-RIO, RIO, G-RIO 100 20 80 = 25 50 75 100 125 6 A-RIO, RIO, G-RIO 100 20 80 25 50 75 100 125 Trong các trƣờng hợp 1, 2, lƣu lƣợng đƣợc tạo bởi 100 nguồn FTP dài (long- lived FTP - luồng FTP không bị giới hạn số lƣợng dữ liệu phát). Các trƣờng hợp 3 và 4, thì các nguồn đều là Pareto On/Off chạy trên TCP, các tham số cho các luồng này đƣợc liệt kê trong bảng 4.3 dƣới đây. Các trƣờng hợp 5 và 6, lƣu lƣợng đƣợc
kết hợp giữa 20 luồng FTP và 80 luồng Pareto On/Off. Bảng 4.3 dƣới đây liệt kê các giá trị tham số cụ thể cho từng kiểu lƣu lƣợng đƣợc sử dụng trong các mô phỏng của chúng tôi.
Bảng 4.3: Các tham số lƣu lƣợng
Mặt khác RTTs của các đƣờng link vào là 50ms đối với các trƣờng hợp 1, 3 và 5; và nó sẽ thay đổi từ 50 – 250 ms (với bƣớc nhảy 2ms) đối với các trƣờng hợp 2, 4 và 6. Việc tính các tham số trong cột bên phải nhất (cột tỷ lệ đảm bảo) dựa vào kỹ thuật đánh dấu sẽ đƣợc trình bày ngay sau đây - mục 4.5.3). Chúng tôi chủ ý tạo các trƣờng hợp nhƣ vậy là để tạo ra một giải rộng các hồ sơ lƣu lƣợng với sự phức tạp ngày càng tăng lên: từ chỉ gồm các nguồn FTP với RTT không đổi (trƣờng hợp 1) cho đến kết hợp giữa cả hai loại FTP và Pareto On/Off với sự biến đổi của RTT (trƣờng hợp 6). Các mô phỏng đƣợc chạy trong thời gian 120s, các nguồn phát ở các thời điểm ngẫu nhiên từ 2-12s.
4.5.3 Kỹ thuật đánh dấu trTCM
Kỹ thuật đánh dấu phân loại gói tin đƣợc dùng ở đây là trTCM (two rate Three Color Marking) [16]. trTCM sử dụng hai token buckets C và P, có tốc độ cho phép là CIR (Commited Information Rate) và PIR (Peak Infomation Rate) tƣơng ứng. Kích thƣớc tối đa của token bucket C là CBS (Commited Burst Size), của P là PBS (Peak Burst Size). Kỹ thuật đƣợc thực hiện nhƣ sau: Các token buckets C và P đƣợc khởi tạo đầy, tức là biến đếm token P đƣợc khởi tạo Tp(0) = PBS, biến đếm
Kiểu lƣu lƣợng Tham số Giá trị
FTP Giao thức truyền
Kích thƣớc cửa sổ
TCP Reno 15
Pareto On/Off Giao thức truyền Kích thƣớc cửa sổ Mean burst time Mean idle time Peak rate
Shape (phân phối Pareto)
TCP Reno 15 350 ms 650ms 1000 kb/s 1.5
token C đƣợc khởi tạo Tc(0) = CBS; sau đó, mỗi giây Tp đƣợc tăng PIR đơn vị (token) cho đến PBS, và Tc sẽ tăng CIR đơn vị (token) cho đến CBS. Mỗi khi một gói tin kích thƣớc B bytes đến tại thời điểm t, bộ đánh dấu trTCM sẽ thực hiện đánh dấu gói tin nhƣ sau:
Nếu Tp(t) < B, gói tin sẽ đƣợc đánh dấu là red (mức ƣu tiên thấp nhất), ngƣợc lại:
Nếu Tc(t) < B, gói tin sẽ đƣợc đánh dấu là yellow (mức ƣu tiên trung bình) và Tp giảm đi PIR, ngƣợc lại:
Gói tin đƣợc đánh dấu green (mức ƣu tiên cao nhất) và cả Tp lẫn Tc đều đƣợc giảm đi B.
Các màu sau đó đƣợc mã hoá thành các giá trị CP (Code Point) trong DS (Differentiated Service) của gói tin. Nhƣ vậy trTCM dùng 4 tham số và có thể phân loại đƣợc ba mức độ ƣu tiên khác nhau. Theo [24], các tham số này đƣợc ràng buộc bằng các luật sau:
PIR = CIR CBS = CIR PBS = PIR
Nhƣ vậy chỉ cần cho CIR thì ta tính đƣợc tất cả các tham số còn lại. Trong mô phỏng chúng tôi chọn = 2, = 1.5, CIR = 1% tốc độ đảm bảo tổng cộng (=1%*30Mbps = 0.3Mpbs).
Mỗi trƣờng hợp mô phỏng, chúng tôi tiến hành 5 mô tả đánh dấu, mỗi mô tả đƣợc xác định bằng một tốc độ đảm bảo tổng cộng đƣợc tính theo một tỷ lệ băng thông của kênh truyền chung. Tốc độ đảm bảo có thể xem nhƣ tƣơng ứng với mức tiền mà ngƣời dùng phải trả cho nhà cung cấp, theo đó, tỷ lệ càng cao nghĩa là ngƣời dùng phải trả nhiều hơn, và sẽ đƣợc cung cấp nhiều băng thông hơn trên kênh truyền chung. Trong mô phỏng của chúng tôi, tốc độ đảm bảo tổng cộng lần lƣợt đƣợc cho bằng các tỷ lệ là 25%, 50%, 75%, 100% và 125% so với băng thông kênh
truyền ra, với băng thông này là 30Mbps. Ví dụ nếu ta lấy tỷ lệ là 50% thì tốc độ đảm bảo tổng cộng là 15Mbps, tốc độ này sau đó đƣợc chia sẻ cho 100 kết nối, nhƣ vậy nếu đƣợc phục vụ công bằng, mỗi nguồn sẽ nhận đƣợc 0.15Mbps băng thông trên kênh tắc nghẽn R1R2. Vì kênh truyền chung có băng thông không đổi (30Mbps), nên tỷ lệ tốc độ đảm bảo càng cao thì mức độ tắc nghẽn trên kênh chung càng lớn. Ở đây chúng tôi chọn 5 giá trị để tạo các kịch bản với mức độ tắc nghẽn khác nhau, theo đó mức 125% gây ra tắc nghẽn lớn nhất.
4.5.4 Các tham số AQM
Có tất cả 90 mô phỏng chia đều cho 3 chiến lƣợc, mỗi chiến lƣợc 30 mô phỏng ứng với 6 trƣờng hợp và 5 mô tả đánh dấu. Nhƣ đã trình bày trong phần 4.4, tham số duy nhất phải thiết lập cho A-RIO là độ trễ đích (độ trễ mong muốn đạt đƣợc), các tham số còn lại đƣợc tính tự động qua độ trễ đích và băng thông của kênh truyền backbone. Các giá trị này sau đó đƣợc gán cho các tham số trong trƣờng hợp G-RIO. Còn đối với RIO thì mô hình ngƣỡng chồng một phần đƣợc áp dụng, các tham số đƣợc thiết lập theo kích thƣớc hàng đợi tối đa, nhƣ đƣợc thể hiện trong bảng 4.4. Bảng 4.5 mô tả việc thiết lập giá trị các tham số cho các chiến lƣợc AQM. Ở đây các tham số cho A-RIO và G-RIO đƣợc tính dựa trên độ trễ đích là 50ms, băng thông 30 Mbps, và kích thƣớc gói tin là 1000 bytes. Đối với trƣờng hợp A-RIO, các ngƣỡng đƣợc tính tự động, còn việc thiết lập các giá trị maxp(i) chỉ là khởi tạo, bởi vì nó sẽ đƣợc thay đổi liên tục trong suốt quá trình chạy mô phỏng.
Màu Minth Maxth
Red 0.10Q 0.25Q
Yellow 0.20Q 0.40Q
Green 0.35Q 0.65Q
Bảng 4.4: Mô hình chồng ngƣỡng cho RIO
Độ ƣu tiên
Dấu (màu)
A-RIO/G-RIO RIO
minth maxth maxp wq minth maxth maxp wq
1 Green 94 281 0.02 0.0003 350 600 0.02 0.002 2 Yellow 94 281 0.1 0.0003 200 400 0.1 0.002
3 Red 94 281 0.2 0.0003 100 250 0.2 0.002
4.5.5 Kết quả mô phỏng
Phần này chúng tôi đƣa ra các kết quả mô phỏng đƣợc trình bày theo các khía cạnh hiệu năng của A-RIO nhƣ đã đƣa ra trong phần đánh giá lý thuyết: đó là khả năng đạt đƣợc độ trễ đích bằng cách giữ cho kích thƣớc hàng đợi ổn định ở một khoảng mong muốn; khả năng bảo vệ các gói tin có mức ƣu tiên cao hơn trong khi vẫn đảm bảo hiệu suất sử dụng đƣờng truyền cao; mức độ phân phối băng thông công bằng cho các nguồn trên kênh truyền chung; và cuối cùng là kết quả chi tiết hơn về ba mô phỏng điển hình với tính chất khác nhau đƣợc trích ra từ tổng cộng 90 mô phỏng đã làm để tìm hiểu sâu hơn về A-RIO.
a. Kích thƣớc hàng đợi trung bình - độ trễ
Trong hình 4.12, đồ thị của kích thƣớc hàng đợi trung bình của từng trƣờng hợp ứng với 3 chiến lƣợc A-RIO, RIO và G-RIO tƣơng ứng. Với độ trễ đích là 50 ms, băng thông 30Mbps, các ngƣỡng đƣợc tính nhƣ trong bảng 4.5, kích thƣớc trung bình phải dao động quanh giá trị 187.5 gói tin. Chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy A-RIO giữ cho kích thƣớc hàng đợi trung bình ổn định quanh một giá trị trong hầu hết các trƣờng hợp. Chỉ trừ trƣờng hợp 4, kích thƣớc hàng đợi và độ trễ hàng đợi thấp hơn với mọi tốc độ đảm bảo. Điều này là hợp lý vì đây là trƣờng hợp lƣu lƣợng đƣa vào nhẹ nhất (100 luồng Pareto On/Off và với độ trễ biến thiên). Ngƣợc lại với A-RIO, kích thƣớc hàng đợi trung bình với RIO biến thiên trong một miền rộng với các kịch bản khác nhau, dẫn tới độ trễ cũng biến thiên ở một khoảng rất rộng. Điều này gây ra khó khăn cho nhà cung cấp dịch vụ không đảm bảo cung cấp
dịch vụ với độ trễ ổn định. Với G-RIO, nó không đạt đƣợc mức độ ổn định nhƣ A- RIO, tuy nhiên so với RIO thì nó tốt hơn, kích thƣớc hàng đợi trung bình biến thiên trong một khoảng nhỏ hơn. Kết quả này cho thấy, khi không có hiệu chỉnh on-line, việc kết hợp các luật sinh tự động các giá trị tham số của A-RED và dùng phƣơng pháp chồng ngƣỡng có thể giúp RIO tĩnh thu đƣợc một kết quả tốt hơn rất nhiều, cụ thể về mặt đảm bảo độ trễ đích.
b. Bảo vệ các gói tin ƣu tiên cao
Bảng 4.6 đƣa ra các kết quả về hệ số sử dụng đƣờng truyền và mức độ bảo vệ các gói ƣu tiên trên kênh truyền chung. Trong đó hệ số sử dụng đƣờng truyền đƣợc tính bằng thông lƣợng tổng cộng của tất cả các kết nối chia cho dung lƣợng kênh truyền: util = total throughput/bandwidth, còn mức độ bảo vệ dữ liệu ƣu tiên đƣợc xem nhƣ là mức độ loại bỏ các gói tin có mức độ ƣu tiên cao, cụ thể ta tính tỷ lệ loại bỏ các gói tin green. Dựa vào bảng ta thấy hệ số sử dụng đƣờng truyền là xấp xỉ nhau trong các thuật toán AQM khác nhau. Căn cứ vào giá trị trung bình của tất cả các hệ số sử dụng đƣờng truyền, ta thấy về mặt tổng thể, A-RIO đạt đƣợc hiệu suất đƣờng truyền cao hơn RIO (91.81% so với 91.53%), G-RIO thì thấp hơn một chút (91.29%). Còn về tỷ lệ loại bỏ các gói tin Green, các chiến lƣợc AQM đều tăng tỷ lệ loại bỏ khi tải tăng (tốc độ đảm bảo tăng). Trong 3 thuật toán thì A-RIO và G-RIO thực hiện loại bỏ tích cực hơn so với RIO. Điều này là hợp lý, bởi vì A-RIO và G- RIO sử dụng các ngƣỡng xếp chồng hoàn toàn, còn RIO thì không và các gói tin green đƣợc đặt giữa hai ngƣỡng có giá trị cao, dẫn tới khó bị loại bỏ. Tuy nhiên, tỷ lệ loại bỏ là rất thấp, trung bình 0.29 với A-RIO, 0.27 với G-RIO và 0.06 với RIO, và tỷ lệ loại bỏ chỉ > 1% ở các trƣờng hợp 1, 3, 5 khi tốc độ đảm bảo >= 100% dung lƣợng kênh.
Bảng 4.6: Hệ số sử dụng đƣờng truyền và mức độ bảo vệ gói tin ƣu tiên cao Case Case Tốc độ đảm bảo (%) Hệ số sử dụng đƣờng truyền (%)
Tỷ lệ loại bỏ các gói Green (%)
RIO A-RIO G-RIO RIO A-RIO G-RIO
1 25 92.7 93.3 93.06 0 0 0 50 93.35 93.25 93.34 0 0.03 0 75 93.36 93.32 93.31 0 0.18 0.36 100 93.39 93.19 93.33 0.08 1.06 0.98 125 93.4 92.44 93.13 0.76 1.7 1.44 2 25 88.43 91.49 86.87 0 0 0 50 91.53 91.51 90.35 0 0.01 0 75 91.53 91.49 91.06 0 0.13 0.06 100 91.53 91.52 91.45 0 0.26 0.23 125 91.55 91.52 91.44 0.03 0.35 0.35 3 25 90.6 91.66 89.85 0 0 0 50 91.83 91.84 91.64 0 0.01 0 75 91.89 91.8 91.59 0 0.11 0.18 100 91.91 91.87 91.85 0.02 0.45 0.67 125 91.93 91.65 91.88 0.4 1.36 1.17 4 25 88.72 90.12 88.64 0 0 0 50 90.13 90.5 89.62 0 0 0 75 90.49 90.38 90.05 0 0 0 100 90.6 90.44 90.39 0 0.07 0.1 125 90.5 90.42 90.05 0 0.12 0.08 5 25 90.73 92.81 92.21 0 0 0 50 92.85 92.71 92.88 0 0.01 0 75 92.94 92.85 92.84 0 0.15 0.26 100 92.92 92.83 92.88 0.03 0.67 0.72 125 92.95 92.47 92.9 0.6 1.38 1.17 6 25 88.36 91.37 87.88 0 0 0 50 91.4 91.41 90.64 0 0 0 75 91.45 91.38 91.01 0 0.11 0.01 100 91.45 91.44 91.24 0 0.24 0.18 125 91.48 91.38 91.28 0 0.31 0.26 Mean 91.53 91.81 91.29 0.06 0.29 0.27
c. Mức độ công bằng
Mỗi nguồn phát đƣợc nối với kênh tắc nghẽn (kênh truyền chung) bởi các đƣờng truyền tốc độ nhƣ nhau là 1 Mbps, chúng đƣợc đánh dấu bằng các bộ trTCM nhƣ nhau, vì vậy về mặt lý thuyết chúng phải đƣợc cấp phát một lƣợng băng thông nhƣ nhau trên kênh tắc nghẽn.
Để nghiên cứu vấn đề này, chúng tôi đã tính thông lƣợng cho từng luồng, tính thông lƣợng trung bình Mean, độ lệch chuẩn SD và hệ số biến thiên CV (CV =
SD/Mean) cho từng kết nối. CV chính là đại lƣợng đặc trƣng cho mức độ sai khác giữa các mẫu trong một thống kê, CV càng nhỏ thì mức độ sai khác giữa các mẫu càng ít, các mẫu càng hội tụ về giá trị trung bình. Vì vậy CV nhỏ đồng nghĩa với chiến lƣợc AQM đạt đƣợc sự công bằng cao. Bảng 4.7 đƣa ra kết quả tính toán CV
trên từng trƣờng hợp. Từ bảng 4.7 chúng ta có thể thấy, RIO với CV trung bình nhỏ nhất, sau đó là G-RIO và A-RIO, ta nói RIO đạt đƣợc sự công bằng cao nhất. Hơn nữa, CV trong toàn bảng chỉ dao động trong khoảng từ 0.47%-3.71%, đây là một tỷ lệ rất nhỏ, và ta có thể kết luận đƣợc rằng nhìn chung, các thuật toán AQM ở đây (RIO, A-RIO và G-RIO) đảm bảo việc phân phối dải thông công bằng.
d. Một số mô phỏng điển hình
Phần này ta tập trung vào một số trƣờng hợp điển hình để nghiên cứu sâu hơn về A-RIO và so sánh với RIO. Ta sẽ lần lƣợt xem xét các trƣờng hợp: tải nặng (trƣờng hợp 3 với tốc độ đảm bảo 100%), trƣờng hợp tải trung bình (case 6 - 50%) và trƣờng hợp tải nhẹ (case 4 - 75%). Kết quả các mô phỏng đƣợc trình bày bằng các đồ thị trên các hình 4.13, 4.14, 4.15 và các bảng 4.8, 4.9, 4.10 tƣơng ứng. Chúng đƣợc bố trí theo cùng một cách: bên trái là các đồ thị biểu diễn các kết quả thu đƣợc với A-RIO, bên phải là với RIO; hàng trên cùng là đồ thị kích thƣớc hàng đợi trung bình tổng cộng, ở giữa là đồ thị về maxp
(i)
– xác suất loại bỏ tối đa của mỗi mức ƣu tiên, hàng dƣới cùng là kích thƣớc trung bình của các hàng đợi ảo tƣơng ứng với các mức ƣu tiên.
Bảng 4.7: Độ đo mức độ công bằng
Case
Tốc độ đảm bảo
(%)
A-RIO RIO G-RIO
Thông lƣợng trung bình (Mbps) CV(%) Thông lƣợng trung bình (Mbps) CV(%) Thông lƣợng trung bình (Mbps) CV (%) 1 25 0.28 0.73 0.28 0.62 0.28 0.66 50 0.28 0.63 0.28 0.52 0.28 0.61 75 0.28 0.63 0.28 0.58 0.28 0.6 100 0.28 0.69 0.28 0.47 0.28 0.68 125 0.28 0.95 0.28 0.67 0.28 0.78 2 25 0.27 2.93 0.27 3.04 0.26 3.05 50 0.27 2.16 0.27 1.44 0.27 2.40 75 0.27 2.80 0.27 2.16 0.27 2.38 100 0.27 3.08 0.27 1.89 0.27 2.47 125 0.27 3.36 0.27 2.29 0.27 2.93 3 25 0.27 1.30 0.27 1.1 0.27 1.29 50 0.28 1.37 0.28 1.68 0.27 1.27