Trong mạng sử dụng phương thức truyén hướng kết nối, có hai phương thức điều khiển lưu lượng là cnd-to-end và hop-by-hop.
- Điều khiển enci-to-end:
Trong phương thức điều khiển end-to-end, khi nút nguồn phát đi một gói tin nó sẽ sao lưu 1 bản copy của gói tin đó cho đến khi nhận được xác nhận của gói tin đó (ACK). Trạm nhận gửi gói ack khi nhận đúng gói tin. Ngược lại gói tin sẽ bị giả sử là mất hoặc
hỏns và sẽ được truyền lạị
Chức năng của nút trung gian trong cách tiếp cận end-to-end là rất đơn giản. Nó chi có nhiệm vụ kiểm tra lỗi gói tin đến, hủy gói tin nếu lỗi hoặc tràn bộ đệm, thu nhận vào và chuvển tiếp.
Trong cách tiêp cận hop-by-hop việc điều khiển, bát lỏị truyền lại được thực hiện ớ mức từng đoạn một. mỗi nút thuộc kẽnh ảo sao lưu I bàn copy của gói tin và chờ xác nhận từ núi tiếp theo trên kênh àọ nếu gói tin ACK không được nhận trong khoáng thời gian timeout thì gói tin sẽ được truyền lạị
Trong cà 2 trường hợp thời gian timeout cho trước và được tính toán xấp xì độ trễ tổng gói tin truyển đi và gói tin xác nhận truyền lạị
2.3.2 Điểu khiên lỗi end-to-end 1) Mô hình cơ sở
Mô hình cơ sở được sử dụng để mô hình hoá phương thức điều khiển end-to-end được biểu diễn như sau:
Lớn nhất K khách
49
I--- 1
Hình 2-19: Mô hình cơ sỏ để mô hình hoá phương thức end-to-end
Để đơn giản chúng ta cũng gia thiết tất cả các nút thuộc v c là cùng loại có cùng khả năne truyền dẫn, độ trễ vật lý và mỗi nút là 1 hàng đợi M /M /l/K .
Trong mỏ hình end-to-end, vai trò của nút trung gian rất đơn giản. Nó chỉ có nhiệm vụ kiểm tra lỏi gói tin, xử lý tràn và chuyển tiếp. Nút nguổn, ta giả sử là hàng đợi vô hạn, có khả nâng lưu trữ mọi gói tin cần truyền. Độ trễ đoạn truyền ta cũng có coi là quá trình xử lý trong hàng đợi vô hạn với tốc độ xử lý là 1/ |aprop. Gói tin sẽ bị xóa ngay sau khi nó được chuvển tiếp đi tại một nút trung gian.
Khi một gói tin đến nút thứ i thì một trong ba sự kiện có thể xảy ra:
- Thứ nhất : gói tin nhận được có thể lỗi khi truyền với xác suất là p. Gói tin sẽ bị hủy và được truyền lại từ nút nguồn.
- Thứ hai : hàng đợi đầy (gói tin khổng bị lỏi), trong trường hợp này gói tin cũng b| hùy và được truvển lạị Chúng ta già thiết rằng quá trình gói tin đến hoàn toàn độc lập có xác suất hàng đợi đầy là q, (đại lượng này đặc trưng đối với mỗi nút khác nhau trên kênh ảo).
- Cuối cùng là k h ả năng gói tin được chấp nhận vào hàng đợị Từ đó ta thấy :
Gọi là tốc độ truyền tại nút i, Ại+1 là tốc độ gói tin đến tại nút i + 1 ta có mối liên hệ :
Theo phàn tích từ 2 mô hình hàng đợi M /M /l và M /M /l/K ta có công thức tính số gói tin truns bình trong hàng đợi như sau :
Gọi E [W |,] là tổng thời gian 1 gói tin nằm đợi truyền dẫn và thời gian chuyên tiếp thực sự. Sử dụng công thức L ittle ta có :
ở đây E[W ,] là độ trễ trung bình (bao gồm đợị chuyển tiếp và trễ truyền vật lý) của 1 gói tin qua đoạn ị
Xác suất hàng đợi tại nút i đầy (hàng đợi M /M /l/K ) q, được cho bởi công thức :
1 _______ _________
l = ( l - p ) 2( ỉ- q ẩ)
(2.15)
Xác suất 1 gói tin bị hủy tại nút thứ i là f, = p + q, - pq,.
Trong đó: p là xác suất gói tin bị lỗ i, q, là xác suất hàng đợi i đẩỵ Vậy xác suất lỗi f, = p + qi( 1 - p) = p + q, - pqr
Ta định nghĩa : p \p ) / (2.16) (2.17) (2.18) p ro f) (2.19) ( 2 . 2 0 )
51
<;. =Pr«/>K =/,-]=" , i = 2...M
1 - Ạ,
2) Điéu khiển mức kênh ảo
Hình vẽ trên là mô hình kênh ảo gồm M đoạn truyền (M + 1 nút) cá thể. Các nút hoạt động độc lập với nhaụ Gói tin sẽ bị hủy ngay tại nút đầu tiên phát hiện lỏi hoặc hàng đợi đầỵ
M ò hình được thê hiện trong hình trên.
Để tính xác suất tác nghẽn và độ trễ trung bình của mỗi nút trên kênh ảo ta phải tìm ra được Ằị với i = 1,2... M. Ở đây và q, là khác nhau và phụ thuộc vào từng nút cá thể. Điều nàv là do tại các nút khác nhau xác suất tắc nghẽn khác nhau, đổng thời việc huỷ các gói tin được thực hiện tại nút đầu tiên gặp lỗị
Đầu tiên, chúng ta xác định tốc độ đến và xác suất tắc nghẽn tại đoạn cuối (M ) sau đó sử dun° giá trị này tiếp tục tính trở về các đoạn trước.
Giả sử thông lượng của kênh ảo là XVC' ta thấy rằng thông lượng tại điểm 0 M là Ầvc/( 1- p), đó cũng chính là thông lượng tại I M, vì vậy ta có :
À .- ệ ị - _ — -V h° y Pm = / . _ Ọ f- — X ( 2 - 2 1 >
0 - p ) 0 - ? w ) ( !- /> ) 0 - 9 « )
Thế phương trình (2.21) vào phương trình (2.20) ta tính được qM, và pM. Tương tự như thế ta có :
■ 0 - r n - t * ) hay A " = 0 - p A - ĩ J
Gọi ptJ,| là xác suât truyền 1 gói tin không thành công. Ta có :
P u * = X / 'f i(1 ■ A) /■I /*I
(2.22)
Công thức 2.22 thê hiện ràng, xác suất gói tin lỗi bàng tổng của các xác suất lỗi tại nút ị fj, i = 1.2...M với tích xác suất gói tin không lỗi tại các nút trước (1- fj).
Gọi N, là sô' lần trung bình 1 gói tin truyển lại trước khi truyền thành còng. Chúng ta giả thiết rằng mỗi gói tin truyển lại là độc lập nhaụ Ta có :
f { n , = k \ = p ^ ( \ - p M ) * = 0.1,2.... (2.23)
công thức thê hiện rằng, xác suất 1 gói tin phải truyển lại k lần là tích sô' xác suất của k
lán truvền lỗi và 1 lần thành công (1- p1+1).
Ta có :
4 V - ] = ấ kp kf0„0 - P f a » ) = - . p_ !a"
i - 0 p fa it
(2.24)
Chíùĩg minh :
] = X *.0 &/*> 0 - P/àii) = 0 - pf a it ) ỉ t-0kpkju =
( \ -p flMÍÍ i íp**/. .ì - V. - ì = p'a".
dp suv ra diếu phải chíừĩg minh.
Đặt T cc là thời sian timeout đối với kênh ảọ Thời gian timeout bằng thời gian từ lúc bắt đầu Iruyền đến lúc hoàn thành.
Gọi E [W CC] là độ trễ trung bình của gói tin trên kênh ảọ Ta có :
(2.25)
3) M ột số kết quả của phương pháp điều khiển end-to-end
a) T r ư ờ n g h ợ p 1
Xét kênh áo với:
- Khá năng truyền dẫn |i() = I00M bit/s - l / | i prop= 2 5 *l/|i„.
- Tỳ lệ lỗi gói tin: p=10 ' - Thời gian timeout = 224 - Số hop: M =4 - Số bộ đệm tại mỗi nút K=40
- Khoảng cách truyền tổng cộng 25 km - Chọn 1/ịi,, là đơn vị thời gian.
Sau đây là giá trị của độ trễ ứng với các giá trị cùa thông lượng p và đổ thị tương ứng:
53 p Độ trễ E 0.1 1.050E+2 0.2 1-050E+2 0.3 1.057E+2 0.4 1.067E+2 0.5 1.080E+2 0.6 1.100E+2 0.7 1.133E+2 0.8 1.200E+2 0.9 1.312E+2 1 1.489E+2 b) Trường hợp 2
Xét kênh ảo với:
Thòng lượng
Hình 2-21 : Đổ thị độ trễ và (hông ỉượtig khi M=4, K=40 của phương pháp điều khiển end-to-end
- Khà nãns truyền dẫn ỊI0 = lOOMbit/s
- Tỷ lệ lỏi gói tin: p=10 5
- Sỏ hop: M =5
- Khoảng cách truyền tổng cộng 50 km
- l/n prop= 50*l/jifl.
- Thời gian timeout = 560
- S ố bộ đệm tại mỏi nút K - Chọn l/|i() là đơn vị thời gian. Bảng giá trị của độ trễ tính theo giá trị của thông lượng p như sau:
p E10 (đò trẻ E khi K=10)
E20 (đô trẻ E khi K=20)
E40 (đò trề E khi K=40)
0.1 2.556E+2 2.556E+2 2.556E+2
0.15 2.559E+2 2.559E+2 2.559E+2
0.2 2.563E+2 2.563E+2 2.563E+2
0.25 2.567E+2 2.567E+2 2.567E+2
0.3 2.572E+2 2.572E+2 2.572E+2
0.35 2.578E+2 2.577E+2 2.577E+2
0.4 2.585E+2 2.584E+2 2.583E+2
0.45 2.596E+2 2.591E+2 2.591E+2
0.5 2.614E+2 2.600E+2 2.600E+2
0.55 2.644E+2 2.611E+2 2.611E+2
0.6 2.697E+2 2.626E+2 2.625E+2
0.65 2.795E+2 2.645E+2 2.643E+2
0.7 2.988E+2 2.673E+2 2.667E+2
0.75 3.440E+2 2.723E+2 2.700E+2
0.8 4.197E+2 2.823E+2 2.751E+2
0.85 5.081E+2 3.094E+2 2.839E+2
0.9 6.440E+2 4.408E+2 3.047E+2
Đổ thị của thời gian trễ theo thông lượng p như sau:
Hình 2-22: Dồ thị độ trễ và thông lượng khi M=5 của phương pháp điều khiến end-to- encl với K=10,20 vù 40
55
Ta có nhận xét: Khi thòng lượng vào p nhò thì sự khác biệt về thời gian trễ là nhỏ. Khi p tâng, thì với sô lượng bộ đệm K càng nhỏ, độ trễ tãng càng nhanh.
2.3.3 Điều khiển lỗi hop-by-hop
ì ) Mô hình cơ sở
M ô hình 1 nút cá thể trên kênh ảo được thể hiện trong hình vẽ saụ Ta giả sử rằng quá trình truyền trên đoạn giữa 2 nút i và i+ 1 là 1 hàng đợi vô hạn có tốc độ xử lý là nprob. I_itrans thế hiện khả năng truyền dẫn, 1/ |i2 = 2/ npr„blà độ trễ vật lý (ta giả sử rằng 1/ |i2 = tổng độ trễ của gói tin và gói tin A C K của nó). Để đơn giản, chúng ta giả sử ràng tất cả các núi trung gian là đồng nhất. Số gói tin trong hàng đợi là tổng số gói tin chưa truyền và sô gói tin trong khoảng thời gian timeout (timeout vừa bắt đầu).
Ta giả thiết hàng đợi nút i có thể chứa tối đa K gói tin. Gọi Lj_| là số gói tin chờ truyền dẫn, L2 1 là số gói tin mới bắt đầu timeout.
Đặt : n , mn = P [L ,, = m, L 2,i = n ]0 < m, n < K ; m + n < K.
ta c ó :
Lớn nhất K khách
r
p q,
Hình 2-23: Mô hình cơ sở để mô hình hoá phương thức hop-by-hop
(2.26)
Trong đ ó : Pl.i = M l - p ) / I W
p2, = M 1 - p ) / H2- G '1 là hằng số được cho bời công thức :
ơ đây ■ S K(x) = y , —- , Pi = A-vc/ Utram ’ P2 = ^-vc/ Mi
, » 0 y!
Xác suất i đầy được cho bởi công thức :
Qi ~ !Sín=ố m (2.27)
Sỏ' gói tin trung bình trong hàng đợi là :
. . K K-m
£ k J = Ë " > E n , „ , (2.28)
m=0 rr=0
Theo công thức Little, thời gian 1 gói tin đợi để truyền dẫn tiếp là :
4 0 = ( 2 . 2 9 )
Ở đây : f, = p + q, - pq, là xác suất 1 gói tin bị huỷ (do mất hoặc bị lỗi).
Gọi E[W J là độ trễ trung bình trên đoạn i (bao gồm thời gian đợi, truyển dẫn và trễ vật lý), từ nút i tới nút i + 1. Nhìn chung E[W J <> E [W ị ,] + 1/ nprop vì trong trường hợp gói tin có thể được truyền lại nhiều lần.
Gọi N,‘ là số lần trung bình 1 gói tin truyền lại ở nút i trước khi nút i + 1 nhận đúng. Già thiết rằng mỗi gói tin truyền lại là độc lập nhaụ Ta có :
/ ■ k ' = * ! = / , : , ( I * = 1,2,... (2 3 0 )
Côns thức thể hiện rằng, xác suất 1 gói tin phải truyén lại k lần là tích số xác suất của k lần truyền lỗi và 1 lần thành công (1- f 1+1).
Ta có :
Chứng minh :
G = 1 " A
SUV ra điều phái chứng minh.
Đật T|| là thời gian timeout của m ỗi đoạn. Trong trường hợp điểu khiển từng đoạn thời gian timeoui bằng thời gian từ lúc bắt đầu truyền đến lúc hoàn thành. T|ị = 2/ Ịiprop. Ta có :
2) M ô hình mức kênh ảo
Ta giả sử kênh ào gồm M đoạn truyền (M + 1 nút). Các nút hoạt động độc lập với nhaụ
M ô hình cũng được thể hiện như trong hình 2-20.
Ta cũng tính được Ầ, với i = 1.2... M tương tự như trong trường hợp điều khiển lỗi end-to-end.
Ta có:
(2.32)
A-iX' L , ______ Prc_____
(1 - pỴ (] - qu ) > pM ~ (l - p)2 (l - q M) (2.33)
Thẻ phương trình (2.33) vào phương trình (2.26) ta tính được qM, và pM. Tưưng tự như thế ta có :
K . p,
(l - p f (l - qu ) y " ( 1 - p ) 20 “ 9a / )
(2.34)
Ta đánh giá mạng truyền thống và mạng tốc độ caọ Trong mô hình mạng cổ điển, khá năng truyền thòng chậm, ti lệ bit lỗi cao, tỉ lệ giữa độ trễ vật lý và khà nảng truyén thòng cũng tháp so với trong mạng truyền dẫn tốc độ cao (đặc biệt trong mạng diện rộng W AN ). Trong mạng truyền thống khả năng truyền lại gói tin là cao (phù hợp với kiêu điểu khiến lỗi từng đoạn), hiện nay với sự tiến bộ của công nghệ cáp quang và công nghệ chuyển mạch, tốc độ truyền thông đã tảng rất nhanh, ti lệ lỗ i bít cũng giảm, tí lệ giữa tốc độ truyền dẫn và tốc độ tính toán của máy tính tăng dẫn đến việc truyền lại gói tin từ nút phát đến nút nhận còn nhanh hơn các thao tác tính toán (phù hợp với kiểu điều khiển lỏi end-to-end).
Tóm lại, trong chương này chủng ta đề cập đến vấn để tránh tắc nghẽn ở các khía cạnh sau:
1. Cơ chế phòng tránh tắc nghẽn, giúp mạng sử dụng tài nguyên một cách tôi ưụ
2. Khái niệm tối ưu tổng thể trong hệ thống phàn tán với nhiều tài nguyên và nhiều người dùng. Sự tối ưu được định nghĩa bởi sự hiệu quả và sự công bằng. Cả 2 khái niệm được phát triển độc lập về số lượng và có thể áp dụng cho bất kỳ sô' lượng nào của người dùng và tài nguyên.
3. Phàn biệt khái niệm tôi lỉu tổng thể và công suất của mạng.
4. Chiến lược cho phép mạng đạt được điểm vận hành tối ưu một cách tự động sử dụng 1 bit đơn trong phần tiêu đé lớp mạng. Bit này dùng chung cho tất cả các tài nguyên. 5. Chúng ta giả định chiến lược phản hồi nhị phân và kiểm tra hiệu suất của nó trong các cấu hình và điều kiện khác nhaụ
Chúng ta cũng đã đánh giá hiệu suất của phương thức hop-by-hop và end-to-end trong cơ chế điều khiển lưu lượng số liệu hướng kết nốị Nghiên cứu của chúng ta đã chỉ ra ràng trong miền giá trị các tham số của mạng, tiếp cận end-to-end đối với điều khiển lỗi bầng hoặc tốt hơn tiếp cận hop-by-hop vì trong cùng thời gian thì đòi hỏi tài nguyên ít hơn (ví dụ: bộ đệm, thời gian tính toán).
59
ĐIÊU KHIÊN TẮC NGHẼN D ựA VÀO TỐC ĐỘ
3.1 GIỚI THIỆU KHÁT QUÁT
3.1.1 Những hạn chế của phương pháp cửa sổ trượt
Những giao thức sử dụng cơ chế cửa sổ trượt cho thấy 2 vấn đề lớn:
- Sự hạn chế thông lượng được thực hiện bằng cách sử dụng cửa sổ trượt như một cơ chê điéu khiển lưu lượng, và khó khăn trong cách điều khiển các bộ đếm thời gian. - Dữ liệu truyền phải phân bố trên khoảng thời gian trễ toàn phần RTT phù hợp với tốc độ xử lý cùa người nhận.
Cửa sổ chi chứa đựng vấn đé cố bao nhiêu dữ liệu có thể được đưa vào bộ đệm, chứ khổng phải tốc độ truyền là bao nhiêụ Việc khó khăn đối với các bộ đếm thời gian do sự biến đổi lớn của thời gian trễ vòng sẽ được đề cập đến saụ Do vậy:
- Các cứa sổ và các bộ đếm giờ không hoàn toàn làm được việc đổng bộ trạng thái cuốị Để đạt được việc đồng bộ nhanh trạng thái cuối, ta cẩn cơ chế tốt hơn sự tảng số lượne ack, và giảm độ tin cây đối với những bộ đếm giờ.
- Điều khiên lưu lượng phải độc lập với điều khiển lỗị
Các cơ chế điều khiển tắc nghẽn end-to-end phải phỏng đoán tắc nghẽn trẽn mạng dựa vào các biếu hiện gián tiếp như mất gói dữ liệu hay thời gian trễ tàng. Trong nhiều trường hợp, sự phỏng đoán này sai: gói bị mất do các nguyên nhân khác chẳng hạn gói bị hỏng. Các cơ chế cung cấp thõng tin tắc nghẽn từ các router cho các trạm nguồn có vẻ hoạt độna hiệu quả hơn là các cơ chế end-to-end thuần tuý.