Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn

Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn

Chương 3

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN
3.1 Giới thiệu chương
Trong chương này, chúng ta sẽ hệ thống hóa lại một số phương pháp điều
khiển tắc nghẽn điển hình nhất, phân tích đánh giá chúng dựa trên cơ sở những tiêu
chí đã đề xuất trong chương 2. Đó là các phương pháp điều khiển tắc nghẽn truyền
thống như DECbit, và một vài phương pháp mới như EWA, ETCP, FBA- TCP, QSTCP để cải thiện hiệu suất hoạt động mạng. Trong đó đặc biệt đi sâu vào phương
pháp điều khiển tắc nghẽn sử dụng TCP phổ biến hiện nay (đặc biệt là trong mạng
Internet) và XCP là ứng cử viên cho mạng dựa trên cơ sở IP sau này.
3.2 Một số phương pháp điều khiển tắc nghẽn truyền thống
3.2.1 DECbit
DECbit là một trong các mơ hình điều khiển tắc nghẽn sớm nhất. Phương
pháp này sử dụng phản hồi ẩn. Trong DECbit, mạng cung cấp thơng tin phản hồi cho
phép phía gởi điều chỉnh lưu lượng vào mạng. Các bộ định tuyến giám sát kích thước
trung bình của hàng đợi trong khoảng thời gian được định nghĩa. Nếu độ dài trung
bình của bộ đệm vượt quá ngưỡng (threshold) thì bộ định tuyến thiết lập một bit chỉ
dẫn chống tắc nghẽn (gọi là DECbit) trong các gói tin để thơng báo sự tắc nghẽn của
mạng. Phía nhận gởi lại bit này trong thơng báo nhận được đến phía gởi. Phía gởi
giám sát các bit chỉ dẫn chống tắc nghẽn này để điều chỉnh kích thước của cửa sổ gởi
như sau: Nếu xảy ra tắc nghẽn thì giảm đi theo phép nhân (nhân với 0,875), trong
trường hợp ngược lại thì kích thước cửa sổ được tăng lên theo phép cộng.
DECbit là phương pháp khá đơn giản và hữu hiệu. Tuy nhiên, căn cứ vào các
tiêu chí nêu trên thì thuật tốn này khơng đạt được tính hiệu quả vì lưu lượng bị gạt
bỏ đáng kể (qua hệ số 0,875) dẫn đến thơng lượng rất thấp. Ngồi ra, các tiêu chí về
tính bình đẳng, độ hội tụ, độ mịn điều khiển cũng khơng đạt được. Thuật tốn không
phù hợp cho các ứng dụng mới trong NGN.

34

Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn
3.2.2 Điều khiển chống tắc nghẽn trong TCP
TCP (Transmission Control Protocol) [11] là giao thức phổ biến nhất hiện nay
cho truyền dữ liệu tin cậy trên Internet. Ngoài điều khiển chống tắc nghẽn ra, nó cịn
thực hiện chức năng khơi phục dữ liệu đã mất và quản lý kết nối. Điều khiển chống
tắc nghẽn trong TCP thuộc loại điều khiển vịng kín phản hồi ẩn, TCP dựa vào mất
gói để phát hiện tắc nghẽn. Nó có 2 cơ cấu để phát hiện ra mất gói. Đầu tiên, khi gói
được gởi, phía gởi TCP khởi tạo bộ định thời. Nếu bộ định thời hết hiệu lực trước khi
gói được xác nhận, TCP xem như gói bị mất. Thứ 2, khi phía nhận TCP nhận gói
khơng đúng trật tự. Nó gởi xác nhận ACK cho gói mà nó nhận gần nhất. Ví dụ, giả
sử phía nhận nhận gói từ 1 đến 5, và gói 6 bị mất. Khi phía nhận nhận gói 7, nó gởi
dupack cho gói 5. Phía gởi TCP xét các sự tới của 3 bản sao phúc đáp (3 dupack) như
dấu hiệu của 1 gói mất.
Kết nối TCP qua 2 pha: khởi đầu chậm và pha AIMD. Hình 3.1 cho ta thấy quỹ đạo
điển hình của cửa sổ chống tắc nghẽn.
 Khởi đầu chậm: TCP đi vào mơ hình khởi đầu chậm khi bắt đầu kết nối.
Trong suốt quá trình khởi đầu chậm, phía gởi tăng tốc độ gởi theo hàm mũ. Cụ thể,
khi bắt đầu khởi đầu chậm cửa sổ tắc nghẽn thiết lập là 1 đoạn, là MSS khởi tạo bởi
phía gởi trong suốt giai đoạn thiết lập kết nối. Do đó, phía gởi gởi 1 đoạn và đợi cho
tới khi phía nhận xác nhận nó. Một khi ACK đến phía gởi, phía gởi tăng cửa sổ
chống tắc nghẽn của nó bởi 1, gởi 2 đoạn, và đợi ACK tương ứng. Mỗi khi ack đến,
phía gởi có thể gởi 2 đoạn, 4 đoạn, ... gấp đôi lên dẫn đến tăng theo hàm mũ của cửa
sổ chống tắc nghẽn. TCP thoát khỏi khởi đầu chậm khi đoạn bị mất. Khi đó phía gởi
giảm cửa sổ tắc nghẽn đi 1 nửa và đi vào giai đoạn AIMD.

35

Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn

Hình 3.1 Cửa sổ tắc nghẽn
 AIMD: Trong mơ hình này, miễn là khơng có đoạn nào bị mất, phía gởi TCP
tăng cửa sổ tắc nghẽn của nó bởi 1 MSS mỗi RTT. Khi gói bị mất, TCP giảm cửa sổ
tắc nghẽn đi một nửa. Như kết quả, thông lượng biểu thị 1 dãy tăng cộng theo sau bởi
giảm nhân. Trạng thái này thường được xem như “TCP sawtooth” hình 3.1.
Điều khiển chống tắc nghẽn trong TCP có những nhược điểm cơ bản là:
•

Thơng tin phản hồi là ẩn và vì vậy cửa sổ gửi luôn giảm đi một nửa khi

xảy ra tắc nghẽn là khơng thực sự hiệu quả.
•

TCP khơng chia sẻ thơng tin điều khiển, vì vậy các kết nối cùng một

thời điểm đến cùng một đích (một trường hợp thường xảy ra với lưu lượng web) sẽ
phải cạnh tranh, thay vì phối hợp để sử dụng băng thơng mạng một cách hợp lý.
•

Đối với mạng đa dịch vụ, thuật tốn điều khiển chống tắc nghẽn của

TCP khơng đem lại tính bình đẳng cần thiết cho các ứng dụng.
•

Đối với mạng có lưu lượng biến đổi động, biến đổi nhanh, điều khiển

tắc nghẽn của TCP tỏ ra bất ổn định và không hội tụ [5]

36


Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn
3.3 Một số phương pháp điều khiển tắc nghẽn mới
3.3.1 EWA (Explicit Window Adaptation) và FEWA (Fuzzy EWA)
Phương pháp EWA [10] (Explicit Window Adaptation) dùng thơng báo một
cách rõ ràng đến phía gởi về băng thơng cịn khả dụng của các đường ra bằng cách sử
dụng cơ chế điều khiển lưu lượng giống như trong TCP để truyền thông tin phản hồi
từ các bộ định tuyến đến phía gởi.
Sau mỗi khoảng đo i với thời gian tồn tại không đổi phụ thuộc vào băng thơng
của tuyến mà router có khả năng EWA được nối, chẳng hạn, 10ms, router với khả
năng EWA đo độ dài hàng đợi hiện thời của nó Qi và tính tốn độ dài hàng trung bình
hiện thời

Q i . Qi , Q i

và độ dài hàng trung bình trước đó

Qi −
1

được dùng để tính

tốn cửa sổ gởi mới cho mỗi kết nối TCP đi qua router:
Cửa sổ gởi = max{ MSS , α . log 2 ( B − Qi ).MSS }

(3.1)

Trong đó, B là độ dài hàng lớn nhất trong router (tức là, tại cùng 1 thời điểm

nhiều nhất B+1 gói có thể lưu trữ và được chuyển đi trong router), MSS là kích cỡ
đoạn của tất cả các kết nối TCP đi qua router, và α là hệ số động được tính tốn như
trong phần sau. B và Qi được biểu diễn theo số gói và MSS được biểu diễn theo số
byte. Biểu thức thuật toán trong (3.1) được giới thiệu để phản ánh kết nối TCP với
khởi đầu chậm và có thể gởi nhiều hơn 2 lần số đoạn trong khoảng thời gian vòng
truyền kế tiếp (RTT- Round Trip Time).
Hệ số α có thể thay đổi trong đẳng thức (3.1) được giới thiệu để sử dụng tốt
đường truyền nếu chỉ 1 vài kết nối TCP được truyền đoạn qua router. α được cập
nhật mỗi milli giây như sau:

 α + ω up
α = f (α, Q ) = 
 α .ω down
i

Nếu ngưỡng dưới
Nếu ngưỡng trên

(3.2)

với
Qi =

127
1
Q i −1 +
Qi
128
128

37

(3.3)


Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn
Giá trị khởi tạo của hệ số sử dụng α được thiết lập là 1, tham số ω ( để
up
tăng cộng) và ω (để giảm bằng cách nhân với α ) được thiết lập lần lượt là 1/8 và
down
31/32, độ dài hàng đợi ngưỡng dưới và ngưỡng trên trung bình được thiết lập đến
20% và 60% của độ dài hàng B.
Cửa sổ gởi đã tính tốn được truyền đến mỗi TCP phía gởi bằng cách hiệu
chỉnh cửa sổ thơng báo phía nhận trong xác nhận TCP. Router (có khả năng TCP) chỉ
giảm cửa sổ khi cần thiết, nhưng không tăng để duy trì điều khiển luồng điểm nối
điểm của TCP.
Cửa sổ gởi = min{cửa sổ gởi, cửa sổ thơng báo phía nhận}

(3.4)

Với thơng tin phản hồi tắc nghẽn rõ, TCP phía gởi có thể phản ứng lại thích
hợp với tải hiện thời trong router hơn nó có thể với cơ cấu khác, chẳng hạn, ECN
(Explicit Congestion Notigication) [9] hay RED (Random Early Detection) [4].
EWA cho thấy các kết quả hoạt động tốt trong các bộ định tuyến có tải lớn,
nhưng có một số vấn đề trong các bộ định tuyến hoạt động ở dưới mức tải trong hầu
hết thời gian. Lý do nằm ở việc tính tốn α, nó đặt q nhiều vào trọng tải trước đó
của bộ định tuyến, vì vậy không thể phản ứng lại đủ nhanh đối với những thay đổi
lớn của các điều kiện tải.
Chính vì hạn chế đó EWA mờ (FEWA – Fuzzy EWA) [10] đã phát triển, khác
với EWA cũ chủ yếu ở việc tính tốn α. FEWA sử dụng một bộ điều khiển mờ để

tính α dựa theo giá trị hiện tại và một giá trị gần nhất của bộ đệm bộ định tuyến. Với
các thay đổi này trong việc tính tốn phản hồi bên trong bộ định tuyến, hiệu suất từ
đầu cuối đến đầu cuối có thể đạt được lớn hơn so với EWA.
3.3.2 ETCP (Enhanced TCP)
Ý tưởng của ETCP [10] là sử dụng phản hồi FEWA (dựa trên sự điều khiển
thích ứng lưu lượng-AWND) để tính cửa sổ gởi mới (SWND). ETCP phía gởi khơng
thực hiện chu trình bắt đầu chậm (slow start) và tránh tắc nghẽn (congestion
avoidance), mà bắt đầu với 1 cửa sổ gởi khởi tạo và cập nhật cửa sổ gởi theo các cách
sau:

38


Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn
- Nếu cửa sổ gởi hiện tại lớn hơn cửa sổ điều khiển lưu lượng thì cửa sổ gởi
mới được thiết lập bằng cửa sổ điều khiển lưu lượng: SWND ← AWND
- Nếu cửa sổ gởi hiện tại nhỏ hơn cửa sổ điều khiển lưu lượng thì cửa sổ gởi
được tính như sau:

SWND ← SWND.( AWND / SWND )

1 / SWND

Với tính tốn này cửa sổ của phía gởi ETCP được tăng theo hàm mũ để tiệm
cận với cửa sổ điều khiển lưu lượng. Với các thay đổi nhỏ này có thể thu được sự cải
thiện đáng kể về khả năng thực hiện.
3.3.3 XCP (Explicit Control Protocol)
XCP [6] là giao thức truyền thông liên quan đến TCP. Không như TCP, XCP
cung cấp phản hồi chống tắc nghẽn rõ từ router có khả năng XCP đến XCP phía gởi.
Do đó, XCP phía gởi có thể điều khiển cửa sổ gởi thích hợp hơn để đạt được tính

hiệu quả, bình đẳng, điều khiển tắc nghẽn có thể mở rộng qui mơ và ổn định trong
tồn mạng.
Thuật tốn điều khiển chống tắc nghẽn phản hồi trong router có khả năng
XCP được phân thành 2 phần: thuật tốn hiệu quả và bình đẳng. Với phương pháp
này, tính hiệu quả và tính bình đẳng giữa các kết nối XCP trong 1 router có thể được
quản lý 1 cách tách biệt nhau.
3.3.3.1 Mào đầu chống tắc nghẽn.
Mỗi gói dữ liệu của 1 kết nối XCP mang theo phần mào đầu chống tắc nghẽn
(CH) hình 3.2. Hai giá trị đầu tiên, H_cwnd và H_rtt, được thiết lập bởi XCP phía gởi
là cửa sổ chống tắc nghẽn hiện thời và RTT ước lượng hiện thời và giữ nó khơng đổi
trong suốt q trình truyền thơng. Giá trị thứ ba, H_feedback, được dùng cho phản
hồi chống tắc nghẽn của router. Nó được khởi tạo bởi XCP phía gởi đến giá trị tăng
theo yêu cầu cửa sổ chống tắc nghẽn và có thể được điều chỉnh bởi router dựa vào 2
giá trị đầu và thuật tốn điều khiển tính hiệu quả và bình đẳng thực hiện trong router.

39


Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn

H_cwnd
H_rtt
H_feedback
Hình 3.2 Header chống tắc nghẽn trong gói dữ liệu/xác nhận XCP
Nếu XCP phía gởi có tốc độ gởi u cầu γ , giá trị khởi tạo cho H_feedback
trong mào đầu có thể tính tốn như sau:

H _ feedback = ( γ .rtt − cwnd ) /

/ số gói trong cửa sổ tắc nghẽn

(3.5)

Trong gói đầu tiên của kết nối XCP, H_feedback được khởi tạo bằng 0, khi
XCP phía gởi có RTT ước lượng hiện thời không hợp lệ trong đường dẫn.
XCP phía nhận sao chép mào đầu chống tắc nghẽn của gói dữ liệu đến sang
xác nhận ACK và gởi xác nhận bao gồm mào đầu chống tắc nghẽn đến XCP phía
gởi. Sau khi xác nhận ACK đến nơi, XCP phía gởi sửa lại cửa sổ chống tắc nghẽn
mới theo phản hồi router chứa trong mào đầu chống tắc nghẽn:
cwnd = max{cwnd + H _ feedback , s}

(3.6)

với s là kích cỡ gói.
3.3.3.2 Bộ điều khiển chống tắc nghẽn.
Như đã đề cập, bộ điều khiển chống tắc nghẽn trong router có khả năng XCP
được chia thành điều khiển hiệu quả (EC) và điều khiển bình đẳng (FC). Nhiệm vụ
của bộ điều khiển hiệu quả là tận dụng kết nối lớn nhất, tốc độ mất gói nhỏ nhất và
hàng của đường dẫn ổn định. Chỉ đề cập đến EC khi lưu lượng đường truyền ổn định
và khơng quan tâm sự bình đẳng giữa các luồng có lưu lượng ổn định. Đây là nhiệm
vụ của bộ điều khiển bình đẳng. Dùng thơng tin phản hồi chống tắc nghẽn trên mỗi
kết nối hiện thời được tính tốn bởi EC, FC tính thơng tin phản hồi chống tắc nghẽn
trên mỗi gói hiện thời cho mỗi luồng. Thông tin chống tắc nghẽn được chứa trong
trường H_feedback của mào đầu chống tắc nghẽn trong tất cả các gói và truyền lại
cho mỗi XCP phía gởi.

40


Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn

Với mỗi kết nối, router duy trì bộ định thời điều khiển được thiết lập xấp xỉ
đến giá trị RTT ước lượng trung bình của XCP phía gởi trên kết nối đó. Sau khi hết
thời gian chờ (time-out) của bộ định thời điều khiển mỗi luồng, EC và FC được dùng
để tính giá trị hiện thời của phản hồi điều khiển chống tắc nghẽn cho luồng XCP đi
qua đường dẫn này. Các thuật toán điều khiển chống tắc nghẽn và điều khiển bình
đẳng của bộ định tuyến XCP có đặc điểm là khơng địi hỏi thơng tin trạng thái của
mỗi luồng. Thay vào đó, bộ định tuyến khai thác thơng tin lưu lượng tổng bằng cách
tích luỹ thơng tin từ tất cả các gói truyền qua bộ định tuyến trong một khoảng thời
gian nhất định.
Trong phần sau, biểu thức toán học của phép tính EC và FC được trình bày.
 Bộ điều khiển hiệu quả (EC)
Mục đích của bộ điều khiển hiệu quả là tăng tính sử dụng đường truyền trong
khi tối thiểu hóa tốc độ mất gói và hàng đợi ổn định. Nó chỉ xét lưu lượng tổng và
khơng chú ý đến tính hiệu quả cũng như luồng mà gói có liên quan.
EC tính số byte mà lưu lượng tổng tăng hay giảm theo mong muốn trong
khoảng thời gian điều khiển (RTT trung bình). Phản hồi tổng φ (tính theo byte)
được tính trong mỗi khoảng điều khiển:
φ =α.d .S −β.Q

(3.7)

Với d là RTT ước lượng trung bình cho kết nối, S là băng thông dự trữ (spare
bandwidth) của đường truyền được định nghĩa là hiệu số giữa tốc độ lưu lượng vào
và dung lượng đường truyền. Và Q là kích cỡ hàng ổn định của đường truyền (tính
theo bytes) với kích cỡ hàng không tiêu hao trong thời gian trễ truyền (đi và về). Q
được ước tính như là giá trị nhỏ nhất trong tất cả kích cỡ hàng bởi vài gói. α và β là
tham số hằng có giá trị lần lượt là α = 0.4 và β = 0.226 trong [6]. Phản hồi chống
tắc nghẽn tổng φ phải tỉ lệ với S, bởi nếu đường truyền sử dụng khôg đúng mức
(S>0) hay tắc nghẽn (S<0), thông tin phản hồi dương hay âm phải được gởi đến XCP
phía gởi. Nhưng φ phải tỉ lệ với –Q để tiêu hao hàng. Chẳng hạn, nếu tốc độ lưu

lượng đầu vào bằng dung lượng đường truyền, tức là, S=0, phản hồi chống tắc nghẽn

41


Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn
tổng φ phải là giá trị âm để giảm số gói tại hàng. Đẳng thức (3.7) đảm bảo rằng
phản hồi chống tắc nghẽn tổng φ của đường truyền tỉ lệ với S và –Q.
Để đạt được tính hiệu quả, chúng ta phân bố phản hồi tổng đến từng gói qua
H_feedback. EC chỉ phân phối với trạng thái tổng, nó khơng quan tâm đến gói nào có
phản hồi và mỗi luồng riêng thay đổi cửa sổ chống tắc nghẽn bao nhiêu. Tất cả các
yêu cầu của EC là lưu lượng tổng phải thay đổi 1 lượng φ trong khoảng thời gian
điều khiển. Làm thế nào chúng ta chia phản hồi chính xác giữa các gói (và giữa các
luồng) chỉ ảnh hưởng đến tính bình đẳng, và đó là cơng việc của bộ điều khiển bình
đẳng.
 Bộ điều khiển bình đẳng XCP
Cơng việc của bộ điều khiển bình đẳng (FC) là chia nhỏ phản hồi đến các gói
riêng rẻ để đạt được tính bình đẳng. FC dựa vào nguyên lý giống như TCP dùng để
hội tụ đến bình đẳng, gọi là tăng cộng giảm nhân (AIMD). Do đó, chúng ta muốn
tính tốn phản hồi trên mỗi gói theo nguyên lý:
-

Nếu φ>0, lưu lượng của tất cả các luồng tăng giống nhau.

-

Nếu φ<0, lưu lượng của một luồng giảm tỉ lệ với lưu lượng hiện thời.
Nguyên lý này bảo đảm độ hội tụ đến tính bình đẳng liên tục nếu φ khác 0.

Nhưng nếu tính hiệu quả là gần tối ưu, tức là, φ ≈ 0 , sự hội tụ có thể khơng được

đảm bảo. Để ngăn ngừa điều này, khái niệm băng thông xáo trộn (bandwidth
shuffling) được dùng trong mỗi khoảng điều khiển, một lượng nhỏ lưu lượng h với:
h =max{0, γ. y −φ}

(3.8)

với hằng số γ =0.1 và lưu lượng vào y trong RTT trung bình, được phân bố lại theo
nguyên lý AIMD trên tất cả các luồng.
Với luồng i phản hồi chống tắc nghẽn mỗi gói H_feedbacki có thể được xem như là
sự kết hợp tuyến tính của phản hồi dương pi và phản hồi âm ni:

H _ feedbacki = pi − ni

(3.9)

Trong khoảng điều khiển đơn, pi và ni được tính toán bằng cách dùng các giá trị

42


Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn

ξp =

ξn =

và

h + max{ φ ,0}
H _ rtt i .S i

d .∑
H _ cwnd i

(3.10)

h + max{ − φ ,0}
d .∑ S i

(3.11)

pi và ni có thể được tính tốn như sau:
2

H _ rtt i .S i
pi = ξ p .
H _ cwnd i

(3.12)

ni = ξ n .H _ rtti .Si

(3.13)

Các công thức trên được chứng minh trong [6]. Trong XCP, bộ điều khiển
hiệu quả và bình đẳng được tách riêng. Đặc biệt, bộ điều khiển hiệu quả EC dùng quy
tắc MIMD, tăng mức lưu lượng tỉ lệ với băng thông dự trữ trong hệ thống (thay vì
tăng 1 MSS/RTT/luồng như TCP). Điều này cho phép XCP nhanh chóng có được
băng thông dự trữ dương ngay cả trên đường truyền dung lượng lớn. Bộ điều khiển
tính bình đẳng FC dùng quy tắc AIMD, hội tụ đến tính bình đẳng. Do đó, việc tách
cho phép mỗi bộ điều khiển dùng các quy tắc điều khiển thích hợp.

Thơng thường, nếu XCP được dùng thì mất gói là rất hiếm. Nhưng nếu mất gói xảy
ra, q trình phát lại trong XCP phía gởi giống trong TCP.
3.3.3.3 Tính thực tế của XCP
Thực hiện XCP trong hệ thống đầu cuối là tương đối đơn giản. Chỉ thay đổi 1
ít trong mã nguồn của TCP phía gởi và TCP phía nhận để làm cho chúng có khả năng
XCP. Trang bị router với khả năng XCP khá tốn kém, sự phức tạp của XCP trong
router là tương đối cao. Tuy nhiên, XCP là ứng cử đầy hứa hẹn trong việc cải thiện
điều khiển chống tắc nghẽn trong mạng cơ sở IP trong tương lai.
XCP có thể phát triển 1 cách nhanh chóng trong mạng cơ sở IP. Hai trường
hợp được phân biệt thành;
• Vài router và phía nhận khơng có khả năng XCP.
• Sự kết hợp kết nối XCP và không XCP cùng tồn tại trong mạng.

43


Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn
Trong trường hợp đầu tiên, XCP phía gởi phải kiểm tra rằng tất cả các router
trong đường truyền và phía nhận có khả năng XCP. Điều này có thể thực hiện với cơ
cấu XCP và IP hiện hành. Nếu chúng khơng có khả năng XCP, XCP phía gởi khơng
thể sử dụng giao thức XCP và phải chuyển mạch sang giao thức truyền thông theo lối
cổ truyền, chẳng hạn, TCP. Trong trường hợp thứ 2, router có khả năng XCP phải
được xử lí bình đẳng 2 loại lưu lượng. Để thực hiện, router có khả năng XCP có thể
phân biệt giữa lưu lượng XCP và không XCP và xếp hàng chúng 1 cách tách biệt. Nó
có thể thực hiện được với cơ cấu xếp hàng chờ xử lý cân bằng thích nghi động theo
phương pháp TCP-Friendly Rate Control (TFRC) [15]
3.3.4 FBA-TCP
3.3.4.1 CSFQ (Core-Stateless Fair Queueing)
Ý tưởng của CSFQ (Core-Stateless Fair Queueing) là phân đoạn mạng trong
một vùng router và phân biệt giữa biên và lõi trong 1 vùng.

Hình 3.3 Vùng router biên (E) và lõi ( C) với khả năng CSFQ
Mỗi router biên ước lượng tốc độ mỗi luồng cho mọi gói đi qua router biên
trong mạng có khả năng CSFQ. Để tính toán, các router biên cần chứa trạng thái mỗi
luồng. Tốc độ ước lượng mỗi luồng được dùng để dán nhãn gói bằng cách chèn tốc
độ ước lượng vào trong mào đầu gói của mỗi luồng. Router lõi được trang bị với xếp
hàng FIFO và khơng có chứa trạng thái luồng bất kỳ nào. Đặc tính này của router lõi

44


Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn
được gọi là core-stateless. Router lõi thực hiện thuật toán giảm xác suất cho gói đến
dựa vào lưu lượng tổng và thơng tin chứa trong nhãn của gói. Mục đích chính của
thuật tốn giảm gói theo xác suất là đạt được sự phân bổ băng thông hợp lý giữa các
luồng đi qua router lõi.
Trong phần dưới đây, thuật toán ước lượng tốc độ thực hiện trong router biên
và thuật tốn giảm gói thực hiện trong router lõi được nói đến. Nhiều chi tiết về
CSFQ, chẳng hạn, giả mã cho thuật toán dùng trong router biên và lõi hay mở rộng
cơ cấu CSFQ cơ bản, có thể tìm thấy trong [8]
 Ước lượng tốc độ mỗi luồng CSFQ trong router biên.
ˆ
Trong router biên tốc độ ước lượng ri của luồng i được cập nhật mỗi khi gói

mới của luồng này đến. Ước lượng tốc độ luồng được thực hiện bằng cách dùng sự
(k )
(k )
ước lượng dựa trên chuẩn hàm mũ. Với t i và li lần lượt là thời gian đến (arrival

ˆ

time) và độ dài gói k của luồng i. Sau đó, ri được cập nhật như sau:

(

ˆ new = 1 − e −Ti
ri

(k)

/K

l
). T

(k )

i
(k )

+ e −Ti

(k)

/K

ˆ
.ri

old

i

(3.14)
(k )
(k )
( k −1)
với Ti = ti − ti
và giá trị không đổi K. Mỗi gói của luồng i được dán nhãn với

ˆ
ri

cập nhật mới nhất
ˆ
labeli = ri

(3.15)

Bổ sung vào sự ước lượng tốc độ mỗi luồng, thuật tốn giảm gói của router lõi
CSFQ được thực hiện trong router biên.
 Thuật toán giảm gói CSFQ trong router lõi
Trong luồng lưu lượng, tốc độ đến tổng n luồng trong tuyến đơn của router lõi
là:
n

A = ∑ ri

(3.16)

i =1

Mỗi luồng đó phải sử dụng tốc độ phân bổ công bằng α với tốc độ đường ra C của
router lõi được khởi tạo:

45


Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn
n

C = ∑ min{ ri , α }

(3.17)

i =1

Khi các luồng được đóng gói, A và α phải được ước lượng bởi

ˆ
ˆ
A và α .

Sau đó tốc

độ lưu lượng tổng được phép của router lõi có thể được ước lượng:
n

ˆ
ˆ ˆ
F (α ) = ∑ min{ ri , α }

(3.18)

i =1

Tổng tốc độ đến router lõi được ước lượng dựa vào hàm mũ trung bình:

(

)

l
ˆ
ˆ
A new = 1 − e −T / Kα . + e −T / Kα . A old
T

(3.19)

với thời gian đến T giữa gói trước và gói hiện tại và giá trị hằng số K α . Đẳng thức
dạng tương tự được dùng để ước lượng tốc độ lưu lượng tổng

ˆ
F

cho phép bởi router.

Nếu

ˆ

A ≥C

trong tất cả các khoảng Kc, đường truyền được giả thiết bị tắc

nghẽn. Nếu

ˆ
A ≤C

trong tất cả các khoảng Kc, đường truyền giả thiết là không bị tắc

nghẽn.
ˆ
Giá trị mới cho tốc độ phân bổ bình đẳng ước lượng α chỉ được tính sau một

khoảng mà trong đó đường truyền được phân loại thành bị tắc nghẽn và không tắc
ˆ
nghẽn. Nếu đường truyền bị tắc nghẽn thì α được cập nhật như sau:
ˆ
α new =

C old
ˆ
.α
ˆ
F

(3.20)

ˆ

Nếu đường truyền khơng tắc nghẽn thì α new được thiết lập bằng tốc độ lớn

nhất của luồng tích cực bất kỳ, tức là, đến nhãn lớn nhất trong gói, trong suốt khoảng
thời gian Kc. Thêm vào đó, hai phỏng đoán được dùng để giới hạn sự dao động giữa
ˆ
các tính tốn α liên tiếp nhau.
ˆ
• Sau mỗi khi hàng bị tràn, α bị giảm bởi 1 phân số nhỏ cố định, chẳng hạn,

0.01.
ˆ
• Để tránh sự điều chỉnh lại, giảm α phải giới hạn bởi 0.25 giá trị trước đó.
ˆ
α khi đó được dùng để tính tốn xác suất giảm gói của các luồng. Với luồng

i, mỗi bit đang đến bị giảm trong router lõi với xác suất:

ˆ
α
Pi = max 0,1 − 
ˆ
ri 


46

(3.21)


Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn

Nếu các gói trong luồng i bị giảm, tốc độ mới ri của luồng i thay đổi đến xấp
ˆ
ˆ
xỉ α , khi tốc độ đến của luồng i tại router lõi hay biên tiếp theo là xấp xỉ α . Do đó,

các gói trong luồng i phải được dán nhãn lại với:
ˆ
labelinew = min{α , labeliold }

(3.22)

Do đó, sau khi gói đi qua router biên ở phía nhận của luồng đó nhãn của gói
chứa tốc độ luồng hiện tại mà thành phần mạng CSFQ đã cung cấp. Thơng tin này có
thể được truyền đến phía nhận và truyền trở lại phía gởi để điều chỉnh tải mà phía gởi
đặt vào mạng. Nhưng CSFQ không cung cấp cơ cấu phản hồi chống tắc nghẽn rõ.
Chỉ có gói bị mất trong router lõi và biên của phần mạng có khả năng CSFQ được
dùng để góp phần khai báo ẩn cho phía gởi về tắc nghẽn (đang đe dọa) trong 1 đoạn
mạng.
3.3.4.2 FBA-TCP
Phân bổ băng thông hợp lý cho TCP (FBA-TCP) [14] (Fair Bandwidth
Allocation for TCP) là một phương pháp điều khiển lưu lượng TCP dựa trên thông
tin phản hồi về mạng được cung cấp bởi CSFQ
FBA-TCP dùng cơ cấu CSQB miêu tả trong phần trước để cải thiện điều
khiển chống tắc nghẽn trong kết nối TCP. FBA-TCP làm việc như sau: trong router
biên của vùng mạng (trong hình 3.3) FBA-TCP dùng thuật tốn giống CSFQ để ước
lượng tốc độ luồng và dán nhãn gói trong luồng với tốc độ luồng ước lượng. Trong
mỗi router biên và lõi trong vùng mạng tốc độ phân bổ bình đẳng được ước lượng và
các gói của luồng bị giảm theo đẳng thức (3.21) nếu nhãn của chúng lớn hơn phân bổ
cân bằng.

47


Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn

Hình 3.4 Kết nối TCP đơn đi qua vùng router có khả năng CSFQ.
Đặc tính mới của FBA-TCP là router biên ở phía nhận của luồng khơng xố
nhãn khỏi mỗi gói. Router biên đặt nhãn của gói vào trong mào đầu Ipv4 (hay mào
đầu mở rộng của Ipv6) để truyền trong suốt nhãn này đến TCP phía nhận qua phần
mạng khơng có khả năng CSFQ. Nếu hệ thống đầu cuối phía nhận của kết nối TCP
ˆ
nhận gói với nhãn l hay tốc độ ước lượng r , nó gởi giá trị này đến TCP phía nhận

để tính cửa sổ gởi mới mà TCP phía gởi cho phép.
ˆ
Cửa sổ gởi được phép= RTT .r

(3.23)

sử dụng RTT ước lượng. Do khả năng song công của TCP, tức là, TCP phía nhận
đồng thời là TCP phía gởi và ngược lại, nó giả thiết rằng TCP phía nhận có sự ước
lượng RTT thích hợp trong đường dẫn mạng. Giá trị nhỏ nhất của cửa sổ gởi và số
bytes hiện thời mà TCP phía nhận có thể được nhận được từ TCP phía gởi là cửa sổ
thơng báo phía nhận của TCP phía nhận.
Cửa sổ thơng báo phía nhận này được gởi đến TCP phía gởi trong xác nhận
TCP tiếp theo.
3.3.5 QS-TCP (Quick Start TCP):
QS-TCP (Quick Start TCP) đã được đề xuất năm 2002 bởi Jain và Floyd trong
[3] như là một cách để tăng cửa sổ khởi tạo của một kết nối TCP. Trong thủ tục thiết
lập kết nối TCP (TCP SYN và TCP SYN/ACK) phía gởi TCP chèn một yêu cầu bắt

đầu nhanh (Quick Start Request) vào gói TCP, đó chính là tốc độ khởi tạo mà phía
48


Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn
gởi muốn truyền. Mỗi bộ định tuyến dọc theo đường truyền xác nhận liệu nó có thể
đáp ứng yêu cầu lưu lượng mới này. Nếu nó có thể đáp ứng yêu cầu mới này thì nó sẽ
truyền u cầu QS đi, ngược lại nó sẽ giảm tốc độ dữ liệu đến một giá trị phù hợp.
Để làm được điều đó bộ định tuyến cần thiết phải giám sát sự khác nhau của
trọng tải hiện tại và dung lượng sẵn sàng và những yêu cầu QS trong thời gian gần
đây. Khi yêu cầu QS (QS request) tới TCP phía nhận, một đáp ứng QS (QS response)
tương ứng được tạo ra và chèn vào một thơng báo nhận được gởi trở về phía gởi.
Nhận được đáp ứng QS, phía gởi điều chỉnh cửa sổ chống tắc nghẽn khởi tạo
theo tốc độ dữ liệu chỉ ra trong đáp ứng QS. Để tránh lưu lượng bùng phát, phía gởi
tăng dữ liệu từng bước vào cửa sổ khởi tạo. QSTCP đòi hỏi tất cả các bộ định tuyến,
phía gởi và phía nhận hỗ trợ khởi tạo nhanh (QS).
3.4 Đánh giá chung
Các phương pháp này được dùng trong mạng cơ sở IP tương lai dựa vào mức
độ mong muốn tương thích với các phương thức truyền TCP và UDP triển khai hiện
nay trong hệ thống đầu cuối. XCP, chẳng hạn, dường như là phương pháp mạnh nhất
để cải thiện tồn bộ hiệu suất của mạng, ít nhất nếu mạng là mạng tốc độ cao. Nhưng
XCP đòi hỏi đòi hỏi sự thích ứng của phương thức truyền thơng trong hệ thống đầu
cuối.
Tương phản với XCP, (F)EWA không cần bất kì sự thay đổi nào trong hệ
thống đầu cuối. Nhưng (F)EWA không mạnh như XCP, cửa sổ gởi của TCP phía gởi
khơng thể được điều khiển chính xác như XCP.
CSFQ khơng cung cấp phản hồi rõ cho (TCP) phía gởi. Nó phát triển chủ yếu
để tăng tính bình đẳng giữa các luồng trong (phần) mạng. Do đó, độ gia tăng hiệu
suất khá bị giới hạn. Nhưng FBA-TCP như là sự mở rộng của CSFQ có thể là ứng cử
tiềm năng cho sự cải thiện điều khiển chống tắc nghẽn trong mạng cơ sở IP. Bất lợi

chính của FBA-TCP là các router biên trong phần mạng có khả năng CSFQ phải chứa
thơng tin mỗi luồng để dán nhãn gói của luồng. Phương pháp này có thể chỉ làm việc
nếu số luồng đi qua router biên là khá ít. Sự khác nhau của XCP và FBA-TCP là XCP

49


Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn
dán nhãn các gói trong giao thức truyền của hệ thống đầu cuối trong khi FBA-TCP
dán nhãn (lại) các gói trong các router của phần mạng có khả năng CSFQ.
Khuyết điểm chính của XCP là nó có sự phức tạp lớn so với các phương pháp
khác. Thêm vào đó, XCP khơng thể triển khai dần dần trong phần mạng. Nếu ít nhất
1 router hay hệ thống đầu cuối trong đường dẫn mạng không thể đương đầu với
XCP, XCP không được thực hiện và TCP chuẩn được dùng thay cho nó. Nhưng XCP
hứa hẹn hệ số hiệu suất mong muốn cao nhất so với các phương pháp - ít nhất trong
mạng tốc độ cao.
3.5 Kết luận chương
Chương này đã hệ thống các phương pháp điều khiển tắc nghẽn. Các phương
pháp đó có thể triển khai dần và liệu hiệu suất của nó có giảm khi triển khai như thế
không. Mỗi phương pháp hoạt động theo một nguyên tắc khác nhau và phù hợp với
từng hoàn cảnh khác nhau. Theo ưu tiên, ứng cử viên đầy hứa hẹn cho việc điều
khiển tắc nghẽn trong mạng cơ sở IP là XCP. Do đó, nó nên được nghiên cứu chi tiết
trong các viễn cảnh và lưu lượng tải thay đổi khác nhau. Phần tiếp theo sẽ mơ phỏng
điều khiển tắc nghẽn dùng thuật tốn tăng giảm trong các giao thức.

50