NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN TRONG NGN - 6 pps

Điều kiện để hội tụ đến hiệu quả và bình đẳng được đưa ra theo phương pháp đại số trong [7].. Đó là các phương pháp điều khiển tắc nghẽn truyền thống như DECbit, và một vài phương pháp m

người dùng 2 Tất cả sự phân phối với x1+x2=Xgoal là phân phối có hiệu quả Nó tương ứng với đường thẳng là “đường hiệu quả” (efficiency line) Tất cả phân phối

mà x1= x2 là phân bố bình đẳng Nó tương ứng với đường thẳng được gọi là “đường bình đẳng” (fairness line) Hai đường này cắt nhau tại điểm (Xgoal/2, Xgoal/2) là điểm tối ưu Mục tiêu (goal) của phương pháp điều khiển là làm cho hệ thống đến hoạt động tại điểm này mà không quan tâm đến vị trí bắt đầu Tất cả các điểm bên dưới đường hiệu quả mô tả hệ thống “không đủ tải”(underload) và một cách lý tưởng hệ thống sẽ yêu cầu người dùng tăng tải Theo quan sát, chẳng hạn, điểm x0=(x10, x20) Nguyên tắc tăng cộng tăng phân phối của cả 2 người dùng bởi a1 tương ứng với việc dịch chuyển dọc đường tạo với trục ngang góc 450

Nguyên tắc tăng nhân tăng phân phối cho cả 2 người dùng bằng hệ số b1 tương ứng với việc dịch theo đường nối điểm đó với gốc toạ độ Tương tự, tất cả các điểm trên đường hiệu quả mô tả hệ thống quá tải (overload) và giảm cộng mô tả bởi đường tạo với trục ngang góc 450, khi giảm nhân được mô tả bởi đường nối điểm đó với gốc

Tính bình đẳng tại điểm bất kỳ (x1, x2) được cho bởi:

 

 2

2 2 1

2 2 1

x x F







Chú ý rằng nhân cả hai phân bố với hệ số b không thay đổi tính bình đẳng

Đó là, (bx1,bx2) có cùng tính bình đẳng với (x1, x2) cho tất cả các giá trị của b Do

đó, tất cả các điểm trên đường nối điểm đó với gốc có cùng tính bình đẳng Chúng

ta, gọi đường đi qua gốc là đường “đồng đẳng” (equi-fairness) Tính bình đẳng

giảm khi độ dốc của đường này hoặc tăng lên trên hoặc giảm xuống dưới đường bình đẳng

Hình 2.8 cho ta thấy quỹ đạo của hệ thống 2 người dùng bắt đầu từ điểm x0 dùng nguyên tắc điều khiển tăng cộng/giảm nhân Điểm x0 nằm dưới đường hiệu quả và do đó cả hai người dùng đều được yêu cầu tăng Chúng di chuyển dọc đường tạo với trục ngang góc 450

Nó di chuyển đến x1 nằm trên đường hiệu quả Người dùng được yêu cầu giảm và thực hiện phép nhân, tương ứng với việc chuyển động đến điểm gốc trên đường nối x1 và gốc Nó di chuyển đến điểm x2, nằm dưới đường hiệu quả và lập lại theo chu kỳ Chú ý rằng x2 có tính bình đẳng cao hơn x0 Do đó, với mỗi chu kỳ, tính bình đẳng tăng chậm, và cuối cùng, hệ thống hội tụ đến trạng thái tối ưu, dao động quanh điểm “goal”

Quỹ đạo tương tự có thể vẽ cho nguyên tắc điều khiển khác Mặc dù không phải tất cả các nguyên tắc điều khiển đều hội tụ Chằng hạn, hình 2.9 cho ta thấy quỹ đạo của nguyên tắc điều khiển tăng cộng/giảm cộng AIAD bắt đầu từ vị trí x0

Hệ thống giữ chuyển động lùi và đến dọc theo đường qua điểm x0, tạo với trục ngang góc 450

Với nguyên lý như thế, hệ thống có thể hội tụ đến hiệu quả, nhưng

nó không bình đẳng

Đường bình đẳng

Đường hiệu quả

Phân

bố x2

của

người

dùng 2

Hình 2.8 AIMD hội tụ đến điểm tối ưu

Hình 2.9 AIAD không hội tụ

Đường bình đẳng

Đường hiệu quả

Phân

bố x2

của

người

dùng

thứ 2

Phân bố x1 của người dùng 1 Điểm làm việc dao

động dọc đường này

Điều kiện để hội tụ đến hiệu quả và bình đẳng được đưa ra theo phương pháp đại số trong [7]

2.6 Kết luận chương

Hiện tượng tắc nghẽn xảy ra trong mạng là vấn đề khó tránh khỏi, do đó điều khiển tắc nghẽn ngày càng trở nên cấp thiết Chương 2 đã nêu tổng quan về nguyên

lý, phân loại các phương pháp điều khiển tắc nghẽn, tiêu chí đánh giá những phương pháp điều khiển Ngoài ra, thuật toán tăng giảm (ở đây chỉ nói đến tăng giảm tuyến tính) cũng đã đề cập đến Từ đó, ta thấy rằng AIMD được sử dụng nhiều hơn các thuật toán khác do nó đảm bảo hội tụ đến tính hiệu quả và bình đẳng Phần tiếp theo sẽ đi sâu vào các phương pháp điều khiển tắc nghẽn

Chương 3

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN

3.1 Giới thiệu chương

Trong chương này, chúng ta sẽ hệ thống hóa lại một số phương pháp điều khiển tắc nghẽn điển hình nhất, phân tích đánh giá chúng dựa trên cơ sở những tiêu chí đã đề xuất trong chương 2 Đó là các phương pháp điều khiển tắc nghẽn truyền thống như DECbit, và một vài phương pháp mới như EWA, ETCP, FBA- TCP, QS- TCP để cải thiện hiệu suất hoạt động mạng Trong đó đặc biệt đi sâu vào phương pháp điều khiển tắc nghẽn sử dụng TCP phổ biến hiện nay (đặc biệt là trong mạng Internet) và XCP là ứng cử viên cho mạng dựa trên cơ sở IP sau này

3.2 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 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

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]

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 từcác 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 Q i Q , i Q i và độ dài hàng trung bình trước đó Q i1 được dùng

để tính toán cửa sổ gởi mới cho mỗi kết nối TCP đi qua router:

Cửa sổ gởimaxMSS,.log2BQ i.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 ,Q i







 

down

up









với

i i

Q

128

1 128

127

1 

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 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)

Nếu Q i ngưỡng dưới Nếu Q i ngưỡng trên