Điều khiển lưu lượng và tắc nghẽn trong mạng ATM, chương 14 ppt

Chương 14: Các vấn đề về giải thuật điều
khiển tắc nghẽn
Điều khiển nghẽn trong mạng ATM là một đề tài nóng
bỏng,có nhiều vấn đề đã được thống nhất, nhưng cũng có nhiều
vấn đề đang đươc tiếp tục thảo luận. Sau đây chúng ta sẽ xem
xét bốn vấn đề chính được quan tâm nhiều nhất.
3.1.3.1 Vòng hở hay vòng kín:
Sơ đồ điều khiển vòng hở không cần cơ chế hồi tiếp end-to-
end. Một ví dụ của loại này là điều khiển ưu tiên và điều khiển
luồng hop-by-hop. Trong sơ đồ điều khiển vòng kín, nguồn điều
chỉnh tốc độ cell theo thông tin hồi tiếp nhận được từ mạng. Đã
có cuộc tranh luận cho rằng sơ đồ điều khiển nghẽn vòng kín là
quá chậm trong các mạng lớn tốc độ cao hiện nay, tại thời điểm
nguồn nhận được tín hiệu hồi tiếp và thực thi công việc thì hàng
ngàn cell có thể bò mất . Tuy nhiên, nếu xảy ra nghẽn và mạng
bò quá tải trong thời gian dài thì chỉ có tác động tốc độ từ nguồn
mới có thể xử lý được tình trạng này. Hơn nữa, dòch vụ ABR
được thiết kế để sử dụng băng thông động vì vậy nguồn phải
biết tình trạng của mạng để có thể truyền tốc độ thich hợp.
ATM Forum đã quyết đònh rằng việc hồi tiếp là rất cần thiết cho
điều khiển luồng ABR.
3.1.3.2 Dựa trên tốc độ hay dựa trên credit:
Sơ đồ điều khiển dựa trên credit bao gồm điều khiển luồng
cửa sổ của mỗi liên kết và mỗi liên kết ảo. Phía nhận sẽ dám
sát chiều dài hàng đợi của mỗi VC và xác đònh số cell tối đa mà
bên phát có thể truyền. Giải thuật đầu tiên được đưa ra là FCVC
(Flow Controlled Virtual Circuit) cơ bản dựa trên nguyên lý này.
Đối với sơ đồ điều khiển dự trên tốc độ, nguồn sẽ thay đổi tốc
độ phát cell tùy theo trạng thái của mạng. Khi xảy ra nghẽn,
nguồn được yêu cầu giảm tốc độ phát. Ngược lại, nếu mọi việc
”suôn sẻ” nó được phép tăng tốc độ.

Trong phương pháp dựa trên credit, khi đặt các thông số phải
biết về độ trễ vòng mạng(ít nhất phải biết về chiều dài liên kết
và tốc độ liên kết), với phương pháp dựa trên tốc độ thì điều này
không cần thiết. Ở điều kiện lý tưởng, phương pháp dựa trên
credit có thể bảo đảm sự thất thoát cell bằng không. Tuy nhiên,
trong thực tế luôn tồn tại sự mất cell do lỗi nào đó, do vậy mà
người dùng vẫn phải quan tâm đến sự thất thoát cell ngay cả
trong trường hợp thất thoát cell bằng không. Phương pháp dựa
trên credit yêu cầu các chuyển mạch duy trì các hàng đợi riêng
biệt cho mỗi kênh ảo VC(hay đường ảo VP), bất chấp VC có
được kích hoạt hay không. Sắp xếp hàng đợi trên mỗi VC có độ
phức tạp tỉ lệ với số VC. Đối với một số chuyển mạch lớn, số
lượng VC có thể lên tới hàng triệu. Đây cũng chính là lý do chủ
yếu khiến phương pháp dựa trên credit không được chấp nhận.
Sau một thời gian dài tranh luận, tháng 9/1994 đa số các thành
viên trong ATM Forum đã nhất trí sử dụng phương pháp dựa
trên tốc độ với các lý do trên.
3.1.3.3 Hồi tiếp nhò phân hay hồi tiếp tường minh:
Như vậy, chúng ta đã thống nhất được hai yếu tố “hồi tiếp”
vá “tốc độ”. Tuy nhiên các phương pháp điều khiển hồi tiếp dựa
trên tốc độ lại có hai cách là “hồi tiếp nhò phân” và “ hồi tiếp
tường minh”.
Giải thuật hồi tiếp nhò phân sữ dụng hồi tiếp đơn bit. Giải
thuật này đầu tiên sử dụng “hồi tiếp âm” do cell RM được gửi đi
chỉ để giảm tốc độ nguồn mà không tăng; ngược lại “hồi tiếp
dương” yêu cầu gửi cell RM để tăng tốc. Khi cell RM được gửi
đi để tăng hoặc giảm tốc độ gọi là hồi tiếp lưỡng cực. Mặc dù
phương pháp này có ưu điểm là thực thi và tính toán đơn giản,
đặc biệt hữu ích trong mạng LAN nhưng nó cũng bộc lộ nhiều
hạn chế. Khi các cell RM bò mất vì tắc nghẽn nặng trên đường

về thì nguồn vẫn tiếp tục tăng tốc độ phát của mình và cuối
cùng dẫn đến quá tải. Ngoài ra, giải thuật này có thời gian hội
tụ lâu và không thích hợp với các mạng lớn.
Trong phương pháp chỉ đònh tốc độ tường minh(explicit rate),
cell RM mang trò số tốc độ rõ ràng ER cùng vài thông số khác
để nguồn tính tốc độ phát cho mình. Phương pháp này có thời
gian hội tụ nhanh, hệ thống nhanh chóng đạt đến điểm vận hành
tối ưu. Ngoài ra, giải thuật có khả năng chòu đựng được lỗi trong
đo lường hoặc mất cell RM. Cell RM kế tiếp mang hồi tiếp
chính xác sẽ đưa hệ thống trở về điểm vận hành đúng chỉ trong
một bước.
3.1.3.4 Phát hiện nghẽn: chiều dài hàng đợi hay tốc độ
tăng hàng đợi:
Thực ra, vấn đề này không tốn thời gian tranh luận. Trong
một số giải thuật điều khiển nghẽn ban đầu, khích thước chiều
dài hàng đợi lớn thường được dùng làm dấu hiệu của nghẽn.
Tuy nhiên, có một số vấn đề trong nguyên lý này. Thứ nhất , đó
là việc xác đòng không chính xác; ví dụ một chuyển mạch có
10K cell đang đợi trong hàng đợi, một chuyển mạch khác chỉ có
10 cell trong hàng đợi. Ta không thể nói rằng chuyển mạch thứ
nhất bò nghẽn hơn chuyển mạch thứ hai nếu như tốc độ rút hàng
đợi thứ nhất là 10K cell trong một giây trong khi hàng đợi trong
chuyển mạch hai đang đầy lên nhanh chóng. Thứ hai, sữ dụng
chiều dài hàng đợi để phát hiện nghẽn không đạt được sự công
bằng. Nguồn khởi động sau sẽ có thời gian hội tụ nhỏ hơn nguồn
khởi động trước.
Tốc độ gia tăng hàng đợi thích hợp hơn trong vai trò một
thông số giám sát trạng thái nghẽn vì nó chỉ rõ trạng thái hoạt
động của mạng. Việc sữ dụng tốc độ gia tăng hàng đợi trong các
giải thuật dựa trên tốc độ là rất tự nhiên và chính xác với các

thông số điều khiển và thông số vào có cùng đơn vò.
3.1.4 Giới thiệu một số giải thuật điều khiển tắc nghẽn:
3.1.4.1 Giải thuật DECbit:
Phương pháp đầu tiên dựa trên tốc độ được đề nghò là giải
thuật DECbit ä được đưa ra vào năm 1986; phương pháp này bao
gồm điều khiển đầu cuối đến đầu cuối sữ dụng hồi tiếp đơn
bit(hồi tiếp nhò phân). Trong phương pháp này, các chuyển
mạch giám sát chiều dài hàng đợi của mình. Khi xảy ra tắc
nghẽn, các chuyển mạch sẽ đặt bit EFCI trong phần header của
các cell dữ liệu. Đích sẽ giám sát đònh kỳ theo thời gian các bit
EFCI này(trong các cell dữ liệu mà chúng nhận được) và gửi về
nguồn một cell RM . Nguồn sữ dụng thuật toán tăng theo cấp số
cộng và giảm theo cấp số nhân để hiệu chỉnh tốc độ phát của
nó.
Thuật toán này sữ dụng hồi tiếp âm, nghóa là các cell chỉ
được dùng để yêu cầu nguồn giảm tốc độ chứ không tăng
lên.Trong khi đó hồi tiếp dương yêu cầu giảm tốc độ nguồn
phát và hồi tiếp lưỡng cực sữ dụng các cell RM để yêu cầu tăng
và giảm tốc độ phát.Hồi tiếp âm gặp phải vấn đề là khi cell RM
bò mất do một lý do nào đó (như tắc nghẽn)trong khi đó nguồn
cứ tiếp tục tăng tốc độ phát tải của mình. Trường hợp này làm
cho tình trạng nghẽn mạch càng trầm trọng hơn. Vấn đề này
được khắc phục trong giải thuật PRCA.
3.1.4.2 Giải thuật PRCA (Proportional Ray Control
Algorithm):
Trng giải thuật này, nguồn xem như mạng lúc nào cũng tắc
nghẽn do đó nguồn đặt bit EFCI lên 1, ngoại trừ cell thứ n.
Chuyển mạch có nhiệm vụ đặt đặt bit EFCI lên 1 khi có tắc
nghẽn mà không được sửa các bit EFCI từ 1 thành 0. Đích sẽ gửi
một cell RM “tăng” về cho nguồn khi nhận được cell dữ liệu có

bit EFCI = 0. Nguồn duy trì việc tăng giảm tốc độ của mình đến
khi nào nhận được hồi tiếp dương. PRCA hồi tiếp dương gặp
phải vấn đề về sự công bằng. Khi các chuyển mạch có cùng
mức độ tắc nghẽn thì kênh ảo VC nào phải đi qua nhiều nút hơn
thì ít có cơ hội tăng tốc hơn.


Hình mô tả sự phát triển của các giải thuật
DEC Bit
PRCA
MIT
EPRCA
OSU
EPRCA+
APRC
EPRCA++
ERICA
ERICA
3.1.4.3 Giải thuật MIT(Massachusetts Institute of
Technology):
Khi nhu cầu về mạng của người user ngày càng tăng cao thì
các giải thuật dùng hồi tiếp nhò phân quá chậm để dùng cho
việc điều khiển dựa vào tốc độ trong những mạng tốc độ cao
như ATM. Hồi tiếp nhò phân đơn bit(DECbit) đã bộc lộ nhiều
nhược điểm. Thứ nhất nó được thiết kế cho các mạng không liên
kết trong đó các nút trung gian không có thông tin về luồng hay
nhu cầu, trong khi đó ATM có tính đònh hướng có kết nối, các
chuyển mạch biết chính xác ai đang sữ dụng các nguồn tài
nguyên vàluồng đường dẫn là tónh. Điều này làm tăng thông tin
không sữ dụng bởi phương pháp hồi tiếp nhò phân. Thứ hai, các

phương pháp hồi tiếp nhò phân được thiết kế cho việc điều khiển
cửa sổ và do đó sẽ quá chậm cho phương pháp dựa vào tốc độ.
Trong phương pháp dựa vào cửa sổ thì một sự khác biệt nhỏ
giữa cửa sổ hiện hành và cửa sổ tối ưu sẽ làm tăng nhẹ độ dài
hàng đợi; còn đối với phương pháp dựa vào tốc độ thì với sự
khác biệt nhỏ về tốc độ hiện hành và tốc độ tối ưu sẽ làm tăng
độ dài hàng đợi liên tục và thời gian phản ứng là rất nhanh. Hơn
nữa chúng ta không thể cung cấp nhiều chu kỳ vòng tròn trong
phương pháp hồi tiếp nhò phân để đạt được hoạt động tối ưu .
Khi đó phương pháp hồi tiếp tốc độ rõ ràng (Explicit Rate
Feedback) được đề nghò. Phương pháp này có rất nhiều ưu điểm
như :
+ Việc giám sát rất dễ dàng. Những chuyển mạch vào có
thể điều khiển quay lại những cell RM và sữ dụng tốc độ trực
tiếp trong việc giám sát giải thuật.
+ Đối với những thời gian kết hợp nhanh hệ thống đạt đến
điểm hoạt động tối ưu nhanh hơn.
+ Phương pháp này rất có thế mạnh trong việc chống lại
những lỗi hoặc mất cell RM. Những cell RM đúng kế tiếp sẽ
mang đến mạng điểm hoạt động đúng.
Một ví dụ về phương pháp hồi tiếp tốc độ rõ ràng là giải
thuật MIT được đưa ra vào tháng 7/1994. Giải thuật này yêu cầu
mỗi nguồn gửi một cell RM cho mỗi n cell dữ liệu. Cell RM
chứa tốc độ cell hiện hành của những VC và tốc độ mong muốn.
Bất cứ VC nào có tốc độ mong muốn nhỏ hơn hệ số tốc độ công
bằng đều được cấp cho giá trò mong muốn đó. Nếu tốc độ mong
muốn của VC lớn hơn hệ số tốc độ công bằng thì tốc độ này sẽ
được giảm xuống bằng hệ số tốc độ công bằng và một bit “yêu
cầu giảm tốc” được đặt lên trong cell RM. Đích gửi cell RM về
nguồn, khi nhận được nguồn sẽ hiệu chỉnh tốc độ theo tốc độ

được chỉ đònh trong cell RM. Nếu bit “yêu cầu giảm tốc” bò xóa,
nguồn sẽ yêu cầu tốc độ cao hơn trong cell RM sắp tới gần nhất.
Ngược lại, nguồn sử dụng tốc độ hiện hành như là tốc độ mong
muốn trong cell RM kế. Chuyển mạch duy trì danh sách tất cả
VC của nó và tốc độ mong muốn cuối cùng. Các VC có tốc độ
mong muốn lớn hơn hệ số tốc độ công bằng của chuyển mạch
được xem là VC quá tải. Tương tự, các VC có tốc độ mong
muốn nhỏ hơn hệ số tốc độ công bằng được xem là VC dưới tải.
Các VC dưới tải bò tắc nghẽn cổ chai tại một vài chuyển mạch
không thể sử dụng thêm dung lượng cho dù có sẵn. Dung lượng
chưa được các VC dưới tải sử dụng sẽ được phân chia một cách
công bằng cho các VC này. Vì vậy hệ số tốc độ công bằng của
VC được tính toán như sau :

   
VCsing underloadofnumberVCsofnumber
VCs)ing underloadof(bandwidth-dthlinkbandwi
fairshare



Có thể sau khi tính toán, một vài VC trước đó dưới tải đối với
hệ số công bằng cũ trở nên quá tải đối với hệ số công bằng mới.
Trong trường hợp như vậy, các VC này được đánh dấu quá tải
và hệ số công bằng sẽ được tính toán lại.
Charny đã chứng minh rằng giải thuật MIT đạt được Max-
Min sau 4k vòng mạng, trong đó k là số cổ chai.
Giải thuật này đã đạt được độ công bằng Max-Min và có thời
gian hội tụ nhanh, Tuy nhiên, nó vẫn sử dụng cơ chế hồi tiếp
đơn cực nên không có cơ chế để phát hiện trạng thái các nguồn

các nguồn không sữ dụng tốc độ phân cấp của chúng hoặc tạm
thời rỗi và không có cơ chế rút hàng đợi trong thời gian quá độ
hoặc lỗi trong hồi tiếp.
3.1.4.4 Giải thuật EPRCA (Enhanced PCRA) và APRC:
Sự kết hợp của giải thuật PRCA với giải thuật tốc độ tường
minh đã dẫn đến giải thuật “PRCA nâng cao” vào cuối tháng
7/1994 tại hội thảo ATM Forum.
Trong giải thuật EPRCA, nguồn gửi cell dữ liệu với bit
EFCI=0. Cứ sau mỗi n cell lại có một cell RM. Cell RM chứa
tốc độ đề nghò rõ ràng ER, tốc độ hiện hành(CCR) và bit chỉ
đònh tắc nghẽn CI. Nguồn khởi động trường ER đến giá trò đỉnh
PCR và đánh dấu bit CI trong cell RM.
Ngoài việc thiết lập tốc độ rõ ràng, chuyển mạch cũng có thể
đặt bit CI trong cell RM quay về nếu chiều dài hàng đợi vượt
quá giá trò ngưỡng. Nhiều phiên bản của giải thuật EPRCA
không đặt bit EFCI mà chỉ thiết lập các trường CI và ER.
Giải thuật sữ dụng hai giá trò ngưỡng là QT(Queue
Threshold) và DQT(Drain QT) cho chiều dài hàng đợi để phát
hiện tắc nghẽn. Khi chiều dài hàng đợi thấp hơn QT, tất cả các
kết nối được phép tăng tốc độ. Khi chiều dài hàng đợi vượt quá
QT, chuyển mạch được xem là tắc nghẽn và ”đánh dấu thông
minh”, nghóa là chuyển mạch yêu cầu có lựa chọn một số nguồn
để tăng tốc độ và một số nguồn để giảm tốc độ. Để làm được
điều này chuyển mạch phải duy trì giá trò ACR trung
bình(MACR_Mean ACR) và giảm có lựa chọn tốc độ các kết
nối có ACR lớn hơn MACR. Chuyển mạch có thể giảm tốc độ
bằng cách đặt bit CI và/hoặc trường ER của cell RM khi
CCR(Current Cell Rate) vượt qúa MACRùxDPF, với DPF_Down
Pressure Factor là hệ số giảm áp có giá trò tiêu biểu là 7/8. Bit
CI được đặt lên để bắt buộc nguồn giảm tốc độ.

Nếu port duy trì tắc nghẽn và chiều dài hàng đợi vượt quá giá
trò ngưỡng DQT, chuyển mạch được xem là tắc nghẽn nặng và
tất cả kết nối phải giảm tốc độ.
Để tránh việc tính toán tốc độ báo trước , hệ số tốc độ công
bằng được xấp xỉ bởi hệ số MACR bằng cách sử dụng trung bình
trọng số mũ chạy, được tính toán mỗi khi chuyển mạch nhận
được cell RM như sau:
MACR = MACR.(1-AV) + CCR.AV
Trong đó AV là hệ số trung bình với giá tri tiêu biểu là 1/16.
Như vậy, giải thuật EPRCA cho phép cả hai loại chuyển
mạch hồi tiếp nhò phân và hồi tiếp tường minh trên một đường
truyền. Nó sử dụng ACR trung bình như mức ngưỡng và phân
cấp tốc độ này cho tất cả VC. Kỹ thuật này hội tụ đến tốc độ
công bằng khi giá trò ACR trung bình là một ước lượng tốt cho
hệ số phân chia công bằng.Tuy nhiên, nếu giá trò ACR trung
bình không phải là ước đoán tốt của hệ số phân chia công bằng
thì giải thuật có thể mất công bằng đáng kể. Ngoài ra, giải thuật
sử dụng các ngưỡng chiều dài hàng đợi để phát hiện tắc nghẽn.
Như chúng ta đã biết chiều dài hàng đợi để phát hiện tắc nghẽn
.Như tại chuyển mạch ,vì vật nó không phải là thông số đáng tin
cậy cho giải thuật điều khiển tắc nghẽn dựa trên tốc độ.
Các nhà nghiên cứu của trường đại học California đã đề nghò
một giải pháp cho các vấn đề của EPRCA qua giải thuật gọi là
“điều khiển tốc độ tỉ lệ thích ứng” (Adaptive Proportional Rate
Control). Họ đề nghò rằng tốc độ tăng hàng đợi có thể sử dụng
để chỉ đònh tải thay cho chiều hàng đợi. Chiều dài hàng đợi tăng
chỉ trạng thái quá tải.
Tuy nhiên phương pháp này vẩn có khuyết điểm là thông số
không cung cấp thông tin khi chiều dài hàng đợi bằng
không(dưới mức tận dụng). Về cơ bản, vấn đề là thông tin chiều

dài hàng đợi cần được kết hợp với dung lượng và độ tận dụng
ABR để thấy được đầy đủ trạng thái tắc nghẽn tại chuyển mạch.
3.1.4.5 CACP (Congestion Avoidance Using Proportional
Control):
Phương pháp này do Andy Barnhart đề nghi. Trong phương
pháp này, chuyển mạch sẽ đo tốc độ ngõ vào và hệ số tải z và
dùng nó để cập nhật thông số hệ số công bằng.
+ Trong thời kỳ dưới tải z <1, hệ số công bằng Fairshare được
tính:
Fairshare = Fairshare.Min(ERU, 1- (z-
1).Rup)
Trong đó Rup là thông số độ dốc có giá trò trong khoảng
0.025 đến 0.1 và ERU là sự tăng tối đa cho phép và giá trò được
thiết lập là 1.5.
+ Trong thời kỳ quátải z >1, hệ số công bằng được tính:
Fairshare = Fairshare.Max(ERF, 1-(z-
1).Rdn)
Trong đó Rdn là thông số độ dốc có giá trò trong khoảng 0.2
đến 0.8 và ERF là độ giảm cực tiểu yêu cầu và giá trò được thiết
lập là 0.5.
Hệ số công bằng là tốc độ tối đa mà chuyển mạch cung cấp
cho mỗi VC. Phương pháp này sữ dụng ngưỡng hàng đợi. Bất cứ
khi nào có độ dài hàng đợi vượt quá ngưỡng một bit chỉ thò
nghẽn CI(Congestion Indication) được đặt trong tất cả các cell
RM. Điều này ngăn ngừa tất cả các nguồn khỏi việc tăng tốc độ
của nó và cho phép hàng đợi giải thoát. Đặc điểm phân biệt của
CACP là trạng thái ổn đònh dao động tự do. Tần số của dao động
là hàm số của 1-z, với z là hệ số tải. Trong trạng thái ổn đònh z
=1 và tần số bằng 0.