Traffic management (MẠNG VIỄN THÔNG SLIDE)

Đặc điểm packet switch Packet tới demultiplexed, switched, và remultiplexed thành luồng ra  Packet swicth có buffer để tránh mất gói khi có các gói tới đồng thời hì

1

Quản lý lưu lượng

Quản lý lưu lượng giao thông

 Đèn giao thông & tín hiệu điều

khiển luồng lưu lượng giao

thông

 Mục đích: tối đa hóa luồng

giao thông với thời gian trễ

cho phép

 Phân quyền ưu tiên

 Xe cảnh sát, cứu thương,

KSQS,…

 Luồng riêng cho xe bus

 Xe tải không vào thành phố

ban ngày

Quản lý lưu lượng packet

 Cơ cấu ghép và truy nhập để điều khiển dòng lưu lượng packet

 Mục đích: để sử dụng một cách có hiệu quả tài nguyên mạng và đảm bảo QoS

 Phân quyền ưu tiên

 Các gói khôi phục lỗi recovery packets)

(fault- Lưu lượng thời gian thực (real-time traffic)

 Lưu lượng doanh nghiệp (Enterprise (high-revenue) traffic)

 Lưu lượng băng thông cao (High bandwidth traffic) 2

Phân loại quản lý lưu lượng

 Dựa trên cấu trúc của lưu lượng và thời gian có thể chia quản lý lưu lượng thành 3 mức

 Packet Level

 Liên quan đến thủ tục xếp hàng (queueing) & định trình

(scheduling) các gói tại các điểm ghép

 Xác định phẩm chất cho các packets trong một khoảng thời gian ngắn (microseconds)

Đặc điểm packet switch

 Packet tới demultiplexed, switched, và

remultiplexed thành luồng ra

 Packet swicth có buffer để tránh mất gói khi có

các gói tới đồng thời

hình như một chuỗi của các hệ thống xếp

1 2 N – 1 N

Packet buffer

…

End-to-End QoS

tại các điểm ghép

từng chặng

 Tổng trễ giữa E2E là tổng của trễ tại mỗi hệ thống

 Trễ trung bình E2E là tổng của trễ trung bình

thành phần

 Giảm trễ tại mỗi hệ thống cho phép đảm bảo trễ E2E dưới một biên trên nhất định 6

QoS parameters

 Trễ

 Jitter: biến động về trễ gói

 Độ chênh lệch giữa min delay và max delay

 Packet loss: xảy ra khi packet tới nhưng

không có buffer

 Mạng hỗ trợ đa dịch vụ với các yêu cầu khác nhau về QoS

 Đảm bảo bằng cách thực hiện các chiến lược:

 Queueing sheduling: điều khiển tốc độ bit truyền

dẫn cung cấp cho các dòng thông tin khác nhau

Các chiến lược xếp hàng

 FIFO và Priority Queues

 Fair Queueing: Xếp hàng công bằng

 Weighted fair queueing: xếp hàng công bằng có trọng số

 Random Early Detection: Phát hiện sớm

ngẫu nhiên

FIFO Queueing

 Giải pháp định trình xếp hàng đơn giản nhất

 Truyền theo trình tự tới: First-In, First-Out

 Tất cả các luồng packet chia sẻ chung buffer

 Qui tắc buffering: loại bỏ các packet tới nếu buffer đầy

(Alternative: loại bỏ ngẫu nhiên; loại bỏ packet cũ)

 Delay và loss phụ thuộc vào interarrival time & packet length

 Interarrival time hoặc packet length biến động nhanh sẽ làm cho các gói xếp hàng dài tại các packet  phẩm chất bị suy giảm

Packet buffer

Transmission

link

Arriving packets

Packet discard when full

9

FIFO Queueing (2)

 Đối xử với các gói như nhau

 Không thể cung cấp QoS khác nhau cho các luồng

packet khác nhau

 Sửa đổi FIFO queueing management để cung cấp các đặc tính mất gói khác nhau cho các loại lưu lượng khác nhau

 FIFO Queueing with Discard Priority

 Head of line (HOL) priority queueing

 “Due date” scheduling

Packet buffer

Transmission

link

Arriving packets

Packet discard when full

Class 2 discard when threshold exceeded

(a)

(b)

FIFO Queueing with Discard Priority

Packets of low priority experience higher

packet loss

11

HOL Priority Queueing

 Mỗi priority class có một buffer riêng

 Khi đường truyền rỗi, packet đầu hàng (HOL) của hàng có ưu tiên cao nhất (không rỗng) được chọn

 Kích thước buffer của các class có thể lựa chọn theo yêu cầu khác nhau về xác suất lỗi

 Luồng có ưu tiên cao phải chờ ngắn hơn

Transmission

link

Packet discard when full High-priority

packets

Low-priority

packets

Packet discard when full

When high-priority queue empty

12

HOL Priority Queueing

 Nhược điểm:

 Không cho phép đảm bảo một mức độ truy nhập đường truyền nhất định cho các class ưu tiên thấp

 Không phân biệt được các luồng cùng cấp ưu tiên

 Đột biến tăng ở hàng ưu tiên cao có thể làm cho hàng ưu tiên thấp bị bão hòa

Transmission

link

Packet discard when full High-priority

packets

Low-priority

packets

Packet discard when full

When high-priority queue empty

13

Định trình theo hạn

 Xắp xếp packet vào buffer theo theo “priority tag”

 Priority tag

 Priority class + arrival time

 Due date (hạn)

 Packets yêu cầu trễ nhỏ có due date sớm

 Packets không có yêu cầu về trễ có due date lâu hoặc bằng vô cùng

Sorted packet buffer

unit

 Cung cấp truy nhập công bằng tới băng thông truyền dẫn

 Mỗi luồng có một buffer riêng: đặt được xác suất mất gói khác nhau

 Băng thông C bits/sec được phân bố đều cho các hàng đợi

15

 Luồng packet trong buffer có thể coi như luồng chất lỏng chảy liên tục mô hình như hệ thống dòng chảy chất lỏng

 Thực tế không thể thực hiện được chia đều dung lượng

 Giải pháp phục vụ mỗi hàng tuần tự 1bit/lần (round-robin)

 Tuy nhiên, có khó khăn về xử lý đóng khung lại ở đầu ra

 Giải pháp ở ATM: phục vụ 1 packet/lần

at rate 1/2 Both packets complete service

buffer 1 served first at rate 1;

then buffer 2 served at rate 1.

Packet from buffer 2 being served

Fluid flow vs Packet flow

 Sử dụng mô hình dòng chất lỏng không dễ dàng trong trường hợp các gói có độ dài

khác nhau

 Giả thiết các buffer được phục vụ 1

packet/lần

 Kích thước packet ở luồng 1 gấp đôi luồng 2

 Sau thời gian dài luồng 2 sẽ chiếm hai lần băng thông so với luồng 1

 Giải pháp: truyền các packet sao cho thời

gian kết thúc giống trường hợp dòng chất

lỏng

Packet-by-Packet Fair Queue

 Khi packet tới buffer, tính toán thời gian kết thúc theo hệ thống dòng chất lỏng

 Gán thời gian kết thúc cho packet (finish tag)

 Khi kết thúc truyền một packet, chọn packet có finish tag nhỏ nhất trong các buffer để

truyền

 Tính toán finish tag như thế nào?

19

t

Packet-by-packet fair queueing:

buffer 2 served at rate 1

Bit-by-Bit Fair Queueing

 Giả thiết n luồng, n hàng

 1 round = 1 cycle phục vụ tất cả n queues

 Mỗi hàng chờ được lấy 1 bit/cycle 1 round = # active queues

 Round number = số cycle phục vụ đã kết thúc

 Nếu packet đến hàng chờ rỗi:

Finishing time = round number + packet size [bits]

 Nếu packet đến hàng chờ bận:

Finishing time = finishing time of last packet in queue + packet size

21

Buffer 1 Buffer 2

 F(i,k,t) = thời gian kết thúc của packet thứ k đến luồng i vào thời

điểm t

 P(i,k,t) = kích thước của packet thứ k đến luồng i vào thời điểm t

 R(t) = số thứ tự round tại t

 Fair Queueing:

F(i,k,t) = max{F(i,k-1,t), R(t)} + P(i,k,t)

 Weighted Fair Queueing:

F(i,k,t) = max{F(i,k-1,t), R(t)} + P(i,k,t)/w i

Weighted Fair Queueing

 Trường hợp các người dùng có yêu cầu khác nhau

 Mỗi người dùng có một buffer với một trọng số (weight) xác định mức độ chia sẻ băng

thông

 Nếu buffer 1 có weight 1, buffer 2 có weight 3

 Khi cả hai buffer không trống

 Buffer 1 nhận 1/(1+3) =1/4 băng thông

 Buffer 2 nhận 3/(1+3)= 3/4 băng thông

Packet from buffer 1 served at rate 1

Packet from buffer 2

Packetized GPS/WFQ

 Compute packet completion time in ideal system

 add tag to packet

 sort packet in queue according to tag

 serve according to HOL

Sorted packet buffer

unit

WFQ and Packet QoS

networks

 Thực hiện với tốc độ cao, tới 10 Gbps và có thể cao hơn

 WFQ phải kết hợp với các cơ cấu khác để

cung cấp end-to-end QoS

27

Buffer Management

 Packet drop strategy: Which packet to drop when buffers full

 Fairness: protect behaving sources from misbehaving

sources

 Aggregation:

 Per-flow buffers protect flows from misbehaving flows

 Full aggregation provides no protection

 Aggregation into classes provided intermediate protection

 Drop priorities:

 Drop packets from buffer according to priorities

 Maximizes network utilization & application QoS

 Examples: layered video, policing at network edge

 Controlling sources at the edge

Early or Overloaded Drop

Random early detection:

 Loại bỏ packet nếu trung bình ngắn hạn của

hàng vượt quá ngưỡng

 Xác suất loại bỏ packet tăng tuyến tính với đồ

dài hàng chờ

 Đánh dấu các packet vi phạm

 Tăng hiệu năng hợp tác của các nguồn TCP

 Tăng xác suất mất gói của các nguồn hoạt

động không theo qui tắc (misbehaving)

29

Random Early Detection (RED)

 Giảm tốc độ phát packets của TCP theo tắc nghẽn của mạng

 Early drop : loại bỏ packets trước khi buffer đầy

 Random drop: làm cho một số nguồn giảm tốc độ trước một số nguồn khác, làm ch tốc độ tổng hợp giảm dần

Algorithm:

 Duy trì trung bình của độ dài hàng Q avg

 Nếu Qavg < minthreshold , thuật toán không kích hoạt

 Nếu Qavg > maxthreshold , loại bỏ packet

 Nếu maxthreshold > Qavg > minthreshold , loại bỏ packet theo xác suất

 Các luồng truyền nhiều packets dễ chịu ảnh hưởng của mất packet hơn

Average queue length

min th max th full

Packet Drop Profile in RED

31

8

6 3

2 1

Congestion

Tắc nghẽn xảy ra khi có đợt lưu lượng làm quá tải tài nguyên

mạng

Các giải pháp Điều khiển Tắc nghẽn:

• Giải pháp ngăn ngừa: Định trình & Đặt chỗ

• Giải pháp Phản ứng: Phát hiện & Điều tiết/Loại bỏ 33

Hiệu quả lý tưởng của điều khiển luồng:

Tài nguyên được sử dụng hiệu quả tới mức dung lượng

cho phép

Open-Loop Control

 Phẩm chất mạng được đảm bảo cho tất cả các

luồng lưu lượng đã được chấp nhận vào mạng

 Ngăn tắc nghẽn xảy ra bằng cách đảm bảo là luồng lưu lượng do nguồn tạo ra không gây suy giảm

phẩm chất mạng dưới QoS cho trước

 Không sử dụng thông tin phản hồi để đối phó với tắc nghẽn

 Các cơ cấu Chính

Admission Control

 Ban đầu được phát triển cho VC packet network, nhưng

cũng đã được đề xuất cho datagram network

 Admission control là một chức năng mạng thực hiện tính

toán yêu cầu về tài nguyên (băng thông, buffer) của một

luồng mới

 Xác định xem tài nguyên trên đường có cho phép hay không

 Nguồn khởi tạo luồng mới cần xin giấy phép từ AC entity

 ACE quyết định xem luồng được chấp nhận hay từ chối

 Chấp nhận nếu QoS (max delay, loss probability ) được đảm bảo, nếu không từ chối

 Để xác định cần biết yêu tham số lưu lượng (peak rate,

average rate, max burst size) và yêu cầu QoS của luồng xác định ở contract giữa nguồn và mạng

Tốc bộ bit yêu cầu bởi một

nguồn thông tin VBR

Admission Control

 AC entity tính toán bandwidth cho luồng

 “Effective” bandwidth: b/w aver and max rate

37

 Mạng giám sát và cưỡng chế các luồng lưu lượng liên tục sau khi được chấp nhận vào mạng theo

“hợp đồng” lưu lượng

 Khi có một packet vi phạm hợp đồng, mạng có thể loại bỏ hoặc đánh dấu packet đó thành packet có ưu tiên thấp

 Nếu xảy ra tắc nghẽn, các gói được đánh dấu sẽ bị loại bỏ trước

 Leaky Bucket Algorithm là thuật toán phổ biến nhất sử dụng policing mechanism

 Bucket có tốc độ “poll” xác định theo tốc độ trung bình đã thỏa thuận

 Bucket có độ sâu nhất định để đáp ứng các biến động về tốc độ tới

 Gói đến được gọi là “phù hợp” nếu nó không làm trào xô

Leaky Bucket algorithm có thể sử dụng để khống chế tốc

độ tới của dòng packet

Nước chảy với tốc độ đều

1 packet per unit time Assume constant-length packet as in ATM

Đặt: X = là dung lượng bucket tại thời điểm packet phù hợp tới cuối cùng

Đặt: t a – thời gian tới của packet phù hợp cuối cùng = mức dò ở bucket

39

Leaky Bucket (Cont ’d)

Leaky Bucket (Cont ’d)

Bucket

41

Leaky Bucket (Cont ’d)

Bucket

Empty

Leaky Bucket (Cont ’d)

Bucket

Hole

43

Leaky Bucket (Cont ’d)

Bucket

Water

Hole

Leaky Bucket (Cont ’d)

45

Leaky Bucket (Cont ’d)

Drip

Leaky Bucket (Cont ’d)

47

Leaky Bucket (Cont ’d)

Leaky Bucket (Cont ’d)

49

Leaky Bucket (Cont ’d)

Constant rate stream of drips, all nicely spaced, periodic

Leaky Bucket (Cont ’d)

Constant rate stream of drips, all nicely spaced, periodic

Storage area

for drips

waiting to go

51

Arrival of a packet at time t a

X’ = X - (t a - LCT)

X’ < 0?

X’ > L?

X = X’ + I LCT = t a

conforming packet

X’ = 0

Nonconforming packet

X = value of the leaky bucket counter X’ = auxiliary variable

LCT = last conformance time

Yes

No Yes

No

Tốc độ dò:

1 packet per unit time

L+I = Bucket Depth

I = chỉ số tăng mỗi lần tới,

(interarrival time danh định)

Leaky Bucket Algorithm

Interarrival time

Current bucket content

arriving packet

would cause

overflow

empty Non-empty

conforming packet

52

MBS

T = 1 / peak rate

MBS = maximum burst size

I = nominal interarrival time = 1 / sustainable rate

Tagged or dropped

MBS = maximum burst size

Leaky bucket 1 SCR and MBS

Leaky bucket 2 PCR and CDVT

Tagged or dropped

Dual leaky bucket to police PCR, SCR, and MBS:

Dual Leaky Bucket

55

Network C Network A

Network B

Traffic shaping Policing Traffic shaping Policing

Traffic Shaping

 Networks police the incoming traffic flow

lượng tuân theo các tham số của leaky bucket

 Networks can shape their traffic prior to passing it to another network

Incoming traffic Size N Shaped traffic

Packet

Server

Leaky Bucket Traffic Shaper

 Buffer incoming packets

 Play out periodically to conform to parameters

 Surges in arrivals are buffered & smoothed out

 Possible packet loss due to buffer overflow

 Too restrictive, since conforming traffic does not

need to be completely smooth

57

Incoming traffic Size N Shaped traffic

Size K

Tokens arrive periodically

Server

Packet

Token

Token Bucket Traffic Shaper

An incoming packet must

have sufficient tokens

before admission into the

network

58

The token bucket constrains the traffic from a

source to be limited to b + r t bits in an interval of

b R

Buffer occupancy

 Assume fluid flow for information

 Token bucket allows burst of b bytes 1 & then r bytes/second

 Since R>r, buffer content @ 1 never greater than b byte

 Thus delay @ mux < b/R

Delay Bounds with WFQ / PGPS

 traffic shaped to parameters b & r

 schedulers give flow at least rate R>r

 H hop path

 m is maximum packet size for the given flow

 M maximum packet size in the network

 Rj transmission rate in jth hop

 Maximum end-to-end delay that can be experienced

by a packet from flow i is:

m

H R

b D

1

) 1 (

61

Scheduling for Guaranteed Service

delay across the network are to be provided

 A call admission control procedure is required

to allocate resources & set schedulers

 Traffic flows from sources must be

shaped/regulated so that they do not exceed their allocated resources