Điều khiển lưu lượng và tắc nghẽn trong mạng ATM, chương 13 doc

Chương 13: CÁC GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỄN
LƯU LƯNG VÀ TẮC NGHẼN TRONG ATM
3.1 Giới thiệu một số giải thuật điều khiển tắc nghẽn:
3.1.1 Cell quản lý tài nguyên RM (Resource
Manegament):
Trong mạng ATM, điều khiễn tắc nghẽn cho dòch vụ ABR
là khả thi và hiệu quả nhất. Điều này bởi vì dòch vụ ABR và
UBR sữ dụng băng thông còn thừa của hai loại dòch vụ CBR và
VBR nhằm tận dụng tối đa băng thông trong mạng. Tuy nhiên
khác với UBR , dòch vụ ABR cần phải cung cấp một lượng băng
thông tối thiểu để bảo đảm tốc độ truyền cực tiểu, còn dòch vụ
UBR không được bảo đảm băng thông nào cả. Do đó khi xảy ra
tắc nghễn, các cell của dòch vụ UBR có thể bò hủy bỏ hoàn toàn
trong hki các nguồn ABR chỉ cần giảm tốc độ truyền.
Việc quản lý lưu thông ABR cần phải có sự phối hợp giữa
các hệ thống nguồn (Source), chuyển mạch (Switch) và đích
(Destiation). Phương tiện trao đổi giữa nguồn và mạng là các
cell RM . Các cell này được nguồn tạo ra và theo đường truyền
dữ liệu đến từng chuyển mạch , các chuyển mạch lấy thông tin
từ các cell này, tính toán mức tải so sánh các thông tin trong cell
để quyết đònh cho nguồn tốc độ bằng thông điệp gữi vào trong
RM. Sau đó chuyển mạch tiếp tục gửi các đi. Khi cell đến đích,
đích chỉ có việc đơn giản là gửi cell về nguồn.
3.1.1.1 Cấu trúc cell RM:


Trường
Chiều
dài
ATM
header

5 byte
ID 1 byte
Dir 1 bit
BN 1 bit
NI 1 bit
CI 1 bit
R/A 1 bit
Chưachỉ
đònh
3 bit
ER 2 byte
CCR 2 byte
MCR 2 byte
QL 4 byte
Sn 4byte
Chưachỉ
đònh
30.75byte
CRC_10 10 bit
Chú thích các trường trong cell RM:
+ Trong header có trường chỉ đònh loại cell PTI, nếu PTI =
110 thì cell đó là cell RM.
+ ID là trường chỉ số protocol dài 1 byte và ID = 1 chỉ cell
này phục vụ cho ARB.
+ Dir (Direction) là trường chỉ hướng, dài 1 bit dùng để phân
biệt cell RM từ nguồn đi (Dir = 0) và cell RM về nguồn (Dir =
1).
+ BN (Backward Notification) được dùng trong kỹ thuật
BECN (Backward Explict Congestion Notification).
+ CI (Congestion Indication): chỉ thò tắc nghẽn, được sử

dụng trong kỹ thuật đánh dấu hay chỉ đònh tốc tốc độ rõ ràng.
+ NI (No Increase) được sử dụng trong kỹ thuật chỉ đònh
tốc độ rõ ràng.
+ Các trường R/A (Request/Acknowledge), QL (Queue
Length) và SN (Sequence Number) tương thích với khuyến nghò
I.371 của ITU-TAT và không được sử dụng trong ATMF (ATM
Forum).
+ ER (Explict Rate) chỉ đònh tốc độ tối đa mà mạng cho
phép nguồn gửi.
+ CCR (Current Cell Rate) : tốc độ hiện hành, được sữ
dụng để báo hiệu tốc độ hiện hành của mình cho mạng.
+ MCR (Minimum Cell Rate) là trường tốc độ tối thiểu
dài 2 byte, để chỉ thò tốc độ tối thiểu mà nguồn đòi hỏi.
+ CRC_10 là trường kiểm tra dùng CRC 10 bit.
3.1.1.2 Cell RM hợp lệ (In-rate) và cell RM phạm quy
(Out-of-rate):
Nếu tổng tốc độ cell dữ liệu và cell RM không vượt quá tốc
độ cho phép ACR thì những cell RM như vậy được gọi là cell
hợp lệ về tốc độ. Trong một số trường hợp đặc biệt chuyển
mạch, đích và cả nguồn có thể tạo ra các cell RM mà tổng tốc
độ của các cell dữ liệu và các cell RM vượt quá ARC thì gọi là
cell RM phạm quy. Các cell RM phạm quy không tính trong
ACR và được nguồn đặt trường CLP=1 , có nghóa là mạng chỉ
tải chúng trong trường hợp thừa băng thông và sẽ loại chúng khi
tắc nghẽn. Quy tắt này chỉ áp dụng cho cell RM, còn đối với các
cell dữ liệu ABR, nguồn không được phép đặt CLP=1, mà chỉ có
mạng là có quyền này.
3.1.1.3 Cell RM đi (Forward) và cell RM về (Backward):
Cell RM đi từ nguồn đến đích được gọi là cell RM đi (FRM)
các cell này có trường Dir=0. Đích nhậm cell RM và gửi lại các

cell RM cho nguồn trên cùng một kênh ảo (VC), những cell này
gọi là cell RM về (BRM) và có trường Dir=1. Trong lưu thông
hai chiều giữa hai nguồn, có cả hai loại cell FRM và BRM trên
cùng kênh ảo theo cả hai hướng.
3.1.2 Các yêu cầu của việc thiết kế giải thuật:
3.1.2.1 Khả năng mở rộng:
Những mạng được phận loại dựa vào sự mở rộng, số lượng
nút mạng, tốc độ hoặc số người sữ dụng. Do những mạng ATM
bao quát trên một phạm vi rộng trên nhiều vùng nên giải thuật
phải không bò giới hạn bởi tốc độ, khoảng cách, số chuyển mạch
hay số kênh ảo. Các thông số đặc trưng liên quan đến khả năng
mở rộng bao gồm số lượng bộ đệm, kỹ thuật sắp xếp hàng đợi ,
số thao tác vận hành thuật toán chuyển mạch đươc yêu cầu trên
mỗi kênh điều khiển điều khiển và thời gian hội tụ của các
thuật toán chuyển mạch. Giải thuật phải được thiết kế để có thể
sử dụng trong cả mạng LAN hay WAN.
3.1.2.2 Sự tối ưu :
Trong môi trường dùng chung, hiệu xuất của một nguồn phụ
thuộc vào nhu cầu của các nguồn khác. Tiêu chuẩn được sữ
dụng thông dụng nhất để chia sẻ hợp lý băng thông cho một
nguồn trong môi trường mạng được gọi là “chỉ đònh Max-Min”.
Nó cung cấp băng thông lớn nhất có thể có cho nguồn nhận
được và cung cấp băng thông ít nhất cho tất cả các nguồn tham
gia.Nó được đònh nghóa một cách toán học như sau. Cho một tập
n nguồn đang kết nối, giả sữ nguồn thứ nhất đang sữ dụng lượng
băng thông x
I .
Vector chỉ đònh là (x
1,
x

2,…,
x
n
) là khả thi nếu tổng
băng thông của tất cả các tải nhỏ hơn hay bằng 100
 băng
thông. Tổng số các vertor khả thi là vô hạn.Trong một vector
nguôn được nhận băng thông ít nhất gọi là nguồn “bất hạnh
nhất” . Cho tập hợp các vector khả thi tìm chỉ đònh chỉ đònh
vector có băng thông lớn nhất cho nguồn bất hạnh nhất.Và số
các vector như thế cũng là vô hạn. Bây giờ ta loại nguồn bất
hạnh nhất ra khỏi vector và làm tương tự cho n-1 nguồn còn
lại(sau khi đã trừ đi băng thông của nguồn bất hạnh này). Ta
lặp lại thao tác trên n-1 lần cho đến khi mọi nguồn đều đạt được
băng thông lớn nhất .Ví dụ sau đây minh họa cho cấu hình cân
bằng Max-Min.
Trong hình vẽ thể hiện một mạng với bốn chuyển mạch được
kết nối bằng ba liên kết 150 Mbps .Có bốn kênh ảo VC được
thiết lập .Liên kết đầu tiên L1 bò chia sẽ bởi những nguồn S1,S2
và S3. Liên kết thứ 2 bò chia sẽ bởi hai nguồn S3 và S4. Liên
kết thứ ba được sử dụng chỉ bởi nguồn S4 bởi nguồn S4. Băng
thông liên được chia một cách cân bằng giữa nhữnh nguồn tham
gia kết nối. Liên kết L1 sử dụng băng thông 150 Mbit/s , chúng
ta chia đều cho ba nguồn tham gia S1, S2, S3 mỗi nguồn nhận
được 50 Mbps. Trong liên kết thứ 2, chúng ta chia chia cho 2
nguồn S4, S3 mỗi nguồn có 75 Mbps.Trong liên kết L3 chúng ta
cho tất cả 150 Mbps cho nguồn S4.Tuy nhiên,nguồn S3 không
thể sử dụng hết băng thông 75 Mbps của nó với liên kết L2 vì
S1
S2

S3
S4
D1
D2
D3
D4
SW1 SW2 SW3 SW4
L1
L2
L3
Hình minh họa cho cấu hình max-min
nó chỉ được cho phép sử dụng 50 Mpbs tại L1. Vì thế, chúng ta
cho nguồn S3 150 Mbps và tạo nên một cấu hình mới như hình
vẽ sau:


Lúc này nguồn S3 đã được bỏ đi và dung lương liên kết đã
giảm tương ứng. Bây giờ chúng ta cho một nửa liên kết của L1
cho mổi nguồn trong hai ngồn tham gia : S1 và S2 ,mỗi dung
lượng nhận 50 Mpbs .Nguồn S4 Nhận toàn bộ băng thông còn
lại 100 Mbps của liên kết L2. Vì vậy, vectơ cung cấp công bằng
cho cấu hình là (50,50,50,100). Đây chính là sư cân bằng Max-
Min.
Chú ý rằng cấu hình Max–Min đạt được cả sự công bằng và
hiệu quả. Công bằng vì mọi nguồn đều nhận được sự chia sẽ
đều nhau trong mọi liên kết mà nó có thể sữ dụng. Sự phân chia
công bằng Max- Min chỉ là một trong vài tiêu chuẩn tối ưu có
S1
S3
S4

D1
D2
D4
SW1 SW2 SW3 SW4
L1
L2
L3
Hình minh họa cho cấu hình max-min
thể. Nó không tính lượng tối thiểu mà nó phải đảm bảo MCR.
Những tiêu chuẩn khác như phân chia công bằng theo trọng số
đã được đề nghò để xác đònh sự cung cấp cho những nguồn tham
gia mà vẫn tính đến MCR.
3.1.2.3 Độ công bằng:
Đối với bất kỳ một tiêu chuẩn tối ưu nào chúng ta đều có thể
xác đònh được mức độ cung cấp tối ưu. Nếu một phương pháp
mà sự cung cấp băng thông của nó khác với sự tối ưu thì mức độ
không công bằng của nó được tính như sau:
Giả sữ một giải thuật xác đònh được vector (x
1
,x
2
,…,x
n
) trong
khi vector tối ưu là (y
1
,y
2
,…,y
n

), các y
I
này có thể xác đònh bằng
bất cứ một tiêu chuẩn nào như Max-Min, từ đó ta tính ra sự cung
cấp bình thường cho mỗi nguồn là z
I
= x
i
/y
I
và tính chỉ số công
bằng Fairness như sau:










i
i
2
2
i
i
xn
x

Fairness
Do các hàm x
I
thường thay đổi theo thời gian, chỉ số công
bằng có thể được vẽ như là một hàm của thời gian. Ví dụ:
50/50,30/10,50/10 -> 1,3,5.
Hệ số công bằng:
Fairness = (1+3+5)
2
/(3.(1
2
+3
2
+5
2
)) =
9
2
/3.(1+9+25) = 0.81
Độ trung bình:

 = (1+3+5)/3 = 3.
Độ biến động:


2
= 1/(n-1)(x
I
- )
2

= 4

  = 2 -> COV = / = 0.667
Tỷ số Max-Min = Min
x
i
 = 1/5 = 0.2
Khoảng cách bình thường so với khoảng cách tối ưu:
Norm Dist = (x
i
-y
i
)
2

2
/(y
i
)
2

1/2
= 0.86
3.1.2.4 Độ hiệu quả:
Độ hiệu quả của một giải thuật liên quan đến khả năng tận
dụng tận dụng tài nguyên mạng của nó. Một giải thuật vận hành
dưới tải hay quá tải đều không hiệu quả. Đối với một mạng có
liên kết tắc nghẽn cổ chai thì việc điều khiển tải hợp lý là rất
quan trọng. Vì vậy một giải thuật hiệu quả cố điều khiển những
liên kết tắc nghẽn cổ chai không quá tải cũng như không dưới

tải.
3.1.2.5 Độ trễ:
Nếu hai giải thuật có hiệu quả và độ công bằng như nhau thì
giải thuật nào có độ trễ từ đầu đến cuối bé hơn thì giải thuật đó
được xem là tốt hơn. Thực ra, thường phải có sự đánh đổi giữa
độ trễ và độ hiệu quả vì nếu muốn đạt được độ hiệu quả cao thì
phải tận dụng kiên kết 100
 thì chiều dài hàng đợi sẽ trở lên rất
lớn và khi đó độ trễ sẽ tăng. Lưu thông dữ liệu nói chung không
quá nhạy cảm với trễ, nhưng khi độ trễ quá lớn thì cũng có hại
vì có thể xảy ra hiện tượng time-out (hiện tượng quá trễ đối vói
thòi gian cho phép) khi đó việc kiểm soát lỗi bằng phương pháp
truyền lại trở nên không hiệu quả.Khuyến nghò nên sữ dụng
90-95 liên kết.
3.1.2.6 Sự mạnh mẽ:
Ý nghóa của sự mạnh mẽ là giải thuật không quá nhạy cảm
với sự thay đổi của các thông số. Khi một vài thông số thay đổi
nhẹ hoặc mất thông tin điều khiển sẽ không làm cho mạng sụp
đổ nhưng mạng sẽ không hoạt động tốt. Giải thuật phải có khả
năng cách ly sự nhầm lẫn, điều khiển sai của người sữ dụng và
bảo vệ và bảo vệ những người sữ dụng khác khỏi chúng.
3.1.2.7 Độ hội tụ:
Một giải thuật tốt luôn cần sự hội tụ nhanh nghóa là mạng chỉ
cần một thời gian ngắn để đạt đến sự hiệu quả và công bằng.
Trạng thái cân bằng được đòng nghóa là vùng nhỏ xung quanh
điểm vận hành sau cùng.