THUẬT TOÁN QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI A-RIO

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Lê Đình Danh THUẬT TOÁN QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI A-RIO Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Mạng và truyền thông Mã số: 1.01.10 LUẬN VĂ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Lê Đình Danh

THUẬT TOÁN QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI A-RIO

Ngành: Công nghệ thông tin

Chuyên ngành: Mạng và truyền thông

Mã số: 1.01.10

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

GVC, TS Nguyễn Đình Việt

Hà nội – 2007

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan kết quả đạt được trong Luận văn là sản phẩm của riêng cá nhân tôi, không sao chép lại của người khác Những điều được trình bày trong nội dung Luận văn, hoặc là của cá nhân hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn đúng quy cách Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan của mình

Thanh Hoá, 11/2007

Lê Đình Danh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN - 1 -

MỤC LỤC - 2 -

BẢNG CHỮ CÁI VIẾT TẮT - 4 -

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU - 6 -

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ - 7 -

MỞ ĐẦU - 9 -

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU Error! Bookmark not defined 1.1 Lịch sử phát triển của mạng Internet và bộ giao thức TCP/IP Error!

Bookmark not defined

1.2 Các khái niệm về Multimedia và QoS Error! Bookmark not defined

1.2.1 Khái niệm truyền thông đa phương tiện (multimedia) Error! Bookmark

not defined

1.2.2 Khái niệm QoS Error! Bookmark not defined

1.3 Rào cản đối với truyền thông multimedia trên Internet Error! Bookmark not

defined

1.4 Hạn chế của dịch vụ cố gắng tối đa và các phương pháp khắc phục Error!

Bookmark not defined

1.4.1 Hạn chế của dịch vụ cố gắng tối đa Error! Bookmark not defined

1.4.2 Các phương pháp đảm bảo QoS cho truyền thông multimedia trên nền

các dịch vụ Best Effort Error! Bookmark not defined

1.5 Hiệu suất và đánh giá hiệu suất mạng Error! Bookmark not defined

1.5.1 Khái niệm hiệu suất và các độ đo hiệu suất mạng Error! Bookmark not

defined

1.5.2 Các phương pháp đánh giá hiệu suất mạng Error! Bookmark not

defined

CHƯƠNG 2 MỘT SỐ CHIẾN LƯỢC PHỤC VỤ PHỔ BIẾN Error! Bookmark

not defined

2.1 Cơ chế FCFS (FIFO) Error! Bookmark not defined 2.2 Hàng đợi ưu tiên (PQ) Error! Bookmark not defined 2.3 Chiến lược Packet-Based Round Robin (PBRR) Error! Bookmark not

defined

2.4 Chiến lược Packet Fair Queuing và một số biến thể Error! Bookmark not

defined

2.5 Chiến lược Flow-Based Weighted Fair Queuing (WFQ) Error! Bookmark

not defined

2.6 Chiến lược Class-Based Weighted Fair Queuing (CBQ) Error! Bookmark

not defined

CHƯƠNG 3 CÁC CHIẾN LƯỢC QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI ĐỘNG Error!

Bookmark not defined

3.1 Cách tiếp cận truyền thống và hệ quả Error! Bookmark not defined

3.1.1 Hiện tượng Lock-Out và Global Synchronization Error! Bookmark not

defined

3.1.2 Hiện tượng Full Queues Error! Bookmark not defined

3.2 Chiến lược AQM Error! Bookmark not defined

3.2.1 Giảm số gói tin bị loại bỏ tại router Error! Bookmark not defined 3.2.2 Giảm độ trễ Error! Bookmark not defined 3.2.3 Tránh hiện tượng Lock-Out Error! Bookmark not defined

3.3 Thuật toán RED Error! Bookmark not defined

3.3.1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined 3.3.2 Mục tiêu và nguyên tắc thíết kế Error! Bookmark not defined 3.3.3 Giải thuật Error! Bookmark not defined 3.3.4 Thiết lập các tham số Error! Bookmark not defined 3.3.5 Một số đánh giá về RED Error! Bookmark not defined 3.3.6 Nghiên cứu RED bằng mô phỏng Error! Bookmark not defined

3.4 Thuật toán Adaptive-RED Error! Bookmark not defined

3.4.1 Ý tưởng của A-RED Error! Bookmark not defined 3.4.2 Thuật toán A-RED Error! Bookmark not defined 3.4.3 Thiết lập các tham số cho A-RED Error! Bookmark not defined 3.4.4 Nghiên cứu A-RED bằng mô phỏng Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG 4 THUẬT TOÁN QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI A-RIO Error! Bookmark

not defined

4.1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined 4.2 Thuật toán RIO Error! Bookmark not defined

4.2.1 Ý tưởng của RIO Error! Bookmark not defined 4.2.2 Thuật toán RIO Error! Bookmark not defined 4.2.3 Nghiên cứu RIO bằng mô phỏng Error! Bookmark not defined

4.3 Kiến trúc các dịch vụ phân loại DiffServ Error! Bookmark not defined

4.3.1 Cấu trúc DiffServ Error! Bookmark not defined 4.3.2 Quản trị hàng đợi động trong kiến trúc DiffServ Error! Bookmark not

defined

4.4 Thuật toán A-RIO Error! Bookmark not defined 4.5 Nghiên cứu A-RIO bằng mô phỏng Error! Bookmark not defined

4.5.1 Cấu hình mạng mô phỏng Error! Bookmark not defined 4.5.2 Các nguồn lưu lượng Error! Bookmark not defined 4.5.3 Kỹ thuật đánh dấu trTCM Error! Bookmark not defined 4.5.4 Các tham số AQM Error! Bookmark not defined

4.5.5 Kết quả mô phỏng Error! Bookmark not defined

KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Error!

Bookmark not defined

A KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined

B PHƯƠNG HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Error! Bookmark not

defined

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO - 11 -

A TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT - 11 -

B TÀI LIỆU TIẾNG ANH - 11 -

BẢNG CHỮ CÁI VIẾT TẮT

A-RED Adaptive - Random Early

Drop; Adaptive-RED

FFQ Frame-based Fair Queuing

A-RIO Adaptive – RED with In

and Out bit; Adaptive-RIO

FIFO First In First Out

Robin

AIMD Additive-Increase

Multiplicative-Decrease

G-RIO Gentle-RIO

Management

GPS Generalized Processor

Sharing ARPANET Advanced Research

Projects Agency Network

HTTP HyperText Transfer

Protocol

Fair Queuing

IETF Internet Engineering Task

Force

Rate

ISP Internet Service Provider

DDRR Dynamic Deficit Round

Robin

NFSNET National Science

Foundation Network DiffServ Differentiated Service NS Network Simulator

Robin ECN Explicit Congestion

Notification

PFQ Packet Fair Queuing

FCFS First Come First Serve PWFQ Packet-based Weighted

Fair Queuing FEC Forward Error Correction QoS Quality of Service

RED Random Early Detection;

Random Early Drop

SPFQ Starting Potential-Based

Fair Queuing

Protocol RSVP Resource Revervation

Protocol

TDM Time Division

Multiplexing

Marking

Fair Queuing SCFQ Self-Clocked Fair Queuing WFQ Flow-Based Weighted Fair

Queuing

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: So sánh một số chiến lược phục vụ 39

Bảng 3.1: Kết quả thống kê của mô phỏng 1 so sánh DropTail/RED 63

Bảng 3.2: Kết quả thống kê của mô phỏng 2 so sánh DropTail/RED 65

Bảng 3.3: Kết quả thống kê của mô phỏng 1 RED/A-RED 73

Bảng 3.4: Kết quả thống kê của mô phỏng 2 RED/A-RED 74

Bảng 4.1: So sánh RED và RIO-TSW với 10 luồng TCP 81

Bảng 4.2: Các kịch bản mô phỏng 96

Bảng 4.3: Các tham số lưu lượng 97

Bảng 4.4: Mô hình chồng ngưỡng cho RIO 99

Bảng 4.5: Các tham số cho các chiến lược AQM 100

Bảng 4.6: Hệ số sử dụng đường truyền và mức độ bảo vệ gói tin ưu tiên cao 103

Bảng 4.7: Độ đo mức độ công bằng 105

Bảng 4.8: Các thông số hiệu năng trường hợp 3 - 100% 107

Bảng 4.9: Các thông số hiệu năng, trường hợp 6 - 50% 110

Bảng 4.10: Các thông số hiệu năng trường hợp 4 - 75% 111

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Các tham số QoS chính 16

Hình 1.2: Hai chiến lược tạm dừng khác nhau và kết quả của chúng 22

Hình 1.3: Cơ chế thứ hai của FEC 26

Hình 1.4: Cơ chế đan xen 27

Hình 2.1: Bộ lập lịch 32

Hình 2.2: Cơ chế phục vụ FCFS 33

Hình 2.3: Ví dụ về cơ chế phục vụ FCFS 33

Hình 2.4: Cơ chế lập lịch hàng ưu tiên 34

Hình 2.5: Ví dụ về cơ chế lập lịch hàng ưu tiên 34

Hình 2.6: Cơ chế lập lịch Round Robin 36

Hình 2.7: Cơ chế PFQ 37

Hình 2.8: Cơ chế Weighted Fair Queuing (WFQ) 41

Hình 2.9: IP Precedence bits 41

Hình 2.10: Ví dụ về cấu trúc phân cấp chia sẻ băng thông trong CBQ 44

Hình 3.1: Giải thuật tổng quát cho RED gateways 52

Hình 3.2: Giải thuật chi tiết cho RED gateway 53

Hình 3.3: Cấu hình mạng mô phỏng 1 59

Hình 3.4: Các kết quả mô phỏng với DropTail 62

Hình 3.5: Các kết quả mô phỏng với RED 62

Hình 3.6: Cấu hình mạng mô phỏng 2 63

Hình 3.7: Kết quả mô phỏng 2 so sánh DropTail và RED 64

Hình 3.8: Thuật toán hiệu chỉnh max p trong Adaptive RED 68

Hình 3.9: Cấu hình mạng mô phỏng RED/A-RED 71

Hình 3.10: RED với sự tăng cường độ tắc nghẽn 72

Hình 3.11: A-RED với sự tăng cường độ tắc nghẽn 72

Hình 3.12: RED với sự giảm cường độ tắc nghẽn 74

Hình 3.13: A-RED với sự giảm cường độ tắc nghẽn 74

Hình 4.1: Thuật toán RIO 78

Hình 4.2: Các thuật toán RED và RIO 78

Hình 4.3: Cấu hình mạng mô phỏng RIO 79

Hình 4.4: Kích thước hàng đợi trung bình tương ứng với RED và RIO 83

Hình 4.5: So sánh kích thước cửa sổ các cặp kết nối 83

Hình 4.6: Một kiến trúc DiffServ đơn giản 85

Hình 4.7: Phân loại và đánh dấu gói tin 86

Hình 4.8: Thuật toán RIO với ba mức ưu tiên 90

Hình 4.9: Thuật toán A-RIO 93

Hình 4.10: Thuật toán A-RIO với ba mức ưu tiên 94

Hình 4.11: Cấu hình mạng mô phỏng A-RIO 95

Hình 4.12: Kích thước hàng đợi trung bình ứng với ba thuật toán 101

Hình 4.13: Trường hợp 3 - 100% 108

Hình 4.14: Trường hợp 6 - 50% 109

Hình 4.15: Trường hợp 4 - 75% 112

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển về hạ tầng mạng, các ứng dụng trên mạng Internet ngày càng phong phú, đa dạng Dữ liệu được truyền đi không chỉ đơn thuần là text đơn giản, mà là dữ liệu đa phương tiện (multimedia) bao gồm cả hình ảnh, âm thanh, audio, video, Các ứng dụng đa phương tiện phổ biến có thể kể đến như điện thoại qua mạng (Internet telephony), hội thảo trực tuyến (video conferencing), xem video theo yêu cầu (video on demand), đang ngày càng được sử dụng rộng rãi Đối với truyền thông đa phương tiện, điều quan trọng nhất là phải đảm bảo chất lượng dịch

vụ (QoS), tức là đảm bảo độ trễ và jitter nhỏ, thông lượng đủ lớn, hệ số sử dụng đường truyền cao và tỷ lệ mất gói tin có thể chấp nhận ở một mức độ nhất định Để làm được điều này cần phải có những cơ chế đặc biệt thực hiện ở các router

Sự phát triển nhanh chóng của các ứng dụng trên mạng làm cho kích thước mạng trở nên khổng lồ, nhu cầu vận chuyển dữ liệu trên Internet lớn dẫn tới thường xuyên xảy ra tình trạng tắc nghẽn dữ liệu trên đường truyền, vì vậy cần phải có các biện pháp xử lý nhằm hạn chế tối đa tắc nghẽn để mạng luôn duy trì được sự ổn định cao nhất Kỹ thuật truyền thống để quản lý kích thước hàng đợi là thiết lập độ dài tối đa cho mỗi hàng đợi, nhận các gói tin đến cho đến khi kích thước hàng đợi đạt đến ngưỡng trên, sau đó loại bỏ các gói tin đi đến cho đến khi kích thước hàng đợi giảm xuống do các gói tin trong hàng đợi đã được chuyển đi theo chính sách FIFO (hay FCFS) Trong bộ mô phỏng mạng NS, kỹ thuật này được biết đến với tên gọi “DropTail” Tuy nhiên, nếu thi hành chính sách phục vụ tại hàng đợi kiểu FIFO thì hàng đợi sẽ thường xuyên ở trạng thái đầy, làm tăng đáng kể thời gian trễ trung bình của các gói tin trong mạng Do vậy cần phải có các kỹ thuật khác hiệu quả hơn, đảm bảo cho mạng đạt được thông lượng cao và độ trễ trung bình nhỏ AQM (Active Queue Management) là một chiến lược quản lý hàng đợi động, trong đó các thực thể đầu cuối có thể phản ứng lại tắc nghẽn khi hiện tượng này mới chớm có dấu hiệu xuất hiện Theo đó, gateway sẽ quyết định cách thức loại bỏ sớm gói tin trong hàng đợi của nó trong khi tình trạng của mạng còn có thể kiểm soát được

RED (Random Early Detection of Congestion; Random Early Drop) là một chiến lược AQM đặc biệt, áp dụng cho mạng TCP/IP RED gateway thực hiện loại

bỏ gói tin trong hàng đợi theo chiến lược AQM như mô tả ở trên Một tuỳ chọn của RED là đánh dấu vào trường ECN trong header của các gói tin TCP, để báo cho bên gửi biết về hiện tượng tắc nghẽn có dấu hiệu sắp xảy ra, yêu cầu nguồn có phản ứng tích cực (giảm tỷ lệ phát gói tin) Ưu điểm chính của RED là tính đơn giản, không yêu cầu tất cả các gateway trên Internet cùng phải sử dụng kỹ thuật này, mà

có thể triển khai dần

A-RIO (Adaptive – RED with In and Out) là một sự kết hợp trực tiếp của thuật toán A-RED và thuật toán RIO A-RIO là thuật toán AQM áp dụng cho kiến trúc mạng DiffServ, dùng để chuyển tiếp có phân loại các gói tin A-RIO có khả năng ổn định được kích thước hàng đợi (và vì vậy độ trễ) quanh một giá trị mong muốn, trong khi vẫn duy trì được thông lượng cao và bảo vệ các gói tin có mức ưu tiên cao

Mục tiêu chính của Luận văn là tập trung nghiên cứu và đánh giá hiệu suất

của thuật toán quản lý hàng đợi A-RIO Bởi vì A-RIO là sự kết hợp của nhiều thuật

toán AQM, nên để phục vụ cho mục tiêu chính, chúng tôi đã dành nhiều thời gian nghiên cứu các thuật toán AQM cơ sở của nó, đó là RED, A-RED, RIO Ngoài ra,

vì mục đích cuối cùng là phải hướng tới người sử dụng, nên chúng tôi cũng đã dành một chương để trình bày tổng quan về truyền thông đa phương tiện trên mạng, đây

là các dịch vụ ở mức ứng dụng, hiệu quả của nó phụ thuộc chặt chẽ vào các dịch vụ mức dưới Xuất phát từ quan điểm trên, ngoài phần Mở đầu và Kết luận, Luận văn được chia làm 4 chương được tóm tắt như sau:

Chương 1 giới thiệu về truyền thông đa phương tiện trên mạng, khái niệm QoS và các phương pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ trong truyền thông multimedia trên mạng

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

A TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT

[1] Vũ Duy Lợi, Nguyễn Đình Việt, Ngô Thị Duyên, Lê Thị Hợi (2004), “Đánh giá hiệu suất chiến lƣợc quản lý hàng đợi RED bằng bộ mô phỏng NS”, Kỷ yếu Hội thảo Khoa học Quốc gia lần thứ hai về Nghiên cứu, Phát triển và Ứng dụng Công nghệ Thông tin và Truyền thông (ICT.rda'04), (Hà nội, 24-25/9/2004) NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 5/2005, trang 394-403

[2] Tống Trần Nhật Linh – K46CA (2005), Nghiên cứu các đặc điểm của truyền

thông multimedia và các đòi hỏi chất lượng dịch vụ (QoS), Khoá luận tốt

nghiệp, Khoa Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà nội

[3] Nguyễn Đình Việt (2003), Nghiên cứu phương pháp đánh giá và cải thiện hiệu

năng giao thức TCP cho mạng máy tính, Luận án tiến sĩ, Khoa Công nghệ, Đại

học Quốc gia Hà nội

B TÀI LIỆU TIẾNG ANH

[4] A.K Parekh, R.G Gallager (1992), “A generalized processor sharing approach

to flow control in integrated services networks-the single node case”, IEEE

INFOCOM ’92, pp 521-530.

[5] A Demers, S Keshav and S Shenkar (1989), “Analysis and Simulation of a

Fair Queuing Algorithms”, Proceedings of SIGCOMM ’89, pp 3-12

[6] Andrew S.Tanenbaum (2003), Computer Network, Fourth Edition, Prentice

Hall, March

[7] Bing Sheng, Mohammed Atiquzzaman (2001), “Low Pass Filter/Over Drop Avoidance (LPF/ODA): An algorithm to improve the performance of RED

gateways”, CS-TR-01-001

[8] Braden (1998), “Recommendations on Queue Management and Congestion

Avoidance in the Internet”, Informational RFC 2309, IETF