Đang tải... (xem toàn văn)
Nhu cầu về các dịch vụ mạng ngày càng đa dạng, phong phú và đòi hỏi nhiều mức độ chất lượng dịch vụ khác nhau.
Chương 2: Điều khiển tắc nghẽn NGN Chương ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN TRONG NGN 2.1 Giới thiệu chương Nhu cầu dịch vụ mạng ngày đa dạng, phong phú đòi hỏi nhiều mức độ chất lượng dịch vụ khác Xu hướng phát triển tiến tới hội tụ mạng hội tụ dịch vụ Tài nguyên mạng có giới hạn nhu cầu truyền thơng tin ngày tăng, mà tượng tắc nghẽn mạng khó tránh khỏi Chương trình bày vấn đề tắc nghẽn, nguyên nhân phân loại tiêu chí đánh giá phương pháp điều khiển tắc nghẽn Ngoài ra, thuật tốn tăng giảm tuyến tính đề cập chương 2.2 Vấn đề tắc nghẽn NGN Tắc nghẽn tượng quen thuộc mạng, mà nguyên nhân nói chung tài nguyên mạng giới hạn nhu cầu truyền thông tin người khơng có giới hạn Hình 2.1 trình bày tượng tắc nghẽn mạng hình 2.2 trình bày hiệu việc có điều khiển Thông thường, nút mạng thiết kế với đệm lưu trữ có hạn Nếu tình trạng nghẽn mạng kéo đủ dài, đệm bị tràn, gói bị trễ thời gian cho phép Nếu gói bị mạng thời điểm tài nguyên mạng mà gói sử dụng bị theo 18 Chương 2: Điều khiển tắc nghẽn NGN Xảy tắc nghẽn Hình 2.1 Hiện tượng xảy tắc nghẽn Hình 2.2 Hiệu việc điều khiển tắc nghẽn [7] Hình 2.3 minh họa mơi trường mạng hỗn tạp NGN Các mạng riêng lẻ kết nối với thông qua định tuyến hay cổng (MG), gói tin đến lưu giữ (store) đệm chuyển tiếp (forward) theo đường kết nối đầu Tốc độ gói tin đầu bị giới hạn băng thông (bandwidth) đường kết nối, thường nhỏ băng thông đường đến phải phân chia cho nhiều luồng 19 Chương 2: Điều khiển tắc nghẽn NGN Máy chủ Mạng truyền hình MG Mạng lõi MG MG MG Mạng di động Mạng cố định Mạng liệu Hình 2.3 Mơi trường mạng hỗn tạp NGN 2.2.1 Nguyên nhân xảy tắc nghẽn Nguyên nhân xảy tắc nghẽn mơi trường mạng là: Tràn đệm: thường nút mạng thiết kế với đệm lưu trữ có hạn Nếu tình trạng nghẽn mạng kéo đủ dài, đệm bị tràn, gói bị trễ thời gian cho phép Đây nguyên nhân giống mạng truyền thống Lỗi đường truyền vô tuyến Do nghẽn cổ chai: điểm đấu nối từ mạng tốc độ thấp vào mạng tốc độ cao Nhu cầu băng thông cao dịch vụ đa phương tiện loại hình dịch vụ Lưu lượng lớn, thay đổi đột biến biến đổi động Tính biến động mạng, topo mạng: Đây đặc tính mạng NGN so với mạng truyền thống Các nút mạng dịch chuyển làm topo mạng thay đổi gây biến đổi vềĐiểm chia lưu lượng Điểm vách phân gãy mạng (knee) (cliff) 2.2.2 Nguyên lý chung điều khiển chống tắc nghẽn Thông lượng (Throughput) 20 Lưu lượng đầu vào (offered load) Chương 2: Điều khiển tắc nghẽn NGN Hình 2.4 Quá trình diễn tắc nghẽn [7] Q tải làm thơng lượng (throughput) suy biến hình 2.4 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ thông lượng với lưu lượng đưa vào (offered load) Ở mức lưu lượng đưa vào nhỏ (phía trái điểm gãy - Knee), thơng lượng tăng tuyến tính với lưu lượng đưa vào Đó lúc băng thơng chưa sử dụng hết Thông lượng lớn lưu lượng đưa vào gần với băng thông thắt cổ chai (bottleneck bandwidth) thơng lượng tăng chậm tương ứng với kích thước liệu đệm Khi lưu lượng đưa vào tiếp tục tăng, thông lượng giảm đột ngột từ điểm vách (Cliff) xuống giá trị nhỏ, lúc tất luồng gửi liệu liệu khơng truyền đến phía nhận Lúc đó, hầu hết gói bị tượng tắc nghẽn xảy Nguyên lý chung để điều khiển chống tắc nghẽn là: - Duy trì điểm hoạt động mạng mức lưu lượng đưa vào nhỏ - Đảm bảo cho đệm định tuyến khơng bị tràn - Đảm bảo phía gởi liệu nhanh mà phía nhận xử lý, giúp sử dụng tài nguyên cách hiệu 21 Chương 2: Điều khiển tắc nghẽn NGN 2.3 Các phương pháp điều khiển chống tắc nghẽn 2.3.1 Các đặc điểm chung Các phương pháp điều khiển chống tắc nghẽn phân loại dựa đặc điểm chung sau: • Điều khiển tiếp nhận (Admission control): cho phép kết nối mạng đáp ứng cách thích hợp Trong pha thiết lập kết nối có chứa tập mơ tả lưu lượng (tốc độ truyền dẫn cực đại, tốc độ truyền dẫn trung bình, trễ cực đại cho phép…) Mạng cho phép người sử dụng truy nhập đến có đủ tài nguyên sẵn sàng mạng Ngược lại, yêu cầu kết nối bị từ chối Mạng giám sát, kiểm soát luồng lưu lượng để xem liệu người dùng có tn theo mơ tả lưu lượng khơng • Kiểm sốt (Policing): Kiểm tra kết nối vi phạm mô tả lưu lượng để đưa xử lý trừng phạt cách: 1) Xóa gói vi phạm mơ tả 2) Gán cho chúng quyền ưu tiên thấp • Điều khiển luồng lưu lượng (Flow control) hoạt động mạng để tránh xảy tắc nghẽn Ngoài điều khiển lưu lượng nhằm sử dụng tối ưu tài nguyên mạng để đạt hiệu suất mạng thực 2.3.2 Phân loại Theo đặc điểm chung nêu trên, phương pháp điều khiển tắc nghẽn phân loại sau: Điều khiển tắc nghẽn vòng hở (Open-loop congestion control) kết hợp điều khiển tiếp nhận, kiểm sốt ngun lý thùng rị (leaky bucket) Trong khơng có thơng tin phản hồi từ mạng phía nhận Điều khiển chống tắc nghẽn vịng kín (Close-loop congestion control) dựa trạng thái mạng với giám sát tắc nghẽn điều khiển lưu lượng dựa thông tin phản hồi Trong đó, thơng tin phản hồi là: 22 Chương 2: Điều khiển tắc nghẽn NGN • Phản hồi ẩn (implicit feedback) nguồn phát sử dụng thời gian chờ (time-out) để xác định liệu có xảy tắc nghẽn hay khơng Ví dụ: điều khiển chống tắc nghẽn TCP thực theo kiểu • Phản hồi rõ (explixit feedback) số tin tường minh gửi đến nguồn phát Điều khiển theo tốc độ: điều khiển cách trực tiếp tốc độ truyền phía gửi (nguồn gửi tin) Điều khiển theo kích thước cửa sổ: điều khiển gián tiếp tốc độ truyền thông qua việc thay đổi kích thước cửa sổ (số gói tin số byte tồn đó) 2.4 Các tiêu chí đánh giá phương pháp điều khiển chống tắc nghẽn Trong phần đề xuất số tiêu chí đánh giá dựa sở tiêu chí truyền thống [7], song có xem xét đến đặc tính mơi trường mạng NGN Những tiêu chí dùng cho phân tích, đánh giá phương pháp điều khiển chống tắc nghẽn bao gồm: 2.4.1 Tính hiệu (Efficient) Tính hiệu định nghĩa tỉ số tổng tài nguyên phân phối cho ứng dụng tổng tài nguyên mong muốn điểm Knee mạng, nghĩa trước thời điểm mạng xảy bão hòa Nếu Xgoal biểu thị mức lưu lượng đưa vào mong muốn điểm Knee, X(t) biểu thị tổng tài nguyên phân phối cho ứng dụng, nghĩa X (t ) = ∑xi (t ) , tính hiệu xác định tỉ số: η= X (t ) X goal (2.1) Quá tải ( X (t ) > X goal ) hay mức tải ( X (t ) < X goal ) khơng mong muốn coi khơng có hiệu Thuật toán hiệu η tiến gần tới 1, nghĩa X(t) tiến gần tới Xgoal Chú ý, tính hiệu có liên quan đến tổng lượng phân phối lượng phân phối khác hai hiệu miễn tổng lượng phân phối 23 Chương 2: Điều khiển tắc nghẽn NGN gần đến “goal” Sự phân bố tổng lượng phân phối người dùng đo tiêu bình đẳng 2.4.2 Tính bình đẳng (Fairness) Khi nhiều người dùng chia sẻ tài nguyên, tất người dùng lớp dịch vụ phải có chia sẻ tài nguyên Thường phân bổ khơng cách xác, mức độ bình đẳng đo số bình đẳng Chỉ số bình đẳng định nghĩa khái quát [7] sau: (∑ x ) F ( x) = n( ∑ x i i ) (2.2) Chỉ số có đặc tính sau đây: • ≤ F ( x ) ≤1 Lượng phân phối bình đẳng (với tất lượng x i nhau) có tính bình đẳng lượng phân phối khơng bình đẳng (với tất tài ngun dùng cho người) có tính bình đẳng 1/n đạt đến n tiến tới vơ • Tính bình đẳng độc lập vào thang đo, tức là, đơn vị đo không quan trọng • Tính bình đẳng hàm liên tục Một vài thay đổi nhỏ lượng phân bố thấy tính bình đẳng • Nếu có k n người dùng chia sẻ tài nguyên với (n - k) người dùng không nhận tài nguyên nào, tính bình đẳng k/n Ta có đặc tính khác [13] Thuật tốn bình đẳng F tiến gần tới Tuy nhiên, số biểu diễn tính bình đẳng người dùng mạng nói chung mà chưa thể chất đa dịch vụ mạng hệ Trong mạng NGN có nhiều lớp dịch vụ khác nhau, sử dụng nhiều hệ giao thức vận chuyển khác Vì vậy, cần thiết phải đưa thêm hai số bình đẳng [2]: − Chỉ số bình đẳng giao thức họ: F1 = θi / θ j 24 (2.3) Chương 2: Điều khiển tắc nghẽn NGN θi θj thơng lượng giao thức i j sử dụng cho lớp ứng dụng − Chỉ số bình đẳng giao thức khác họ: F2 = θi ωj (2.4) θi ωj thông lượng giao thức i j khác họ sử dụng cho lớp ứng dụng khác 2.4.3 Tính hội tụ (Convergence) Sự hội tụ đánh giá thời gian cần để hệ thống đạt đến trạng thái mong muốn từ trạng thái xuất phát Một cách lý tưởng, hệ thống đạt tới trạng thái đích nhanh có biên độ dao động nhỏ xung quanh Như vậy, tính hội tụ đánh giá qua yếu tố: • Trạng thái cân tiệm cận với Xgoal • Thời gian cần thiết để thuật tốn hội tụ đến Xgoal • Biên độ dao động xung quanh giá trị Xgoal nhỏ dần Thời gian để đạt trạng thái cân (equilibrium) xác định độ nhạy (responsiveness) độ dao động xác định độ mịn (smoothness) phương pháp điều khiển Một cách lý tưởng, muốn thời gian dao động phải nhỏ Do đó, điều khiển với thời gian nhỏ biên độ nhỏ dao động gọi nhạy mịn hơn, hình 2.5 2.4.4 Thời gian đáp ứng nhanh (Small response time) Thuật toán phải nhanh chóng phát tắc nghẽn thời gian kể từ phát tắc nghẽn đến có tác động điều khiển chống tắc nghẽn phải nhanh tốt: Tresp ≤ Tgoal - Tgoal sở để so sánh thuật toán điều khiển 25 Chương 2: Điều khiển tắc nghẽn NGN Độ nhạy “Goal” Độ mịn Tổng lưu lượng mạng Thời gian Hình 2.5 Độ nhạy (responsiveness) độ mịn (smoothness) 2.4.5 Độ mịn điều khiển (Smoothness) Trong thực tế, tác động điều khiển đưa hệ thống đến trạng thái mong muốn Vì vậy, thuật toán điều khiển chống tắc nghẽn phải thiết kế cho tác động điều khiển có độ mịn cần thiết, tránh đưa hệ thống vào trạng thái ổn định thêm Đại lượng để đo độ mịn hiệu số lưu lượng thời điểm điều khiển liên tiếp t1 t2: x i (t ) −x i (t1 ) lượng mạng thời điểm điều khiển liên tiếp t1 t2: hiệu số tổng lưu X (t ) − X (t1 ) 2.4.6 Tính phân tán (Distributedness) Đây điều cần thiết mơ hình tập trung địi hỏi thơng tin đầy đủ trạng thái mạng luồng riêng lẻ, điều khơng thể khơng có mạng cỡ lớn Chẳng hạn, muốn biết nhu cầu cá nhân hay tồn Thơng tin hữu dụng nguồn tài nguyên Tuy nhiên, truyền đạt thông tin cho nhiều người dùng làm quan tâm đến mào đầu (overhead), đặc biệt người dùng dùng vài nguồn tài nguyên (resource) thời điểm Do đó, phải quan tâm hàng đầu đến phương pháp điều khiển thực hệ thống thực giả sử hệ thống có lượng phản hồi Nó cho ta biết nơi khơng đủ tải hay tải thông qua bit phản hồi nhị 26 Chương 2: Điều khiển tắc nghẽn NGN phân Thông tin khác Xgoal số lượng người dùng chia sẻ nguồn tài nguyên giả thiết người dùng Điều hạn chế phương pháp khả thi Như vậy, mơ hình xây dựng để đánh giá phương pháp điều khiển chống tắc nghẽn cho mạng NGN thiết kế dựa sáu tiêu chí nêu 2.5 Thuật toán tăng giảm 2.5.1 Thuật toán tăng giảm Trong hình 2.6 mơ tả mạng với n người dùng Tình trạng tắc nghẽn hệ thống xác định số gói hệ thống Thời gian chia thành khe rời rạc Những khe đặc trưng cho khoảng bắt đầu người dùng thiết lập mức tải dựa vào phản hồi mạng nhận khoảng trước Nếu suốt khe thời gian t, người dùng thứ i xi (t ) , sau tải tổng cộng tài nguyên thắt cổ chai ∑x i (t ) , trạng thái hệ thống biểu thị vector có độ dài n x(t ) = { x1 (t ), x (t ), , x n (t )} Khi hoạt động hay gần điểm Knee, tài nguyên yêu cầu người dùng chấp nhận (điều không điểm cliff) Do đó, xi(t) biểu thị người dùng thứ i Người dùng Người dùng Người dùng n x1 ∑ xn ? 27 y Chương 2: Điều khiển tắc nghẽn NGN Hình 2.6 Hệ thống gồm n người dùng chia sẻ mạng Trong suốt khoảng thời gian, hệ thống xác định mức tải gởi phản Nếu y (t ) = ⇒ tăng tải hồi nhị phân y(t),với Nếu y (t ) =1 ⇒ giảm tải Những người dùng hoạt động hệ thống thay đổi (tăng hay giảm) yêu cầu lượng u i (t ) Do đó, xi (t + 1) = xi (t ) + u i (t ) (2.5) Sự thay đổi u i (t ) mô tả điều khiển người dùng thứ i Nó hàm theo yêu cầu trước người dùng phản hồi hệ thống: u i (t ) = f ( xi (t ), y (t ) ) (2.6) Do đó, ta có: xi (t + 1) = xi (t ) + f i ( xi (t ), y (t ) ) Chú ý người dùng yêu cầu người khác, đó, u i (t ) hàm x j (t ), j ≠ i Thông thường, hàm điều khiển f tuyến tính hay khơng tuyến tính Tuy nhiên, trước hết tập trung đến điều khiển tuyến tính Hàm trạng thái (2.1) trở thành a I + bI xi (t ) xi (t + 1) = a D + bD xi (t ) Tăng Giảm Ở đây, aI, bI, aD, bD số Dưới trường hợp hàm điều khiển: 28 Chương 2: Điều khiển tắc nghẽn NGN • Tăng nhân/giảm nhân (MIMD- Multiplicative Increase/Multiplicative Decrease) bI xi (t ) xi (t + 1) = bD xi (t ) nếu Tăng Giảm (2.7) Với bI > < bD < Mọi người dùng tăng nhu cầu cách nhân yêu cầu trước với hệ số (constant factor) Giảm cách nhân • Tăng cộng/giảm cộng (AIAD- Additive Increase/ Additive Decrease) a I + xi (t ) xi (t + 1) = a D + xi (t ) Tăng Giảm (2.8) Ở đây, a I > a D < Tất người dùng tăng nhu cầu cách cộng lượng với nhu cầu trước Giảm phép cộng • Tăng cộng/giảm nhân (AIMD- Additive Increase/Multiplicative Decrease) a I + xi (t ) xi (t + 1) = bD xi (t ) Tăng giảm (2.9) Tăng cách cộng với lượng không đổi giảm nhân hệ số • Tăng nhân/giảm cộng (MIAD- Multiplicative Increase/Addative Decrease) bI xi (t ) xi (t + 1) = a D + xi (t ) Tăng giảm (2.10) Để đánh giá hiệu phương pháp điều khiển, đề cập phần 2.5.2 Biểu diễn thuật toán vector (1) Phân Khi xác định phương pháp điều khiển khả thi, nên xem chuyển bố x2 (2) đổi trạng thái hệcủa thống quỹ đạo không gian vector n chiều Chúng ta xét người phương pháp trường hợp người dùng, xem không gian dùng (5) chiều X0 (3) (6)29 (4) Phân bố x1 người dùng Chương 2: Điều khiển tắc nghẽn NGN Hình 2.7 Vector biểu diễn cho người dùng Trong đó: (1) Đường đồng đẳng (Equi-Fairness Line) (2) Đường bình đẳng (Fairness Line) (3) Điểm tối ưu (Optimal point) (4) Đường hiệu (Efficiency Line) (5) Quá tải (Overload) (6) Không đủ tải (underload) Như hình 2.7, tài nguyên phân bố người dùng {x1 (t ), x (t )} biểu diễn điểm {x1, x2 } khơng gian chiều Trong hình này, trục ngang mô tả phân phối (allocation) cho người dùng 1, trục đứng mô tả phân phối cho người dùng Tất phân phối với x1+x2=Xgoal phân phối có hiệu Nó tương ứng với đường thẳng “đường hiệu quả” (efficiency line) Tất phân phối mà x1= x2 phân bố bình đẳng Nó tương ứng với đường thẳng gọi “đường bình đẳng” (fairness line) Hai đường cắt điểm (X goal/2, Xgoal/2) điểm tối ưu Mục tiêu (goal) phương pháp điều khiển làm cho hệ thống đến hoạt động điểm mà không quan tâm đến vị trí bắt đầu Tất điểm bên đường hiệu mô tả hệ thống “không đủ tải”(underload) cách lý tưởng hệ thống yêu cầu người dùng tăng tải Theo quan sát, chẳng hạn, điểm x0=(x10, x20) 30 Chương 2: Điều khiển tắc nghẽn NGN Nguyên tắc tăng cộng tăng phân phối người dùng a1 tương ứng với việc dịch chuyển dọc đường tạo với trục ngang góc 45 Nguyên tắc tăng nhân tăng phân phối cho người dùng hệ số b1 tương ứng với việc dịch theo đường nối điểm với gốc toạ độ Tương tự, tất điểm đường hiệu mô tả hệ thống tải (overload) giảm cộng mơ tả đường tạo với trục ngang góc 45 , giảm nhân mô tả đường nối điểm với gốc Tính bình đẳng điểm (x1, x2) cho bởi: F= ( x1 + x2 ) 2 2( x12 + x ) Chú ý nhân hai phân bố với hệ số b khơng thay đổi tính bình đẳng Đó là, (bx1,bx2) có tính bình đẳng với (x1, x2) cho tất giá trị b Do đó, tất điểm đường nối điểm với gốc có tính bình đẳng Chúng ta, gọi đường qua gốc đường “đồng đẳng” (equi-fairness) Tính bình đẳng giảm độ dốc đường tăng lên giảm xuống đường bình đẳng Hình 2.8 cho ta thấy quỹ đạo hệ thống người dùng điểm x dùng nguyên tắc điều khiển tăng cộng/giảm nhân Điểm x0 nằm đường hiệu hai người dùng yêu cầu tăng Chúng di chuyển dọc đường tạo với trục ngang góc 45 Nó di chuyển đến x1 nằm đường hiệu Người dùng yêu cầu giảm thực phép nhân, tương ứng với việc chuyển động đến điểm gốc đường nối x1 gốc Nó di chuyển đến điểm x2, nằm đường hiệu lập lại theo chu kỳ Chú ý x2 có tính bình đẳng cao x0 Do đó, với chu kỳ, tính bình đẳng tăng chậm, cuối cùng, hệ thống hội tụ đến trạng thái tối ưu, dao động quanh điểm “goal” Quỹ đạo tương tự vẽ cho nguyên tắc điều khiển khác Mặc dù tất nguyên tắc điều khiển hội tụ Chằng hạn, hình 2.9 cho ta thấy quỹ đạo nguyên tắc điều khiển tăng cộng/giảm cộng AIAD vị trí x Hệ thống giữ chuyển động lùi đến dọc theo đường qua điểm x0, tạo với trục ngang góc 45 Với nguyên lý thế, hệ thống hội tụ đến hiệu quả, khơng bình đẳng 31 Chương 2: Điều khiển tắc nghẽn NGN Phân bố x2 người dùng Đường bình đẳng Đường hiệu Phân bố x1 người dùng Hình 2.8 AIMD hội tụ đến điểm tối ưu Điểm làm việc dao động dọc đường Phân bố x2 người dùng thứ Đường bình đẳng Đường hiệu Phân bố x1 người dùng Hình 2.9 AIAD khơng hội tụ Điều kiện để hội tụ đến hiệu bình đẳng đưa theo phương pháp đại số [7] 32 Chương 2: Điều khiển tắc nghẽn NGN 2.6 Kết luận chương Hiện tượng tắc nghẽn xảy mạng vấn đề khó tránh khỏi, điều khiển tắc nghẽn ngày trở nên cấp thiết Chương nêu tổng quan nguyên lý, phân loại phương pháp điều khiển tắc nghẽn, tiêu chí đánh giá phương pháp điều khiển Ngồi ra, thuật tốn tăng giảm (ở nói đến tăng giảm tuyến tính) đề cập đến Từ đó, ta thấy AIMD sử dụng nhiều thuật tốn khác đảm bảo hội tụ đến tính hiệu bình đẳng Phần sâu vào phương pháp điều khiển tắc nghẽn 33 .. .Chương 2: Điều khiển tắc nghẽn NGN Xảy tắc nghẽn Hình 2.1 Hiện tượng xảy tắc nghẽn Hình 2.2 Hiệu việc điều khiển tắc nghẽn [7] Hình 2.3 minh họa môi trường mạng hỗn tạp NGN Các mạng... 21 Chương 2: Điều khiển tắc nghẽn NGN 2.3 Các phương pháp điều khiển chống tắc nghẽn 2.3.1 Các đặc điểm chung Các phương pháp điều khiển chống tắc nghẽn phân loại dựa đặc điểm chung sau: • Điều. .. phát tắc nghẽn thời gian kể từ phát tắc nghẽn đến có tác động điều khiển chống tắc nghẽn phải nhanh tốt: Tresp ≤ Tgoal - Tgoal sở để so sánh thuật toán điều khiển 25 Chương 2: Điều khiển tắc nghẽn