Thời gian sử dụng hàng đợi (trễ hàng đợi) là một vấn đề quan trọng trong truyền dẫn thụng tin. Thời gian này phụ thuộc vào cỏc thời gian xử lý, độ dài gúi tin hay thời gian chờ tài nguyờn sử dụng và kớch thước hàng đợi. Trong bảng 2.3[6], giới thiệu một số tham số cơ bản của hàng đợi.
Bảng 2.3 Bảng cỏc tham số cơ bản của hàng đợi
Tham số Kớ hiệu Chỳ thớch
Tốc độ đến trung bỡnh λ Thời gian gúi tin đến hệ thống hàng đợi với vận tốc λ trờn một đơn vị thời gian(s). Tốc độ phục vụ trung bỡnh μ Cỏc gúi tin rời khỏi hệ thống với tốc độ μ trờn một đơn vị thời gian. Hiệu suất sử dụng
dịch vụ r Là khoảng thời gian server bận do phải xử lý, đo bằng r= λ /μ
Độ dài trung bỡnh của hàng đợi Lw Là số gúi nằm trong hàng đợi trung bỡnh tớnh tại tất cả cỏc thời điểm t
Thời gian đợi trung bỡnh
Tw
Cú hai định nghĩa:
Thứ nhất: được tớnh bằng tất cả thời gian gúi tin đến xử lý (bao gồm cả cỏc gúi khụng phải chờ trong hàng đợi)
Thứ hai: chỉ tớnh TB thời gian cỏc gúi tin phải chờ trong hàng đợi
Thời gian phục vụ trung bỡnh Ts Thời gian TB giữa thời điểm gửi gúi tới server và thời điểm rời khỏi server
Thời gian xếp hàng trung bỡnh Tq Thời gian cỏc gúi ở trong hệ thống. Bao gồm thời gian chờ và thời gian phục vụ.
34
Cỏc gúi đến hàng đợi với tốc độ trung bỡnh λ và đõy là một quỏ trỡnh Poisson, thời gian phục vụ trung bỡnh cú phõn bố mũ tốc độ μ. Khi cỏc gúi đến hệ thống tăng thỡ hiệu suất sử dụng hệ thống cũng tăng, dẫn tới tắc nghẽn cú khả năng xảy ra. Với r =1 thỡ cỏc server bóo hoà, do đú tốc độ lớn nhất theo lý thuyết mà hệ thống cú thể xử lý được là: λmax= 1/Ts
Tại λmax thỡ kớch thước hàng đợi rất dài khụng thể kiểm soỏt được. Theo William Stallings trong thực tế thời gian trả lời và những yờu cầu kớch thước hàng đợi giới hạn tốc độ đầu vào của thụng tin là 70-90% so với λmax .
Tại cỏc router và chuyển mạch trong phần lừi của kiến trỳc cỏc dịch vụ phõn biệt (DiffServ) của mạng Internet cú cỏc giải thuật lập lịch và quản lý hàng đợi. Ngày nay kiến trỳc dịch vụ phõn biệt bao gồm hàng đợi cõn bằng cú trọng số (WFQ) cựng kĩ thuật trỏnh tắc nghẽn dựa trờn cỏc thuộc tớnh của thuật toỏn RED và ưu tiờn IP (WRED). Cỏc kĩ thuật trờn 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. Nú sử dụng hai cơ chế độc lập:
Cơ chế điều khiển vũng kớn (Closed Loop Control): điều khiển việc truyền cỏc gúi từ cỏc nguồn đầu cuối tới đớch. Điều khiển vũng kớn dựa trờn trạng thỏi của mạng với sự giỏm sỏt tắc nghẽn và điều khiển lưu lượng dựa trờn thụng tin phản hồi. Trong đú thụng tin phản hồi cú thể là:
- Phản hồi ẩn (Implicit feedback) thực thể gửi sử dụng thời gian chờ biờn nhận (time out) để xỏc định liệu cú xảy ra tắc nghẽn hay khụng.
- Phản hồi rừ ràng (Explixit feedback) một số gúi tin bỏo hiệu được gửi trở lại từ điểm xảy ra tắc nghẽn để bỏo hiệu nguồn gửi giảm tốc độ, gửi chậm lại.
- Điều khiển theo tốc độ: điều khiển một cỏch trực tiếp tốc độ truyền tại phớa đầu gửi.
- Điều khiển theo kớch thước cửa sổ: điều khiển giỏn tiếp tốc độ truyền thụng qua việc thay đổi kớch thước cửa sổ (số gúi tin hoặc số byte tồn tại ở đú).
Cỏc giải thuật điều khiển vũng hở (Opened loop control): ràng buộc độ ưu tiờn được cấu hỡnh từ trước và phõn phối băng thụng cho cỏc kết nối. Tiến hành điều khiển vũng hở bao gồm việc quyết định khi nào cú thể nhận lượng tin mới, quyết định khi nào loại bỏ gúi tin và loại gúi tin nào, sau đú lờn quyết định trỡnh tự ở cỏc điểm khỏc nhau trong mạng. Như vậy điều khiển vũng hở khụng cú thụng tin phản hồi từ mạng và phớa người nhận.
Hệ thống điều khiển vũng kớn bao gồm cỏc giải thuật nguồn được điều khiển bởi cỏc giải thuật kết nối. Giải thuật nguồn này từ bất kỡ giao thức nào được truyền tải trờn mạng Internet (vớ dụ: TCP, UDP, RTP) và chỳng khụng nhất thiết phải cú phản hồi đỏp ứng với tắc nghẽn. Cỏc giải thuật điều khiển kết nối hay cũn gọi là cỏc giải thuật quản lý hàng đợi (hoặc quản lý hàng đợi tớch cực AQM). Cỏc giải thuật AQM bao gồm giải thuật loại bỏ đuụi (Drop Tail), giải thuật phỏt hiện sớm ngẫu nhiờn (RED). Giải thuật AQM thực hiện việc bỏo hiệu tới nguồn bằng việc đỏnh dấu cỏc gúi, thụng bỏo tắc nghẽn tường minh (ECN) hay loại bỏ cỏc gúi.
Mạng A Chuyển tiếp IF-0 IF-1 Mạng B Router Hàng đợi 0 Hàng đợi 1
Giao diện - 0 Giao diện - 1
Hỡnh 2.5 Tiến trỡnh xử lý hàng đợi trong router
Để hiểu rừ về cỏc hàng đợi được sử dụng trong cơ chế điều khiển tắc nghẽn ta phải trả lời cỏc cõu hỏi:
- Cỏc gúi sẽ được sắp đặt như thế nào trong hàng đợi.
- Thứ tự hay cỏch thức nào mà cỏc thiết bị mạng phục vụ cỏc hàng đợi của chỳng. - Cỏc hoạt động nào của mạng để đối xử với cỏc bú lưu lượng và hàng đợi bị tràn.
Router được xem như hộp lớn, trong đú cú cỏc thành phần thực hiện việc truyền thụng tin. Trong vớ dụ hỡnh 2.5 ta xột router cú 2 giao diện. Gúi tin đi từ mạng A tới mạng B. Mạng A (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
35
tiếp xỳc với router qua giao diện IF0, mạng B tiếp xỳc với router qua giao diện IF1. Sau khi cỏc gúi được đưa đến từ giao diện IF0 sẽ được đặt vào trong hàng đợi queue 0 (hàng đợi đầu vào). Tiếp theo cỏc gúi đi vào trong router và được định hướng tới router kế tiếp dựa trờn địa chỉ đớch lưu giữ trong phần header của gúi tin,một số gúi tin đi ra từ hàng đợi queue 0 được đưa vào hàng đợi queue 1 kết nối với giao diện IF1. Hàng đợi queue1 cũn gọi là hàng đợi đầu ra.
Cú rất nhiều kĩ thuật lập lịch hàng đợi: FIFO (first in first out) – vào trước ra trước, PQ (priority queue) -hàng đợi ưu tiờn, FQ (fair queue) -hàng đợi cõn bằng. FIFO là kĩ thuật xếp hàng vào trước ra trước cơ bản. Cỏc gúi đến trước sẽ là cỏc gúi đầu tiờn được xử lý. Khi hàng đợi đầy và cú tắc nghẽn xảy ra thỡ cỏc gúi đến sau sẽ bị loại bỏ. Hàng đợi FIFO dựa vào hệ thống đầu cuối để điều khiển tắc nghẽn thụng qua cơ chế điều khiển tắc nghẽn. Do loại hàng đợi này rất đơn giản nhiều khi khụng điều khiển được tắc nghẽn nờn ta thường xột cỏc loại hàng đợi hiệu quả hơn: hàng đợi ưu tiờn (PQ), hàng đợi cõn bằng (FQ), hàng đợi cú trọng số (WQ),…
Với cỏc cơ chế quản lý hàng đợi khỏc nhau sẽ hoạt động theo cỏc cỏch khỏc nhau và chỳng cú cỏc ưu điểm và nhược điểm riờng thớch hợp với từng loại lưu lượng. Cú loại hàng đợi được sử dụng phự hợp với loại lưu lượng này và khụng nờn sử dụng với loại lưu lượng khỏc. Việc tỡm hiểu đặc tớnh của cỏc loại hàng đợi cho phộp sử dụng hiệu quả kĩ thuật này trong việc điều khiển tắc nghẽn và điều khiển lưu lượng.
Thực chất quản lý hàng đợi (hay quản lý hàng đợi tớch cực- AQM) là lược đồ thể hiện cỏc hoạt động đặc biệt của router để thực hiện truyền cỏc luồng tốt hơn, thoả món yờu cầu QoS của người sử dụng. Cỏc hoạt động này bao gồm quỏ trỡnh loại bỏ gúi ngẫu nhiờn (vớ dụ trong RED), sắp xếp lại theo trật tự cỏc gúi được phục vụ (trong WFQ) và đỏnh dấu ngẫu nhiờn cỏc gúi từ cỏc luồng để thụng bỏo (thớ dụ trong ECN). Nếu WFQ được sử dụng để cung cấp sự cụng bằng cho cỏc luồng tham gia thỡ cỏc kế hoạch lập lịch RED/ECN được sử dụng để trỏnh tắc nghẽn bằng việc loại bỏ ngẫu nhiờn hoặc đỏnh dấu cỏc gúi thuộc cỏc luồng cú xỏc suất làm tăng tắc nghẽn cao hơn. Cỏc phương phỏp này khụng biến đổi thớch hợp với cỏc ứng dụng đa phương tiện do đú khụng thể trực tiếp sử dụng để cải thiện chất lượng video của luồng trờn Internet. Phương phỏp điều khiển tắc nghẽn truyền thống phối hợp với AQM tạo ra cỏch thức điều khiển mạnh mẽ và tinh vi cho phộp phỏt hiện cỏc trạng thỏi của mạng rừ ràng hơn so với cỏc hệ thống đầu cuối.
Do kớch thước hàng đợi khụng phải là vụ hạn nờn chỳng cú thể bị điền đầy và cú thể bị tràn khi số lượng gúi tin đến quỏ nhiều. Nếu hàng đợi đó đầy, thỡ bất kỡ gúi nào đến hàng đợi đều khụng được đưa vào hàng đợi mà sẽ bị loại bỏ ngay. Trường hợp này gọi là loại bỏ đằng đuụi. Với phương phỏp này thỡ router khụng thể ngăn chặn được việc cỏc gúi này bị loại bỏ (thậm chớ nếu đú là cỏc gúi cú độ ưu tiờn cao). Do đú cơ chế quản lý hàng đợi cần phải thực hiện được hai việc:
Cố gắng quản lý sao cho hàng đợi khụng bị điền đầy, do đú vẫn cũn chỗ để cỏc gúi cú độ ưu tiờn cao và giảm được xỏc suất loại bỏ gúi.
Nếu hàng đợi bị đầy thỡ thực hiện chớnh sỏch loại bỏ cỏc gúi cú độ ưu tiờn thấp trước cỏc gúi cú độ ưu tiờn cao. Để cú thể hiểu rừ hơn về cỏc thuật toỏn quản lý hàng đợi ta xem xột qua một số vấn đề sau.