Một số phương pháp điều khiển tắc nghẽn truyền thống

3.2.1 DECbit

DECbit là một trong các mô hình điều khiển tắc nghẽn sớm nhất. Phương pháp này sử dụng phản hồi ẩn. Trong DECbit, mạng cung cấp thông tin phản hồi cho phép phía gởi điều chỉnh lưu lượng vào mạng. Các bộ định tuyến giám sát kích thước trung bình của hàng đợi trong khoảng thời gian được định nghĩa. Nếu độ dài trung bình của bộ đệm vượt quá ngưỡng (threshold) thì bộ định tuyến thiết lập một bit chỉ dẫn chống tắc nghẽn (gọi là DECbit) trong các gói tin để thông báo sự tắc nghẽn của mạng. Phía nhận gởi lại bit này trong thông báo nhận được đến phía gởi. Phía gởi giám sát các bit chỉ dẫn chống tắc nghẽn này để điều chỉnh kích thước của

cửa sổ gởi như sau: Nếu xảy ra tắc nghẽn thì giảm đi theo phép nhân (nhân với

0,875), trong trường hợp ngược lại thì kích thước cửa sổ được tăng lên theo phép

cộng.

DECbit là phương pháp khá đơn giản và hữu hiệu. Tuy nhiên, căn cứ vào các tiêu chí nêu trên thì thuật toán này không đạt được tính hiệu quả vì lưu lượng bị gạt bỏ đáng kể (qua hệ số 0,875) dẫn đến thông lượng rất thấp. Ngoài ra, các tiêu chí về

Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn

35

tính bình đẳng, độ hội tụ, độ mịn điều khiển cũng không đạt được. Thuật toán không phù hợp cho các ứng dụng mới trong NGN.

3.2.2 Điều khiển chống tắc nghẽn trong TCP

TCP (Transmission Control Protocol) [11] là giao thức phổ biến nhất hiện nay cho truyền dữ liệu tin cậy trên Internet. Ngoài điều khiển chống tắc nghẽn ra, nó còn thực hiện chức năng khôi phục dữ liệu đã mất và quản lý kết nối. Điều khiển chống tắc nghẽn trong TCP thuộc loại điều khiển vòng kín phản hồi ẩn, TCP dựa vào mất gói để phát hiện tắc nghẽn. Nó có 2 cơ cấu để phát hiện ra mất gói. Đầu tiên, khi gói được gởi, phía gởi TCP khởi tạo bộ định thời. Nếu bộ định thời hết hiệu lực trước khi gói được xác nhận, TCP xem như gói bị mất. Thứ 2, khi phía nhận TCP nhận gói không đúng trật tự. Nó gởi xác nhận ACK cho gói mà nó nhận gần nhất. Ví dụ, giả sử phía nhận nhận gói từ 1 đến 5, và gói 6 bị mất. Khi phía nhận nhận gói 7, nó gởi dupack cho gói 5. Phía gởi TCP xét các sự tới của 3 bản sao phúc đáp (3 dupack) như dấu hiệu của 1 gói mất.

Kết nối TCP qua 2 pha: khởi đầu chậm và pha AIMD. Hình 3.1 cho ta thấy quỹ đạo điển hình của cửa sổ chống tắc nghẽn.

 Khởi đầu chậm: TCP đi vào mô hình khởi đầu chậm khi bắt đầu kết nối.

Trong suốt quá trình khởi đầu chậm, phía gởi tăng tốc độ gởi theo hàm mũ. Cụ thể, khi bắt đầu khởi đầu chậm cửa sổ tắc nghẽn thiết lập là 1 đoạn, là MSS khởi tạo bởi phía gởi trong suốt giai đoạn thiết lập kết nối. Do đó, phía gởi gởi 1 đoạn và đợi cho tới khi phía nhận xác nhận nó. Một khi ACK đến phía gởi, phía gởi tăng cửa sổ chống tắc nghẽn của nó bởi 1, gởi 2 đoạn, và đợi ACK tương ứng. Mỗi khi ack đến, phía gởi có thể gởi 2 đoạn, 4 đoạn, ... gấp đôi lên dẫn đến tăng theo hàm mũ của cửa sổ chống tắc nghẽn. TCP thoát khỏi khởi đầu chậm khi đoạn bị mất. Khi đó phía gởi giảm cửa sổ tắc nghẽn đi 1 nửa và đi vào giai đoạn AIMD.

Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn

36

Hình 3.1 Cửa sổ tắc nghẽn

 AIMD: Trong mô hình này, miễn là không có đoạn nào bị mất, phía gởi TCP

tăng cửa sổ tắc nghẽn của nó bởi 1 MSS mỗi RTT. Khi gói bị mất, TCP giảm cửa sổ tắc nghẽn đi một nửa. Như kết quả, thông lượng biểu thị 1 dãy tăng cộng theo sau bởi giảm nhân. Trạng thái này thường được xem như “TCP sawtooth” hình 3.1.

Điều khiển chống tắc nghẽn trong TCP có những nhược điểm cơ bản là:

 Thông tin phản hồi là ẩn và vì vậy cửa sổ gửi luôn giảm đi một nửa khi xảy ra tắc nghẽn là không thực sự hiệu quả.

 TCP không chia sẻ thông tin điều khiển, vì vậy các kết nối cùng một thời điểm đến cùng một đích (một trường hợp thường xảy ra với lưu lượng web) sẽ phải cạnh tranh, thay vì phối hợp để sử dụng băng thông mạng một cách hợp lý.

 Đối với mạng đa dịch vụ, thuật toán điều khiển chống tắc nghẽn của TCP không đem lại tính bình đẳng cần thiết cho các ứng dụng.

 Đối với mạng có lưu lượng biến đổi động, biến đổi nhanh, điều khiển tắc nghẽn của TCP tỏ ra bất ổn định và không hội tụ [5]

Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn

37

3.3 Một số phương pháp điều khiển tắc nghẽn mới

3.3.1 EWA (Explicit Window Adaptation) và FEWA (Fuzzy EWA)

Phương pháp EWA [10] (Explicit Window Adaptation) dùng thông báo một cách rõ ràng đến phía gởi về băng thông còn khả dụng của các đường ra bằng cách sử dụng cơ chế điều khiển lưu lượng giống như trong TCP để truyền thông tin phản hồi từ các bộ định tuyến đến phía gởi.

Sau mỗi khoảng đo i với thời gian tồn tại không đổi phụ thuộc vào băng thông của tuyến mà router có khả năng EWA được nối, chẳng hạn, 10ms, router với khả năng EWA đo độ dài hàng đợi hiện thời của nó Qi và tính toán độ dài hàng trung bình hiện thời Qi. Q ,i Qi và độ dài hàng trung bình trước đó Qi1 được dùng để tính toán cửa sổ gởi mới cho mỗi kết nối TCP đi qua router:

Cửa sổ gởimaxMSS,.log2BQi.MSS (3.1) Trong đó, B là độ dài hàng lớn nhất trong router (tức là, tại cùng 1 thời điểm nhiều nhất B+1 gói có thể lưu trữ và được chuyển đi trong router), MSS là kích cỡ đoạn của tất cả các kết nối TCP đi qua router, và là hệ số động được tính toán như trong phần sau. B và Qi được biểu diễn theo số gói và MSS được biểu diễn theo số byte. Biểu thức thuật toán trong (3.1) được giới thiệu để phản ánh kết nối TCP với khởi đầu chậm và có thể gởi nhiều hơn 2 lần số đoạn trong khoảng thời gian vòng truyền kế tiếp (RTT- Round Trip Time).

Hệ số có thể thay đổi trong đẳng thức (3.1) được giới thiệu để sử dụng tốt đường truyền nếu chỉ 1 vài kết nối TCP được truyền đoạn qua router. được cập nhật mỗi milli giây như sau:

   f ,Qi      down up     . (3.2) với i i i Q Q Q 128 1 128 127 1   (3.3)

Giá trị khởi tạo của hệ số sử dụng  được thiết lập là 1, tham số up( để tăng cộng) và down(để giảm bằng cách nhân với ) được thiết lập lần lượt là 1/8 và

Nếu Qi ngưỡng dưới Nếu Qi ngưỡng trên

Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn

38

31/32, độ dài hàng đợi ngưỡng dưới và ngưỡng trên trung bình được thiết lập đến 20% và 60% của độ dài hàng B.

Cửa sổ gởi đã tính toán được truyền đến mỗi TCP phía gởi bằng cách hiệu chỉnh cửa sổ thông báo phía nhận trong xác nhận TCP. Router (có khả năng TCP) chỉ giảm cửa sổ khi cần thiết, nhưng không tăng để duy trì điều khiển luồng điểm nối điểm của TCP.

Cửa sổ gởi = min{cửa sổ gởi, cửa sổ thông báo phía nhận} (3.4) Với thông tin phản hồi tắc nghẽn rõ, TCP phía gởi có thể phản ứng lại thích hợp với tải hiện thời trong router hơn nó có thể với cơ cấu khác, chẳng hạn, ECN (Explicit Congestion Notigication) [9] hay RED (Random Early Detection) [4].

EWA cho thấy các kết quả hoạt động tốt trong các bộ định tuyến có tải lớn, nhưng có một số vấn đề trong các bộ định tuyến hoạt động ở dưới mức tải trong hầu hết thời gian. Lý do nằm ở việc tính toán α, nó đặt quá nhiều vào trọng tải trước đó của bộ định tuyến, vì vậy không thể phản ứng lại đủ nhanh đối với những thay đổi lớn của các điều kiện tải.

Chính vì hạn chế đó EWA mờ (FEWA – Fuzzy EWA) [10] đã phát triển, khác với EWA cũ chủ yếu ở việc tính toán α. FEWA sử dụng một bộ điều khiển mờ để tính α dựa theo giá trị hiện tại và một giá trị gần nhất của bộ đệm bộ định tuyến. Với các thay đổi này trong việc tính toán phản hồi bên trong bộ định tuyến, hiệu suất từ đầu cuối đến đầu cuối có thể đạt được lớn hơn so với EWA.

3.3.2 ETCP (Enhanced TCP)

Ý tưởng của ETCP [10] là sử dụng phản hồi FEWA (dựa trên sự điều khiển thích ứng lưu lượng-AWND) để tính cửa sổ gởi mới (SWND). ETCP phía gởi không thực hiện chu trình bắt đầu chậm (slow start) và tránh tắc nghẽn (congestion avoidance), mà bắt đầu với 1 cửa sổ gởi khởi tạo và cập nhật cửa sổ gởi theo các cách sau:

- Nếu cửa sổ gởi hiện tại lớn hơn cửa sổ điều khiển lưu lượng thì cửa sổ gởi mới được thiết lập bằng cửa sổ điều khiển lưu lượng: SWND AWND

Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn

39

- Nếu cửa sổ gởi hiện tại nhỏ hơn cửa sổ điều khiển lưu lượng thì cửa sổ gởi

được tính như sau:   SWND

SWND AWND

SWND

SWND . / 1/

Với tính toán này cửa sổ của phía gởi ETCP được tăng theo hàm mũ để tiệm cận với cửa sổ điều khiển lưu lượng. Với các thay đổi nhỏ này có thể thu được sự cải thiện đáng kể về khả năng thực hiện.

3.3.3 XCP (Explicit Control Protocol)

XCP [6] là giao thức truyền thông liên quan đến TCP. Không như TCP, XCP cung cấp phản hồi chống tắc nghẽn rõ từ router có khả năng XCP đến XCP phía gởi. Do đó, XCP phía gởi có thể điều khiển cửa sổ gởi thích hợp hơn để đạt được tính hiệu quả, bình đẳng, điều khiển tắc nghẽn có thể mở rộng qui mô và ổn định trong toàn mạng.

Thuật toán điều khiển chống tắc nghẽn phản hồi trong router có khả năng XCP được phân thành 2 phần: thuật toán hiệu quả và bình đẳng. Với phương pháp này, tính hiệu quả và tính bình đẳng giữa các kết nối XCP trong 1 router có thể được quản lý 1 cách tách biệt nhau.

3.3.3.1 Mào đầu chống tắc nghẽn.

Mỗi gói dữ liệu của 1 kết nối XCP mang theo phần mào đầu chống tắc nghẽn (CH) hình 3.2. Hai giá trị đầu tiên, H_cwnd và H_rtt, được thiết lập bởi XCP phía gởi là cửa sổ chống tắc nghẽn hiện thời và RTT ước lượng hiện thời và giữ nó không đổi trong suốt quá trình truyền thông. Giá trị thứ ba, H_feedback, được dùng cho phản hồi chống tắc nghẽn của router. Nó được khởi tạo bởi XCP phía gởi đến giá trị tăng theo yêu cầu cửa sổ chống tắc nghẽn và có thể được điều chỉnh bởi router dựa vào 2 giá trị đầu và thuật toán điều khiển tính hiệu quả và bình đẳng thực hiện trong router.

Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn

40 H_cwnd

H_rtt H_feedback

Hình 3.2 Header chống tắc nghẽn trong gói dữ liệu/xác nhận XCP

Nếu XCP phía gởi có tốc độ gởi yêu cầu  , giá trị khởi tạo cho H_feedback trong mào đầu có thể tính toán như sau:

H _ feedback.rttcwnd/ (3.5)

Trong gói đầu tiên của kết nối XCP, H_feedback được khởi tạo bằng 0, khi XCP phía gởi có RTT ước lượng hiện thời không hợp lệ trong đường dẫn.

XCP phía nhận sao chép mào đầu chống tắc nghẽn của gói dữ liệu đến sang xác nhận ACK và gởi xác nhận bao gồm mào đầu chống tắc nghẽn đến XCP phía gởi. Sau khi xác nhận ACK đến nơi, XCP phía gởi sửa lại cửa sổ chống tắc nghẽn mới theo phản hồi router chứa trong mào đầu chống tắc nghẽn:

} , _ max{cwnd H feedback s cwnd   (3.6) với s là kích cỡ gói. 3.3.3.2 Bộ điều khiển chống tắc nghẽn.

Như đã đề cập, bộ điều khiển chống tắc nghẽn trong router có khả năng XCP được chia thành điều khiển hiệu quả (EC) và điều khiển bình đẳng (FC). Nhiệm vụ của bộ điều khiển hiệu quả là tận dụng kết nối lớn nhất, tốc độ mất gói nhỏ nhất và hàng của đường dẫn ổn định. Chỉ đề cập đến EC khi lưu lượng đường truyền ổn định và không quan tâm sự bình đẳng giữa các luồng có lưu lượng ổn định. Đây là nhiệm vụ của bộ điều khiển bình đẳng. Dùng thông tin phản hồi chống tắc nghẽn trên mỗi kết nối hiện thời được tính toán bởi EC, FC tính thông tin phản hồi chống tắc nghẽn trên mỗi gói hiện thời cho mỗi luồng. Thông tin chống tắc nghẽn được chứa trong trường H_feedback của mào đầu chống tắc nghẽn trong tất cả các gói và truyền lại cho mỗi XCP phía gởi.

Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn

41

Với mỗi kết nối, router duy trì bộ định thời điều khiển được thiết lập xấp xỉ đến giá trị RTT ước lượng trung bình của XCP phía gởi trên kết nối đó. Sau khi hết thời gian chờ (time-out) của bộ định thời điều khiển mỗi luồng, EC và FC được dùng để tính giá trị hiện thời của phản hồi điều khiển chống tắc nghẽn cho luồng XCP đi qua đường dẫn này. Các thuật toán điều khiển chống tắc nghẽn và điều khiển bình đẳng của bộ định tuyến XCP có đặc điểm là không đòi hỏi thông tin trạng thái của mỗi luồng. Thay vào đó, bộ định tuyến khai thác thông tin lưu lượng tổng bằng cách tích luỹ thông tin từ tất cả các gói truyền qua bộ định tuyến trong một khoảng thời gian nhất định.

Trong phần sau, biểu thức toán học của phép tính EC và FC được trình bày.

 Bộ điều khiển hiệu quả (EC)

Mục đích của bộ điều khiển hiệu quả là tăng tính sử dụng đường truyền trong khi tối thiểu hóa tốc độ mất gói và hàng đợi ổn định. Nó chỉ xét lưu lượng tổng và không chú ý đến tính hiệu quả cũng như luồng mà gói có liên quan.

EC tính số byte mà lưu lượng tổng tăng hay giảm theo mong muốn trong khoảng thời gian điều khiển (RTT trung bình). Phản hồi tổng  (tính theo byte) được tính trong mỗi khoảng điều khiển:

Q S d. . .     (3.7)

Với d là RTT ước lượng trung bình cho kết nối, S là băng thông dự trữ (spare bandwidth) của đường truyền được định nghĩa là hiệu số giữa tốc độ lưu lượng vào và dung lượng đường truyền. Và Q là kích cỡ hàng ổn định của đường truyền (tính theo bytes) với kích cỡ hàng không tiêu hao trong thời gian trễ truyền (đi và về). Q được ước tính như là giá trị nhỏ nhất trong tất cả kích cỡ hàng bởi vài gói. α và β là tham số hằng có giá trị lần lượt là 0.4 và  0.226 trong [6]. Phản hồi chống tắc nghẽn tổng  phải tỉ lệ với S, bởi nếu đường truyền sử dụng khôg đúng mức (S>0) hay tắc nghẽn (S<0), thông tin phản hồi dương hay âm phải được gởi đến XCP phía gởi. Nhưng  phải tỉ lệ với –Q để tiêu hao hàng. Chẳng hạn, nếu tốc độ lưu lượng đầu vào bằng dung lượng đường truyền, tức là, S=0, phản hồi chống tắc

Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn

42

nghẽn tổng  phải là giá trị âm để giảm số gói tại hàng. Đẳng thức (3.7) đảm bảo rằng phản hồi chống tắc nghẽn tổng  của đường truyền tỉ lệ với S và –Q.

Để đạt được tính hiệu quả, chúng ta phân bố phản hồi tổng đến từng gói qua H_feedback. EC chỉ phân phối với trạng thái tổng, nó không quan tâm đến gói nào có phản hồi và mỗi luồng riêng thay đổi cửa sổ chống tắc nghẽn bao nhiêu. Tất cả các yêu cầu của EC là lưu lượng tổng phải thay đổi 1 lượng  trong khoảng thời gian điều khiển. Làm thế nào chúng ta chia phản hồi chính xác giữa các gói (và giữa các luồng) chỉ ảnh hưởng đến tính bình đẳng, và đó là công việc của bộ điều khiển bình đẳng.

 Bộ điều khiển bình đẳng XCP

Công việc của bộ điều khiển bình đẳng (FC) là chia nhỏ phản hồi đến các gói riêng rẻ để đạt được tính bình đẳng. FC dựa vào nguyên lý giống như TCP dùng để hội tụ đến bình đẳng, gọi là tăng cộng giảm nhân (AIMD). Do đó, chúng ta muốn tính toán phản hồi trên mỗi gói theo nguyên lý:

- Nếu >0, lưu lượng của tất cả các luồng tăng giống nhau.