2.2.2./ Mô hình phân tích
Giới hạn việc nghiên cứu trong ba mô hình đơn giản theo hình dưới đây [3]:
a)Mrgdfcn
b)fôiiảo
Hình 2.11: Mô hình sừ dụng để phân tích kỹ thuật điểu khiển
a) Mạng đơn có 3 -> 6 nút.
b) Kênh ảo
c) Nút đơn trona mạng thuần nhất (là mạng mà các nút đểu giống nhau).
Các phân tích đều dùng quá trình đến Poisson và phân bố mũ độ dài góị Ta xét cấu hình mạng bao gồm mạng con, các bộ chọn đường (router) và kết nối có bộ nhớ, dải thông và tốc độ xử lý có hạn. Trạm nguồn không những phải tuủn theo sự hướng dẫn của trạm đích, mà còn từ tất cả các bộ router và bộ kết nối trong mạng. Thiếu những thông tin điều khiến, trạm nguồn có thể gửi các gói với tốc độ quá nhanh đối với mạng
dẫn đến hàng đợi và bộ đệm bị tràn, mất gói dữ liệu, truyén lại và giám hiệu suất của mạng. Một chiến lược điéu khiển tấc nghẽn kiểm tra và bảo vệ mạng khỏi bị tràn bời các người dùng của nó. vận chuyển giữa nút nguồn và nút đích.
Trong mạng hướng két nốị vấn đề tắc nghẽn phẩn lớn được giải quyết đặt trước tài nguyên tại tại tất cả các bộ chọn đường trong khi cài đạt. Trong mạng không hướng kết nôi có thê thực hiện bằng cách gửi các gói tắc nghẽn từ mạng đến các trạm hoặc ngầm hiếu bàng timeout khi mất gói dữ liệụ
Chiến lược truyền thống điểu khiển tắc nghẽn giúp làm tốt hơn cho hiệu suất của mạng sau khi tắc nghẽn xảy rạ
Vùng tắc nghẽn
Hình 2.12: Tải vào, thông lượng, thời gian trà lời và công suất
Hình trên chi những quan hệ phụ thuộc của thông lượng, thời gian trả lời và công suất của mạng khi tải tăng. Nếu tải nhỏ, thông lượng thường theo kịp với tảị Khi tải tâng, thông lượng tăng, khi tải đạt đến dung lượng của mạng, thông lượng không tăng nữạ Nếu tải còn tăng thì hàng đợi được thiết lập, những gói đến sau bị mất.
Chúng ta gọi điểm đinh (cliff) là điểm mà tại đó thông lượng giảm đột ngột. Điếm làm việc tối ưu là điếm mà sau đó, sự tăng thông lượng là chậm nhưng sự tảng thời gian trễ trá lời lại nhanh. Phía bên kia điểm làm việc tối ưu, được gọi là vùng tắc nshẽn.
Thông lượng có thể giảm đột ngột khi tải tâng. Điểm mà tại đó thông lượng đạt 0 gọi là điểm “ sập hệ thống” (crash). Đây cũng là điểm thời gian trễ tiến tới vô hạn.
Mục đích cúa chiến lược điều khiển tắc nghẽn là phát hiện neuy cơ trạng thái làm việc của mạng tiên tới điểm sập, giảm tải để mạng trở lại trạng thái không tắc nghẽn.
Chiến lược cho phép mạng vận hành tại điểm làm việc tối ưu được gọi là tránh tấc nghẽn. Chiến lược điéu khiển tấc nghẽn giữ mạng vận hành ờ bên trái điểm đính.
Chiến lược tránh tấc nghẽn được thiết kế thích hợp sẽ duy trì để người dùng cô' gắng tăng các giao dịch của mình sao cho không tác động nhiều đến thời gian trả lời, và đòi hỏi giảm thời gian đó nếu trễ quá lớn.
Mạng vận hành xung quanh điểm làm việc tối ưụ Điểu khiển tấc nghẽn là chiến lược vẳn đòi hỏi đê’ bảo vệ mạng không đạt tới điểm đinh.
Điều khiển tắc nghẽn thì phụ thuộc vào số lượng bộ nhớ trên các router, còn tránh tắc nghẽn thì không phụ thuộc vào kích thước bộ nhớ.
2.2.22 Các cơ chê phàn hồi
Điổu khiến tắc nghẽn và tránh tắc nghẽn gồm cơ chế điểu khiển và cơ chế phản hồi cho phép hệ thống mạng bát buộc trạm nguồn và trạm điều chỉnh tải của chúng trên hệ thông.
Một số cơ chế phản hổi được đề ra như sau:
1. Phán hổi tắc nghẽn dựa trên gói gửi từ router đến các trạm, gọi là gói tắc nghẽn hoặc là thông báo chặn. Nó đòi hỏi thêm các gói trên mạng khi có tắc nghẽn.
2. Phản hổi được gộp trong các thông báo chọn đường thuộc về router: tăng giá (dùns trong cập nhật cơ sờ dữ liệu phía trước) của đườns dẫn tắc nghẽn.
3. Ciói gửi bởi các trạm iheo cách điểm nối điểm: có thể thực hiện bằng cách đảo một trườna trong gói dữ liệu để báo hiệu tấc nghẽn.
4. Mỗi gói bao gồm thông tin phản hói về tắc nghẽn do router điển vào các gói theo hướng ngược lại - phản hổi ngược lạị Phương thức này đòi hỏi các router để đưa tín
hiệu vào các gói theo hướng ngược lại hướng tắc nghẽn. Phương thức này có ưu điếm là phàn hồi đến trạm nguồn nhanh hơn. Dù vậy thì gói chuvển xuôi và gói ngược không phải khi nào cũng liên quan đến nhaụ Đích của gói ngược lại có thể không phải
là trạm gây ra tắc nghẽn cho hướng xuôi, Thêm nữa trong một số mạng thì đường A -> B khône nhất thiết là đường B -> Ạ
5. Mỗi gói chứa trường phản hồi tắc nghẽn được điểu bời router đối với các gói chuyển về phía trước phản hồi về phía trước. Phản hổi xuôi gửi tín hiệu trong các gói theo chiều về phía trước (theo hướng tắc nghẽn). Trong trường hợp này, trạm đích sẽ yêu cầu nguồn giảm tải hoặc chuyển tín hiêu ngược lại trạm nguồn (trong ack) theo hướng ngược lạị
2.22.3 Đo hiệu suất
Hai bộ phận liên quan trong mỗi cơ chế cấp phát tài nguyên: người quản lý tài nguyên
và người dùng.
Mục đích là sử dụng tài nguyên một cách có hiệu quả nhất và người sử dụng được chia xẻ tài nẹuyên một cách công bằng. V ì vậy chúng ta cần định nghĩa hai khái niệm hiệu quả và cônq bằng.
Đối với vấn đề tắc nghẽn, những bộ chọn đường (router) cũng là các tài nguyên của
chúng tạ Do đó có thể dùng thay đổi hai khái niệm tài nguyên và bộ chọn đường.
Chúng ta xem xét vấn đề công bàng trong việc cấp phát tài nguyên với các trường hợp sau đâỵ
ỉ) Một tài nquyên, một người dùng
Trong trườne hợp này, sự công bằng không được đặt rạ Nếu người dùng được phép
tăng nhu cầu của họ (tăng cửa sổ), thông lượng lăng. Tuy nhiên thời gian trả lời (tổng thời gian chờ tài nguyên) cũng tăng. Khi đạt được thông lượng cao nhất, ta vẫn muôn thời gian trả lời là ngắn nhất. Một cách để đạt được hai điều đó là làm thế nào tăng
cóng suất cho tài nguyên được định nghĩa như sau:
p = c arĩ, (2.7)
Với Ps : Công suất tài nguyên
Tr: thời gian trả lời tài nguyên Trong đó a là hằng số, thường thì a =1
Khi a =1, công suất tài nguyên đạt lớn nhất tại điểm làm việc tối ưụ Lúc này hệ thức trên trở thành:
Ps= C ỈTr (2.8)
2) Một tài nguyên, nhiêu người dùng
Ta cần xem xét vấn đề công bằng. Sự cấp phát là hiệu quả khi tổng thông lượng đạt tới điểm làm việc tối ưu của tài nguyên. Tuy nhiên, sự cấp phát hiệu quả nhất có thể không công bằng, tức là một sô' người dùng được cấp phát tốt hơn những người khác. Sự công bằng của việc cấp phát là hàm cùa số lượng nhu cầu đối với sô' lượng được cấp phát. Để đơn giàn, ta gọi tổng số nhu cầu của người dùng là D. Sự cấp phát công bằng nhất bao gồm sự cấp phát cho tất cả các người sử dụng. Hàm công bằng:
n p - 5 = - ^ --- (2.9) 35 n ± x > i*l
Trong đó B là “ sự công bang” , và X,=a/D
Giá trị của hàm công bằng nằm giữa 0 và 1 (hay 100%) đại diện cho sự cấp phát công bằng nhất.
3) Một tài nguyên, nhiều nẹười dùng với nhu cấu khác nhau
Cho một tài nsuvên với dung lượng tối ưu là Tkneẹ Khi chia xẻ cho n người dùng một cách công bang, mỗi người dùng có Tkncc/n, tất nhiên nếu người dùng có nhu cầu ít hơn Tknee/n thì tốt hơn là dành phần còn lại cho người dùng có nhu cầu trội hơn.
1. Tài nguyên được cấp đầy đủ
ị * , - r _ ( 2 1 0 )
1=1
2. Không trạm nào được cấp phát nhiều hơn sự tiêu chuẩn đã chia hoặc nhu cầu của nó.
4) Nhiều rủi nguyên, một người dùng
Gọi p là đường đi qua m router r,, r2.... rm. Tài nguyên có tốc độ phục vụ tháp nhất quyết định thông lượng người dùng và được gọi là tài nguyên cổ chaị Tài nguyên cổ chai có tý lệ (thông lượng /tốc độ phục vụ) lớn nhất, và phân bố hầu hết thời gian trả lờị Điểm vận hành hiệu quả nhất của hệ thống được định nghĩa như đối với router cổ chaị Do đó:
Hiệu quà tổng thể=Hiệu quả của tài nguyên cổ chaị 5) Nhiêu tải nguyên, nhiều người dùng
Có n người dùng, m tài nguyên. Người dùng thứ i có đường dẫn p, gồm tập con các tài nguyên {ru, ri2,...rim}. Cũng giống như vậy, tài nguyên thứ j phục vụ rij người dùng [ụ
,uj2,--ujnj] hiệu quả tổng thể được định nghĩa bởi tài nguyên cổ chai được xác định bởi tài nguyên được sử dụng cao nhất.
Vấn để tìm cách cấp phát hiệu quả nhất, công bằng nhất bây giờ là vấn đề tối ưu hoá các đường dẫn khác nhaụ Chúng ta đã phát triển thuật toán đưa ra cách cấp phát tối ưu tổng thể (hiệu quả, công bằng) đối với mỗi tập tài nguyên, người dùng và đường dẫn bất kỳ.
Một cách cấp phát thích hợp tổng thể [ A ị\ . . . A n*] được xác định rõ, dễ dàng định lượng sự công bằng của một cách cấp phát khác [alt... a j bởi dùng cùng một hàm công bằng trong công thức một tài nguyên Xj=ai/A,*
Sự công bàng này được gọi là sự công bảng tổng thê và hiệu quả của tài nguyên cổ chai được gọi là hiệu quả tổng thể. Cách cấp phát đạt được 100 % công bằng tổng thê và 100% hiệu quả tổng thể được gọi là tối lãi tổng thể.
- Hiệu quả được ưu tiên hơn sự cổng bằng. Nếu có hai mạng, ta sẽ chọn mạng có hiệu quả cao hơn. V ới hai mạng cùng có hiệu quả bằng nhau, ta chọn mạng có công bang hơn.
37
2.2.3 Chiến lược điểu khiển lưu lượng và tránh tắc nghẽn
Chúng ta thiẽt kê chiên lược cho phép mạng vận hành tại điểm làm việc tỏi ưu của nó
Hình 2.13: Chiến lược điểu khiển tắc nghẽn
Chiên lược này sử dụng một bít gọi là bít tránh tắc nghẽn trong phần tiêu đề lớp mạng của gói để phàn hổi từ mạng đến các người dùng. Một tài nguyên xoá bít tránh tắc nghẽn khi gói được chuyển vào mạng con. M ọ i router trong mạng con điều khiển tải của chúng và nếu chúng kiểm tra thấy sự vận hành trên điểm làm viêc tối ưu, chúng đặt bít tránh tắc nghẽn.
Có hai chiến lược phản hổi nhị phân.
1. Dựa vào đích: Thực thể đích kiểm tra bít nhận được và quyết định một cửa sổ, rồi
gửi cửa sổ đó tới nguồn.
2. Dưa vào nguồn: Thực thể đích gửi tất cả các bít ngược lại nguổn cùng với ack.
Trong cách 2, ta cần đảo ngược một bít trong phần tiêu đề cùa gói ack tầng vân chuyển khi chạm tỉích sao chép bit đó từ lầng mạng, trạm nguồn xác định rằng bít nhận được quyết định một của sổ vận hành mới và dùng nó nếu không vi phạm giới hạn đề nghị của trạm đích.
Trong phấn sau gọi người dùng thay cho trạm nguổn và trạm đích. Khi ta nói rang người dùng thay đổi của sổ của họ, sự thay đổi đó có thể được quyết định và chịu ảnh hưởng của thực thể vận chuyển nguồn và đích.
Hình 2.14: Chính sách chọn đường và chính sách nqười dùng
Chiến lược điều khiển tắc nghẽn: điều khiển tắc nghẽn được đé nghị gồm hai phần; cơ chế phàn hồi trong các bộ chọn đường (router) và cơ chế điều khiển cho người dùng. Chúng ta gọi chúng lần lượt là các chính sách chọn đường, chính sách người dùng. M ỏi cơ chê này lại chia nhỏ thành 3 thành phần như trên. Chúng ta xem xét các thành phần đó ở dướị
2.2.3.1 Các chính sách chọn đường
Các bộ chọn đường cổ gáng tối ưu vận hành của mình bằng việc quản lý tải hiện tại và bằng cách kiểm tra bit tắc nghẽn để tăng hoặc giảm tảị Do vậy bộ chọn đường có 3 thuật toán riêng biệt.
- Xác định mức tải hiện thòị
- Ước lượng tài trung bình trong một khoảng thời gian nhất định.
- Quyết định cặp người dùng, những người sẽ được hỏi để điều chình tải cùa họ.
Chúng ta gọi 3 thuật toán này lần lượt là kiểm tra tắc nghẽn, bộ lọc phản hồi và lựa chọn phản hồị
I ) Kiểm tra tắc nghẽn
Trước khi bộ chọn đường phản hồi thông tin, nó cần xác định mức tải dựa vào chiều dài hàng đợị Chiểu dài hàng đợi trung bình của các router xác định tình trạng vận hành của mạng đang ở trẽn hay ở dưới điểm làm việc tối ưụ Đối với hàng đợi M /M /l và D /D /l, điểm làm việc tối ưu xảy ra khi độ dài hàng đợi trung bình là 1. Router quản
39
lý độ dài hàng đợi và vêu cầu người dùng giảm tài nếu độ dài hàng đợi trung bình lớn hơn 1.
2) Bộ lọc phản hổị
Sau khi router quyết định mức tải của nó, thông tin phản hồi cùa nó tới người dùng có ích khi và chi khi trạng thái cuối đủ dài cho người dùng hành động dựa vào điểu đó. M ột trạng thái thay đổi rất nhanh có thể dẫn tới tình trạng lộn xộn khi người dùng ý thức được điều đó, cũng sẽ không giữ được sự ổn định của trạng thái và thông tin phản hồi khổng tới đích được. Do đó chúng ta cần bộ lọc thông thấp có chức năng cho các trạng thái được chờ đủ để hành động của người dùng trở nên có ý nghĩạ Những luật này sử dụng đối với độ dài hàng đợi tức thời được dùng trong kiểm tra tắc nghẽn. M ột hàng đợi tức thời có độ dài 100 có thể không phải là vấn đề đối với router rất nhanh nhưng có thê’ là vấn đề đối với router chậm.
Chúng ta tính độ dài hàng đợi trung bình trong một khoảng thời gian dàị Khoảng thời gian đó tính từ điểm bắt đầu cùa chu kỳ trước. Sự bắt đầu chu kỳ được định nghĩa là khoảng thời gian bao gồm giai đoạn bận và giai đoạn rỗị Bắt đầu của giai đoạn bận được gọi là điểm tái sinh. Thuật ngữ “ tái sinh” chỉ sự sinh ra một hệ thống mới từ cách ứng xử của hệ thống đợi cũ. Độ dài hàng đợi trung bình được cho bởi diên tích dưới đường cong chia cho thời gian từ điểm bất đầu một chu kỳ [5].
độ dài hàng đợi
điểm tái sinh Thời điểm hiên tại
Thời gian ---►
■4— Chu kỳ trước — — Chu kỳ hiện tại - ► ^ _______Khoảng thời gian______
trung bình
Hình 2.15: Khoáng thời gian trung bình
Khoảng thời gian trung binh bao gồm cả một phần của chu kỳ hiện tại (dù chưa kết thúc).
3 ) Lựa cliọn phàn hồị
Nhu cầu xem xét sự công bàng mà chi các người dùng đang gửi nhiéu hơn sự chia xẻ công bàng cùa họ có thê bị yêu cầu giàm tải và những người khác có thể được đé nghị tăng tải nếu có thể. Điểu này được thực hiện bằng cách lựa chọn phản hồi, một phần quan trọng trong chiến lược nàỵ Nếu không có sự lựa chọn, hệ thống có thê’ vẫn làm việc tại điểm vận hành hiệu quả nhưng không công bằng.
V í dụ 2 người chia cùng 1 đường dẫn có thể vận hành với các thông lượng khác nhaụ Lựa chọn phản hồi làm việc bằng cách giữ một số lượng các gói gửi bởi các người dùng khác nhau từ khi bắt đầu của khoảng thời gian hàng đợi trung binh. Việc này được thực hiện bằng cách theo dõi thông lượng của chúng. Dựa vào tổng thông lượng, sự chia xẻ công bằng được quyết định và người dùng gừi nhiều hơn sự chia xẻ công bằng được dề nghị giảm tải, đổng thời những người dùng dùng ít hơn sự chia xẻ công bàng được để nghị tăng tải của họ.
Nếu router vận hành dưới điểm làm việc tối ưu, mỗi người dùng đều được khuyến khích tăng tàị Chia xẻ công bằng ước lượng bằng tổng dung lượng vào khoảng 90% tổng thông lượng từ điểm bắt đầu của chu kỳ tái sinh cuối cùng.
Phản hói có lựa chọn như đề nghị cô' gắng đạt được sự công bàng tại các cập điểm truy nhập dịch vụ của các tầng khác nhau trong mạng bởi vì sự đếm các gói được dùng