Slide tiểu luận RED và FIFO Viễn thông

ĐỀ TÀI

CÁC CƠ CHẾ HÀNG ĐỢI RED VÀ FIFO
GIẢNG VIÊN: NGUYỄN THỊ THU HẰNG
Nhóm 10:

Lê văn sơn
Trần mạnh dũng
Đỗ thị nhàn
Đinh văn duy
Nguyễn thị huyền


MỤC LỤC

GIỚI THIỆU CHUNG

1

KỸ THUẬT HÀNG ĐỢI FIFO

2

PHƯƠNG PHÁP QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI – THUẬT TOÁN
RED

KẾT LUẬN

3

4

TÌM HIỂU CÁC CƠ CHẾ HÀNG ĐỢI: RED, FIFO
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Giới thiệu hàng đợi:
1.1.1 Khái niệm:

Hàng đợi là một danh sách nhưng các phép toán chỉ được thực hiện ở hai đỉnh của danh sách. Một đỉnh gọi là đầu hàng, đỉnh còn lại gọi là
cuối hàng.

Ví dụ: • Xếp hàng mua vé tàu xe, giao dịch với ngân hàng.

Lý thuyết hàng đợi nảy sinh một cách tự nhiên trong việc nghiên cứu các chuyển mạch kênh, và chuyển mạch gói.


TÌM HIỂU CÁC CƠ CHẾ HÀNG ĐỢI: RED, FIFO
Chuyển mạch kênh

Chuyển mạch gói

Cuộc gọi đến chuyển mạch ngẫu nhiên, mỗi cuộc gọi sẽ giữ kênh trong

Các gói tin với các chiều dài khác nhau đi qua mạng, tài nguyên mạng

một khoảng thời gian ngẫu nhiên nào đó.

(các chuyển mạch,kết nối sẽ được chia sẻ cho các gói).
Các bản tin được định tuyến đến các node tiếp theo.

Thời gian sử dụng bộ đệm (trễ hàng đợi) là một vấn đề quan trọng trong truyền dẫn thông tin. Thời gian này phụ thuộc vào các thời gian xử
lý, độ dài bản tin hay thời gian chờ xử lý khi chưa có tài nguyên sử dụng.

Trong các ứng dụng tương tác và thời gian thực thì thời gian trả lời trung bình được xem như một tiêu chuẩn quan trọng còn trong các ứng
dụng khác thì thông lượng lại là điều quan trọng nhất.


TÌM HIỂU CÁC CƠ CHẾ HÀNG ĐỢI: RED, FIFO
Việc mô tả hàng đợi theo lý thuyết toán học rất phức tạp nên ta chỉ mô tả chúng theo mô hình đơn giản được sử dụng trong các mạng IP:

Tin tức (có thể là gói tin hay bản tin) đến hệ thống để yêu cầu phục vụ. Nếu server rỗi thì gói tin sẽ được phục vụ ngay lập tức, ngược lại chúng
sẽ được lưu giữ trong các hàng đợi. Khi rời khỏi hàng đợi các gói sẽ được xử lý.


Đề tài : Tìm hiểu các cơ chế hàng đợi : RED, FIFO trong mạng truyền thông
Số liên quan tới hàng đợi:
Ký Hiệu
1.1.2.Các thamTham
số cơ bản
Bảng 1.1 : Bảng các tham số cơ bản của hàng đợi

Chú Thích

Tốc độ đến TB

λ

Thời gian gói tin đến hệ thống hàng đợi với vận tốc λ trên một đơn vị thời gian(s)

Tốc độ rời khỏi TB

μ

Các gói tin rời khỏi hệ thống với tốc độ μ trên một đơn vị thời gian

Hiệu suất sử dụng dịch vụ

p

Là khoảng thời gian server bận do phải xử lý lý, đo bằng P= λ /μ

Độ dài TB

Lw

Là số gói nằm trong hàng đợi trung bình tại tất cả các thời điểm t

Thời gian đợi TB

Tw

Có hai định nghĩa:
Thứ nhất: được tính bằng tất cả thời gian gói
tin đến xử lý (bao gồm cả các gói không phải
chờ trong hàng đợi)
Thứ hai: chỉ tính TB thời gian các gói tin phải chờ trong hàng đợi

Thời gian phục vụ TB

Ts

Thời gian TB giữa thời điểm gửi gói tới server và thời điểm rời khỏi server

Độ dài hàng đợi TB

Lq

Số gói trung bình trong hệ thống, bao gồm các gói đang được sử dụng và các gói đang chờ trong hàng đợi.

Thời gian xếp hàng TB

Tq

Thời gian các gói ở trong hệ thống.


Đề tài : Tìm hiểu các cơ chế hàng đợi : RED, FIFO trong mạng truyền thông
- Điều khiển tắc nghẽn là vấn đề quan trọng cần giải quyết trong việc truyền tin trong mạng. Nó sử dụng hai cơ chế độc lập:

+ Cơ chế điều khiển vòng kín (Closed Loop control): điều khiển việc truyền các gói từ các nguồn đầu cuối tới đích.

+ Các thuật toán lập lịch vòng hở (opened loop control): ràng buộc độ ưu tiên được cấu hình từ trước và phân phối băng thông cho các kết nối.

Hệ thống điều khiển vòng kín bao gồm các thuật toán nguồn được điều khiển bởi các thuật toán kết nối. Các thuật toán điều khiển kết nối hay
còn gọi là các thuật toán quản lý hàng đợi (hoặc quản lý hàng đợi tích cực AQM). Các thuật toán AQM bao gồm thuật toán loại bỏ đuôi, thuật
toán phát hiện sớm ngẫu nhiên (RED). Thuật toán AQM thực hiện việc báo hiệu tới nguồn bằng việc đánh dấu các gói, thông báo tắc nghẽn tường
minh (ECN) hay loại bỏ các gói.


TÌM HIỂU CÁC CƠ CHẾ HÀNG ĐỢI: RED, FIFO

- Quá trình lập lịch của gói điều khiển trật tự truyền dẫn giống như phân bố băng thông tương ứng cho mỗi lớp dịch vụ. Lập lịch bao gồm các

thuật toán liên quan tới hàng đợi: hàng đợi FIFO, hàng đợi cân bằng có trọng số WFQ, và các thuật toán lập lịch như: thuật toán RR...

Hình 1.2 : Tiến trình xử lý hàng đợi trong router


TÌM HIỂU CÁC CƠ CHẾ HÀNG ĐỢI: RED, FIFO
CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT HÀNG ĐỢI FIFO
2.1. Cách thức hoạt động:
- FIFO (First In First Out) là hàng đợi mặc định được sử dụng trong hầu hết các router trên thế giới. Đây là kĩ thuật xếp hàng vào trước ra
trước cơ bản.

- FIFO hoạt động với cơ chế các gói đến từ các luồng khác nhau được đối xử công bằng bằng cách đưa vào các hàng đợi theo trật tự đến (gói
nào đến trước sẽ được đưa vào trước và được phục vụ trước).

Hình 2.1 : Hoạt động của hàng đợi FIFO


TÌM HIỂU CÁC CƠ CHẾ HÀNG ĐỢI: RED, FIFO
- Hàng đợi hoạt động như một nơi lưu giữ các gói để tránh việc loại bỏ các gói không cần thiết khi có dấu hiệu của tắc nghẽn.

- Khi có tắc nghẽn xảy ra và hàng đợi tràn thì tất cả các gói đến sẽ bị loại bỏ.

- Không có hiện tượng bỏ đói hàng đợi.

- Hàng đợi FIFO không có sự phân loại vì tất cả các gói được thuộc về cùng một lớp.

- Hàng đợi FIFO sử dụng một hàng đợi đơn cho bộ giao tiếp. Vì chỉ có một hàng đợi nên không cần phân lớp để quyết định khi gói đi vào. Và
cũng không cần lập lịch ban đầu để cho hàng đợi lấy gói tiếp theo.

TÌM HIỂU CÁC CƠ CHẾ HÀNG ĐỢI: RED, FIFO
2.2 Lưu lượng,tốc độ và hình.
- Hàng đợi FIFO sử dụng cho mọi loại lưu lượng,cung cấp cách xếp hàng nhanh nhất và hiệu quả đối với các kết nối có độ tắc nghẽn nhỏ nhất.

- Tốc độ xử lý gói phải nhanh hơn tốc độ các gói đến hàng đợi IF0 thì mới tránh được hiện tượng tắc nghẽn trong mạng (hàng đợi IF1 rỗng)

- Chỉ quan tâm đến cách cấu hình chiều dài hàng đợi FIFO tránh tác động đến độ trễ và mất gói.

- Hàng đợi FIFO sử dụng kỹ thuật hủy gói cuối hàng đợi để quyết định khi nào bỏ gói hay cho gói vào hàng đợi.


TÌM HIỂU CÁC CƠ CHẾ HÀNG ĐỢI: RED, FIFO
2.3 Ưu, nhược điểm của FIFO:
ƯU ĐIỂM

-

Đây là kỹ thuật đơn giản và nhanh.

NHƯỢC ĐIỂM
- FIFO không hoàn toàn tin cậy khi một luồng không mong
muốn tranh giành với các luồng có độ ưu tiên thấp. Các luồng

-

Nó được hỗ trợ trên tất cả các nền tảng.

không mong muốn gửi một số lượng lớn các gói (đa số các gói đó

bị huỷ bỏ).

- Hàng đợi FIFO được hỗ trợ trong tất cả các phiên bản của
Cisco IOS.

- Sự bùng nổ cao hay thấp gây ra tình trạng đầy hàng đợi FIFO.
Các gói đi vào một hàng đợi đầy phải chờ một thời gian dài trước
khi chúng được truyền.


TÌM HIỂU CÁC CƠ CHẾ HÀNG ĐỢI: RED, FIFO
2.4 Tổng kết:

Hàng đợi FIFO dựa vào hệ thống đầu cuối để điều khiển tắc nghẽn thông qua cơ chế điều khiển tắc nghẽn.

Hàng đợi ưu tiên (PQ), hàng đợi cân bằng (FQ), hàng đợi có trọng số (WQ) là một trong các hàng đợi có thể
thay thế hàng đợi FIFO khi không điều khiển được tắc nghẽn.

FIFO vẫn là một hàng đợi được sử dụng khá phổ biến và được sử dụng mặc định trong tất cả các router trên
toàn thế giới.


TÌM HIỂU CÁC CƠ CHẾ HÀNG ĐỢI: RED, FIFO
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI

- THUẬT TOÁN RED

3.1 Mục đích, ý nghĩa:
3.1.1 Mục đích thiết kế thuật toán RED
Tránh tắc nghẽn

Tránh đồng bộ toàn cục

- RED có thể điều khiển được kích thước hàng đợi trung bình do đó điều khiển được trễ hàng đợi.
3.1.2 Ý nghĩa của thuật toán RED:
- Dùng để tính toán kích thước hàng đợi trung bình, được quyết định bởi mức độ của các bó được cho phép đi vào hàng đợi của router.

- Được sử dụng để tính toán xác suất đánh dấu gói và sau đó quyết định xem router đánh dấu các gói có thường xuyên không, để đưa ra các mức
tắc nghẽn rõ ràng. Mục đích đánh dấu các gói một cách đều đặn của các router là tránh đồng bộ trên toàn thể các luồng TCP, tránh lệch và điều
khiển kích thước hàng đợi trung bình.


TÌM HIỂU CÁC CƠ CHẾ HÀNG ĐỢI: RED, FIFO
3.2 Thuật toán RED
3.2.1 Nội dung thuật toán RED
- RED (Random Early Detection – Phát hiện sớm ngẫu nhiên) tính toán kích thước hàng đợi trung bình dựa trên bộ lọc thông thấp và trung bình
dịch chuyển có trọng số tăng theo hàm mũ. Kích thước hàng đợi trung bình được so sánh với hai giá trị ngưỡng: mức ngưỡng nhỏ nhất và mức
ngưỡng lớn nhất.

Hình 3.1: Mối quan hệ giữa xác suất loại bỏ gói và kích thước hàng đợi trung bình.


TÌM HIỂU CÁC CƠ CHẾ HÀNG ĐỢI: RED, FIFO
Mức ngưỡng
tối đa

Kích thước hàng đợi

≤

trung bình

<

Mức ngưỡng

nhỏ nhất

Tất cả các gói đến

Mỗi gói đến được đánh

Không có gói nào bị

đều bị đánh dấu.

dấu bằng một xác suất

đánh đấu.

Pa .

(Trong đó Pa là một hàm của kích thước hàng đợi trung bình)
- Tại mỗi thời điểm một gói bị đánh dấu, xác suất của gói bị đánh dấu phải tương xứng với băng thông được chia sẻ của các kết nối tại router.

- 3 trường hợp trên được xem như 3 pha của quá trình tắc nghẽn:
+ Pha thứ nhất : hoạt động bình thường
+ Pha thứ hai : tránh tắc nghẽn
+ Pha tắc nghẽn : điều khiển tắc nghẽn

TÌM HIỂU CÁC CƠ CHẾ HÀNG ĐỢI: RED, FIFO
Nhìn chung thuật toán RED được chia thành 2 phần riêng:
- Phần 1: Dùng để tính toán kích thước hàng đợi trung bình, được quyết định bởi mức độ của các bó được cho phép đi vào hàng đợi của router.
- Phần 2: Được sử dụng để tính toán xác suất đánh dấu gói và sau đó quyết định xem router đánh dấu các gói có thường xuyên không, để đưa ra
các mức tắc nghẽn rõ ràng.

Hình 3.2: Mô tả mối quan hệ giữa maxp và độ chiếm giữ hàng đợi


TÌM HIỂU CÁC CƠ CHẾ HÀNG ĐỢI: RED, FIFO
3.2.2.Thuật toán chung cho router RED
For mỗi gói đến
Tính toán kích thước hàng đợi trung bình của hàng đợi avg
If minth ≤ avg < maxth
Tính toán xác suất Pa với Pa là xác suất đánh dấu các gói đến;
Else if maxth ≤ avg
Đánh dấu các gói đến
Else
Chấp nhận các gói đến hàng đợi;
Khi kích thước hàng đợi nằm giữa mức ngưỡng min và max, thì mỗi gói đến sẽ được đánh dấu bằng xác suất P a , đây là một chắc năng của kích
thước hàng đợi trung bình.

Tại mỗi thời điểm có một gói bị đánh dấu và xác suất gói bị đánh dấu từ một kết nối điển hình tỉ lệ với băng thông chia sẻ kết nối tại mỗi router.


TÌM HIỂU CÁC CƠ CHẾ HÀNG ĐỢI: RED, FIFO
Thuật toán chi tiết của RED:
Count ← -1

tăng biến count

Avg ← 0

tính toán xác suất Pa ;

For mỗi gói đến

Pa ← maxp (avg - minth) / (maxth - minth)

Tính toán kích thước hàng đợi mới avg;
If hàng đợi không rỗng
avg ← avg + w * (q - avg)
Else

Pa ← Pb / (1 – count * Pb)

Với xác suất Pa ;

Đánh dấu các gói đến
count ← 0
else count ← -1

m = (time – q_time)/s
avg ← (1 - w)

m

avg

Khi hàng đợi bắt đầu đầy
q_time ← time

if minth ≤ avg ≤ maxth

- RED là thuật toán được đưa ra và được điều khiển bởi các Gateway RED trong router. Các gateway này được thực hiện việc loại bỏ tắc nghẽn
bằng việc sử dụng thuật toán RED để tính toán các giá trị hàng đợi trung bình.


TÌM HIỂU CÁC CƠ CHẾ HÀNG ĐỢI: RED, FIFO
- Cổng này có thể thông báo tới các kết nối bị tắc nghẽn, cũng như loại bỏ các gói đến cổng hoặc thiết lập các bit trong phần tiêu đề của các gói.

- Khi kích thước hàng đợi trung bình vượt qua mức ngưỡng cho phép thì Gateway sẽ loại bỏ hoặc đánh dấu các gói đến bằng một hàm xác suất
của kích thước hàng đợi trung bình. Các gateway RED giữ cho kích thước hàng đợi trung bình thấp trong khi vẫn cho phép các gói đến dưới dạng
bó đi vào hàng đợi.

- Trong suốt thời gian tắc nghẽn xác suất các gateway thông báo cho các kết nối giảm kích thước cửa sổ của nó phải cân xứng với băng thông của
các kết nối được chia sẻ qua gateway.

- Các gateway RED được thiết kế để hỗ trợ giao thức điều khiển tắc nghẽn lớp truyền tải như TCP.


TÌM HIỂU CÁC CƠ CHẾ HÀNG ĐỢI: RED, FIFO
3.3 Các tham số của RED:
3.3.1 Kích thước hàng đợi trung bình ( avg)
- RED sử dụng bộ lọc thông thấp để tính toán kích thước hàng đợi trung bình

→ các khoảng thời gian ngắn hạn sẽ tăng tới kích thước hàng

đợi.

- Router tính toán avg tại mỗi gói đến theo công thức:
avg ← (1 – wq).avg + wq.q
- Khi hàng đợi rỗng hay chu kỳ rỗi thì :
m
avg ← ( 1- w) .avg
m = ( time – q_time) / s

- Sau mỗi chu kỳ rỗi router tính toán kích thước hàng đợi trung bình như có m gói đã được truyền vào hàng đợi trong suốt chu kỳ đó.

Với : m là số lượng các gói có thể truyền trong suốt các chu kỳ rỗi.


TÌM HIỂU CÁC CƠ CHẾ HÀNG ĐỢI: RED, FIFO
3.3.2 Trọng số của hàng đợi ( wq)
wq quyết định thời gian của bộ lọc thông thấp và hằng số thời gian cho quá trình tính toán kích thước hàng đợi trung bình:

+ wq quá thấp : kích thước hàng đợi trung bình đáp ứng chậm so với tắc nghẽn trong suốt.

+ wq quá cao : kích thước hàng đợi trung bình gần với kích thước hàng đợi tức thời.

* Biên giới trên của wq
- Khi wq quá lớn thì các thủ tục sẽ không xác định được tắc nghẽn qua gateway. Giả sử ban đầu hàng đợi rỗng ( avg = 0) và có L gói đến hàng
đợi, sau khi có các gói, số gói trong hàng đợi sẽ tăng từ 0 đến L gói:
→ kích thước hàng đợi trung bình được xác định như sau:


TÌM HIỂU CÁC CƠ CHẾ HÀNG ĐỢI: RED, FIFO
L-i
L

i
avgL = wq(1 – wq)
= wq(1 – wq) (1 / [ 1 - wq ] )

 

i
L+1
2
với : x = [ x + (Lx – L – 1)x
] / (1 – x)

→ xác định được biên trên :
avgL = L+ 1 + [(1 – wq)

L+1

– 1] / wq

- Khi đưa ra giá trị minth : cho phép số lượng các bó của L gói đến gateway.

- Trọng số wq được lựa chọn để thỏa mãn :

avg < minth

⇔ avgL = L +1 + [(1 – wq)

L+1

– 1] / wq < minth

TÌM HIỂU CÁC CƠ CHẾ HÀNG ĐỢI: RED, FIFO
* Biên dưới của wq
- Các gateway RED được thiết kế sao cho thuật toán RED luôn giữ kết quả tính toán kích thước hàng đợi trung bình nằm dưới mức ngưỡng nào
đó. Nhưng khi wq được thiết lập quá chậm thì giá trị avg sẽ đáp ứng chậm với sự thay đổi kích thước hàng đợi trong thực tế → các gateway RED
không loại bỏ được các mức nghẽn ban đầu.
3.3.3 Các giá trị ngưỡng: minth, maxth
- Giá trị tối ưu của minth, maxth phụ thuộc vào kích thước hàng đợi trung bình mong muốn.

- Giá trị minth phụ thuộc chính xác vào việc cân bằng theo mong muốn giữa trễ trung bình thấp và sự tận dụng kết nối cao tại router.

- Giá trị maxth tối ưu phụ thuộc vào trễ trung bình lớn nhất được cho phép bởi gateway.


TÌM HIỂU CÁC CƠ CHẾ HÀNG ĐỢI: RED, FIFO
3.3.4 Xác suất loại bỏ gói

 Các biến ngẫu nhiên có hình thức
Pb : xác suất mất gói
Khi avg thay đổi từ minth đến maxth thì Pb thay đổi tuyến tính từ 0 đến maxp .

Pb = maxp . [(avg – minth) / (maxth – minth) ]

⇒ Prob [X=n] = (1-Pb)n-1 Pb
→ X là biến ngẫu nhiên có hình thức (RV) với tham số Pb và E[X] = 1/Pb
Yêu cầu : đánh dấu các gói tại các khoảng đều đặn.
Khi có quá nhiều gói được đánh dấu gần nhau hoặc khoảng cách các gói đánh dấu quá dài thì có thể gây ra hiện tượng đồng bộ toàn thể các luồng
TCP và các kết nối giảm kích thước cửa sổ tại cùng một thời điểm.