Chương 2. SO SÁNH, ĐÁNH GIÁ PHƯƠNG PHÁP ƯỚC TÍNH BĂNG THÔNG TRONG MẠNG IP
2.3 ĐO BĂNG THÔNG KHẢ DỤNG BẰNG KỸ THUẬT SLoPS
2.3.2 Khảo sát công cụ đo Pathload
Pathload bao gồm hai thành phần: quá trình SND chạy tại phía phát và quá trình RCV chạy tại phía thu. Pathload sử dụng UDP cho các chuỗi dò chu kỳ. Thêm vào đó, một kết nối TCP được thiết lập giữa hai đầu cuối như là một “kênh điều khiển”.
Kênh điều khiển này chuyển các bản tin mang đặc tính của mỗi chuỗi dò, hủy hoặc kết thúc quá trình đo...vv
2.3.2.1 Chọn T và L:
Chu kỳ T và kích thước gói dò L là hai tham số quan trọng trong Pathload. Với R là tốc độ của chuỗi dò:
R=L/T. (2.14) với R cho trước, Pathload chọn các giá trị L,T để thỏa (2.14)
Có một vài ràng buộc trong quá trình chọn T,L. Đặc biệt L không thể nhỏ hơn một số byte nhất định nào đó và cũng không thể lớn hơn MTU của path. Nếu L quá nhỏ, khả năng nhét số 0 (zero-padding) tại các link lớp 2 nào đó có thể làm thay đổi đáng kể trong kích thước gói lớp 2, dẫn đến tốc độ chuỗi dò tại các link đó thay đổi.
Trong Pathload, giá trị L tối thiểu phải bằng 96 byte, giá trị này thấp hơn MTU và gấp đôi giá trị 48 byte.
Mặt khác chu kỳ T nên càng nhỏ càng tốt. Lý do là khi T tăng thì khoảng thời gian của mỗi một chuỗi tăng. Lý tưởng nhất là việc truyền của mỗi chuỗi dò hoàn tất trước khi các quá trình SND và RCV ngắt tại hai đầu cuối. Hơn nữa, T càng nhỏ dẫn đến khoảng thời gian dành cho toàn bộ quá trình đo càng ngắn. Giá trị nhỏ nhất của T phụ thuộc vào phần cứng và hệ thống vận hành của các host thực hiện việc đo. Trong Pathload, T thường lấy giá trị bằng 100μs.
Tóm lại, với R cho trước, Pathload chọn giá trị T nhỏ nhất T=100 μs, rồi tìm L tương ứng từ (2.14). Nếu L nhỏ hơn giá trị nhỏ nhất cho phép (96 byte) thì L lấy giá trị nhỏ nhất và T được tính từ (2.14).
2.3.2.2 Chọn chiều dài của chuỗi K
Nếu K quá lớn, chuỗi dò có thể tràn ngập hàng đợi của tuyến chặt khi R>A, gây nên việc mất gói dò và gói CT. Hiện tượng mất gói như vậy có thể dẫn đến kết quả đánh giá A-Bw không chính xác. Mặt khác nếu K quá nhỏ, chuỗi dò không cung cấp đủ các mẫu cho phía thu để đánh giá các trễ OWD có xu hướng tăng hay không.
Hơn nữa khoảng thời gian của một chuỗi V được định nghĩa như sau:
V=KT (2.15) V liên quan đến giá trị trung bình của thang đo thời gian τ. K càng dài dẫn đến V càng tăng, cũng dẫn đến việc xác định R>A hay không trong thang thời gian đo rộng hơn.
Pathload lấy giá trị K=100 gói, giá trị này hiếm khi gây ra việc mất gói trong khi vẫn cung cấp đủ mẫu cho việc kiểm tra OWD.
2.3.2.3 Một nhóm chuỗi
Pathload không xác định R > A hay không chỉ dựa vào một chuỗi dò đơn. Thay vì thế, nó gửi đi một nhóm N chuỗi. Mỗi một chuỗi bao gồm K gói dò kích thước L byte, được phát đi trong mỗi chu kỳ T giây. Tất cả các chuỗi trong một nhóm đều có tốc độ R=L/T. Mỗi một chuỗi chỉ được gửi sau khi chuỗi trước đó đã được xác nhận. Điều này làm cho giữa các chuỗi dò có một khoảng thời gian rỗi Δ, Δ lớn hơn RTT của một path. Mục đích của khoảng thời gian rỗi Δ này là làm cho path “ sạch sẽ”, tức là chuỗi trước đó không còn trên path trước khi gửi chuỗi kế tiếp.
Có hai lý do để sử dụng N chuỗi, mỗi chuỗi có K gói thay vì sử dụng một chuỗi có N x K gói. Thứ nhất, có N chuỗi cho phép đánh giá N lần liên tục để kiểm tra R>A hay không. Lý do là phía thu có thể kiểm tra OWD cho mỗi chuỗi một cách độc lập.
Thứ hai, việc sử dụng nhiều chuỗi mà chúng được cách nhau bởi một khoảng thời
gian rỗi Δ cho phép các hàng đợi trong mạng “quét” sạch các gói dò và phục hồi trạng thái quá tải trong thời gian ngắn mà mỗi chuỗi dò gây ra. Pathload lấy giá trị N mặc định là N=12 chuỗi dò.
Khoảng thời gian cho mỗi nhóm U được định nghĩa như sau:
U=N x (K x T+Δ) (2.16) 2.3.2.4 Phát hiện xu hướng tăng
Một thuật toán quan trọng trong Pathload là phát hiện xu hướng tăng lên của các OWD của một chuỗi. Giả sử rằng các OWD tương đối của một chuỗi là {D1,D2,...,DK}. Như là một bước tiền xử lý, chia K phép đo OWD thành Γ = K nhóm. Sau đó tính giá trị trung bình của trễ OWD của mỗi nhóm, ký hiệu là ˆDk. Hai giá trị thống kê dùng để kiểm tra xu hướng tăng OWD của chuỗi. Giá trị thứ nhất là PCT(Pairwise Comparison Test) của một chuỗi, được định nghĩa như sau:
2 ( ˆ ˆ 1)
1
k k
k PCT
I D D
S
Γ
= > −
= ∑ Γ − (2.17)
Với I(X) là 1 nếu X thỏa mãn và 0 nếu ngược lại, 0≤SPCT ≤1. Nếu các OWD độc lập, giá trị của SPCT là 0,5. Nếu xu hướng tăng xuất hiện mạnh mẽ thì SPCT tiến đến 1. Trong Pathload, giá trị PCT thông báo xu hướng tăng nếu SPCT >0.66, xu hướng không tăng nếu SPCT < 0.54 và nằm giữa hai giá trị này thì được xem là “xu hướng khụng rừ ràng”.
Giá trị thứ hai là PDT(Pairwise Difference Test) của một chuỗi dò, được định nghĩa như sau:
1 2 1
ˆ ˆ
ˆ ˆ
PDT
k k
k
D D
S I D D
Γ Γ
= −
= −
∑ > (2.18)
PDT xác định sự biến động giữa OWD bắt đầu và OWD cuối so với các giá trị tuyệt đối của biến động OWD kế tiếp trong chuỗi. Giá trị của SPDT được xác định
1 SPDT 1
− ≤ ≤ . Nếu các OWD độc lập, SDPT là 0. Nếu có một xu hướng tăng mạnh mẽ, SDPT tiến đến 1. Trong Pathload, giá trị PDT thông báo xu hướng tăng nếu SPDT
>0.55, xu hướng không tăng nếu SPDT < 0.45 và nằm giữa hai giá trị này thì được xem là “xu hướng khụng rừ ràng”.
Có những trường hợp mà việc dùng một trong hai giá trị thống kê ở trên để phát hiện xu hướng tăng tốt hơn việc sử dụng giá trị còn lại. Ví dụ trên hình 2.15 chỉ ra hai chuỗi dò 12 gói với xu hướng tăng OWD. Hình 2.15a PCT phát hiện được xu hướng tăng còn PDT thì không, trong khi đó ở hình 2.15b thì ngược lại.
Pathload xác định xu hướng tăng hay không tăng OWD theo cách như sau. Khi một trong hai giá trị PDT hoặc PCT thông báo xu hướng “tăng”, trong khi giá trị còn lại là “tăng” hoặc “khụng rừ ràng” thỡ chuỗi dũ đú được cho là loại I (tức là tăng).
Tương tự như vậy, khi một trong giá trị PCT hoặc PDT thông báo xu hướng “không tăng”, trong khi giỏ trị cũn lại là “khụng tăng” hoặc “khụng rừ ràng”, chuỗi dũ được cho là loại N (tức là khụng tăng). Nếu cả hai giỏ trị PCT và PDT là “khụng rừ ràng”, hoặc một là “tăng” và giá trị kia là “không tăng” thì chuỗi dò bị hủy.
2.3.2.5 So sánh giữa R và A sau một nhóm chuỗi dò
Sau khi tất cả N chuỗi của một nhóm được nhận, RCV xác định R> A hay không. Nếu trong N chuỗi có một tỉ lệ lớn f các chuỗi là loại I thì toàn bộ nhóm có xu hướng tăng và R>A. Tương tự nếu tỉ lệ f của N chuỗi là loại N thì nhóm không có xu hướng tăng và R<A. Một trường hợp có thể xảy ra là số lượng các chuỗi loại I hoặc loại N đều nhỏ hơn N x f, lúc đó R nằm trong vùng xám của băng thông khả dụng A. Trong Pathload, f được lấy bằng 70%.
Hình 2.15 chỉ ra các trường hợp vừa được liệt kê ở trên. Hình 2.15.a biểu diễn PCT, hình 2.15.b. là PDT của 3 nhóm (với N=20 chuỗi). Trong nhóm đầu tiên (R=94Mbps, A=75Mbps), tất cả các chuỗi được xác định là loại I. Ở nhóm thứ hai (R=80Mbps, A=74Mbps), 11 chuỗi là loại I, 6 là loại N và 3 bị hủy. Vì vậy, trong trường hợp này, R nằm trong vùng xám của A. Chuỗi thứ ba (R=40Mbps, A=74Mbps), tất cả các chuỗi là loại N.
2.3.2.6 Điều chỉnh tốc độ R
Sau khi một nhóm n có tốc độ R(n) đi qua, Pathload xác định R(n) >A hoặc R(n)<A hay R(n)...A. Sau đó Pathload sử dụng một thuật toán điều chỉnh tốc độ để
Số lượng gói dò Hình 2.15a: PCT cao – PDT thấp
Số lượng gói dò
Hình 2.15: So sánh giữa PCT và PDT cho một chuỗi dò có xu hướng tăng OWD
Hình 2.15b: PCT thấp – PDT cao PCT=4/11 PDT≅1 OWD
PCT=9/11 PDT=0 OWD
Số lượng chuỗi dò trong một nhóm
Hình 2.16a: Các PCT của 3 nhóm (mỗi nhóm có 20 chuỗi)
Giá trị PCT
Số lượng chuỗi dò trong một nhóm
R=94Mbps, A=75Mbps R=80Mbps, A=74Mbps R=40Mbps, A=74Mbps
xác định tốc độ R(n+1) của nhóm kế tiếp. Thuật toán sử dụng một số biến trạng thái như Rmin và Rmax, Gmin và Gmax.
Như đã đề cập ở trên, Rmin là tốc độ cao nhất mà nó nhỏ hơn A-Bw tại một thời điểm nào đó trong khi Rmax là tốc độ thấp nhất mà nó cao hơn A-Bw tại thời điểm đó. Nói cách khác [Rmin, Rmax] là dải giá trị hẹp nhất của A-Bw sau mỗi nhóm dò.
Tương tự, Gmin là tốc độ thấp nhất và Gmax là tốc độ cao nhất mà chúng nằm trong vùng xám sau mỗi nhóm dò. Như vậy [Gmin,Gmax] là dải rộng nhất của vùng xám sau mỗi nhóm dò.
Khi R...A, một trong các giới hạn được cập nhật phụ thuộc vào Gmax<R(n)<Rmax(cập nhật Gmax) hoặc Gmin>R(n)>Rmin(cập nhật Gmin). Nếu vùng xám chưa được phát hiện tại thời điểm đó, R(n+1) được chọn: R(n+1)=1/2(Rmin + Rmax). Nếu vùng xám đã được phát hiện, R(n+1)=1/2(Gmax + Rmax) khi R(n)=Gmax hoặc R(n+1)=1/2(Gmin + Rmin) khi R(n)=Gmin.
Pathload hội tụ đến một giá trị ước lượng A-Bw khi Rmax - Rmin ≤ ω hay khi Rmax-Gmax
≤λ và Gmin-Rmin ≤ λ có nghĩa là khi cả hai giới hạn A-Bw nằm trong λ từ các giới hạn tương ứng của vùng xám. Tham số λ được xem là độ phân giải vùng xám. Trong cả hai trường hợp, Pathload đều kết luận dải [Rmin, Rmax] là kết quả đánh giá cuối cùng.
R=94Mbps, A=75Mbps R=80Mbps, A=74Mbps R=40Mbps, A=74Mbps
Số lượng chuỗi trong một nhóm
Hình 2.16b: Giá trị PDT của 3 nhóm (mỗi nhóm có 20 chuỗi)
Giá trị PCT
Để kiểm tra độ chính xác của công cụ đo Pathload, [6] dùng công cụ MRTG [9]. MRTG thực hiện một phép đo A-Bw trong khoảng thời gian 5 phút trong khi đó Pathload mất khoảng từ 10-30 giây cho một phép đo. Để so sánh kết quả đo giữa MRTG và Pathload thì phải cho Pathload “chạy” liên tục W lần trong 5 phút, mỗi lần đo i mất qi giây. Giá trị trung bình của A-Bw đo theo phương pháp Pathload trong 5 phút được tính theo công thức:
1
ˆ 300 2
min max
w
i i i
i
q R R
R
=
=∑ +
Hình 2.17 so sánh các kết quả đo A-Bw trên một path bằng công cụ MRTG và Pathload trong 12 khoảng thời gian, mỗi khoảng là 5 phút.
Thuật toán điều chỉnh tốc độ:
{
/* Initially Gmin=Gmax=0 */
if (R(n)<A) /* Non-increasing trend*/
Rmin=R(n);
if (Gmin>0)
R(n+1)=(Gmin+Rmin)/2;
else
R(n+1) = (Rmax+Rmin)/2;
else
if (R(n)>A) /* Increasing trend*/
Rmax=R(n);
if (Gmax>0)
R(n+1)=(Rmax+Gmax)/2;
else
R(n+1)=(Rmax+Rmin)/2;
else
/*Grey-region*/
if (Gmin= = Gmax = =0) Gmin=Gmax=R(n);
if (Gmax <=R(n)) Gmax = R(n);
R(n+1)=(Rmax+Gmax)/2;
else if (Gmin>R(n)) Gmin=R(n);
R(n+1)=(Rmin+Gmin)/2;
/* Terminal Condition */
if (Rmax - Rmin≤ ω) || (Gmin – Rmin ≤x && Rmax – Gmax ≤x)) return (Rmin,Rmax);
}
Hình 2.17.a chỉ ra các kết quả của 12 lần đo độc lập bằng Pathload và MRTG trên một đường mạng. Điểm cần lưu ý là đường mạng này có tuyến hẹp khác với tuyến chặt. Dung lượng của tuyến chặt là 8.2Mbps. Độ phân giải của MRTG là 6 Mbps. Với 12 lần đo có 10 lần kết quả đo của Pathload nằm trong dải của MRTG.
Hai lần đo còn lại có kết quả đo Pathload nằm ngoài dải của MRTG, độ sai lệch nhỏ hơn 2 Mbps. Hình 2.17.b có tuyến hẹp trùng với tuyến chặt. Có 9 lần đo kết quả đo Pathload nằm trong dải của MRTG, độ sai lệch của 3 kết quả đo còn lại nhỏ hơn 0.5Mbps.
Hình 2.17: Thuật toán điều chỉnh tốc độ
Pathload cũng đưa ra một tham số ρ để đánh giá độ biến thiên của băng thông
khả dụng. ρ được định nghĩa như sau: ( )/ 2
max min
max min
R R
R R
ρ = −
+ .