Zarzadzanie zajetoscia bufora

Zarządzanie zajętością bufora
dr inż. Jerzy Domżał
Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Katedra Telekomunikacji
15 października 2012 r.
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie
15 październikaa 2012 r.
1 / 23
Spis treści
1
Sterowanie zajętością bufora
2
Algorytmy sterowania zajętością bufora
3
FAN – wstęp
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie
15 październikaa 2012 r.
2 / 23
Spis treści
1
Sterowanie zajętością bufora
2
Algorytmy sterowania zajętością bufora
3
FAN – wstęp
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie
15 październikaa 2012 r.
2 / 23
Spis treści
1
Sterowanie zajętością bufora
2
Algorytmy sterowania zajętością bufora
3
FAN – wstęp
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie
15 październikaa 2012 r.
2 / 23
Spis treści
1
Sterowanie zajętością bufora
2
Algorytmy sterowania zajętością bufora
3
FAN – wstęp
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie
15 październikaa 2012 r.
3 / 23
Wstęp
Zarządzanie zajętością bufora to strategia podejmowania
decyzji kiedy i w jaki sposób usuwać pakiety z kolejek w
sytuacji wystąpienia natłoku
Kolejki nie mogą być zbyt krótkie (częste odrzucanie
pakietów) ani zbyt długie (opóźnienia)
Wybór właściwego pakietu do odrzucenia w sytuacji natłoku
decyduje o jakości obsługi ruchu i stabilności sieci
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie
15 październikaa 2012 r.
4 / 23
Spis treści
1
Sterowanie zajętością bufora
2
Algorytmy sterowania zajętością bufora
3
FAN – wstęp
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie
15 październikaa 2012 r.
5 / 23
Tail Drop
Tradycyjna technika zarządzania zajętością bufora
Ustawiana jest maksymalna długość kolejki (w pakietach)
Pakiety przyjmowane są dopóki zajętość kolejki nie osiągnie
maksymalnego progu
Wadą tego rozwiązania jest możliwość transmisji w łączu
przez jeden lub kilka przepływów, które uniemożliwiają innym
przepływom umieszczenie pakietów w kolejce
Niekorzystne jest również utrzymywanie zajętości bufora na
maksymalnym poziomie przez długi czas
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie
15 październikaa 2012 r.
6 / 23
Drop on Full
Random drop on full – losowo odrzucany jest pakiet z kolejki,
gdy jest ona pełna i pojawia się nowy pakiet
Drop front on full – usuwamy pakiet z czoła kolejki, gdy jest
ona pełna i pojawia się nowy pakiet
Oba rozwiązania zapobiegają monopolizacji kolejki, ale nie
przeciwdziałają jej ciągłemu zapełnieniu
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie
15 październikaa 2012 r.
7 / 23
RED (Random Early Detection)
Najbardziej popularne rozwiązanie sterowania zajętością
bufora w sieciach z transmisją TCP
Pakiety docierające do rutera usuwane są losowo z
prawdopodobieństwem, które wzrasta wraz ze średnią
zajętością kolejki
Algorytm zapewnia:
obługę przepływów o różnej długości,
utrzymanie niewielkiej średniej zajętości kolejki oraz krótkich
opóźnień,
sprawiedliwy dostęp do zasobów,
odpowiednią przepływność dla każdego typu ruchu
Algorytm wymaga odpowiedniej konfiguracji w celu
osiągnięcia założonych efektów – zły dobór parametrów może
skutkować niewłaściwymi parametrami transmisji w natłoku
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie
15 październikaa 2012 r.
8 / 23
RED (Random Early Detection)
Zakłada się istnienie dwóch progów minth oraz maxth
Gdy zajętość bufora jest poniżej minth , to pakiety przyjmujemy
Gdy zajętość bufora jest powyżej minth a poniżej maxth , to
pakiety przyjmujemy z prawdopodobieństwem zmieniającym
się stosownie do zajętości bufora
Gdy zajętość bufora jest powyżej maxth , to pakiety są
odrzucane
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie
15 październikaa 2012 r.
9 / 23
LQD (Longest Queue Drop)
Zaprojektowany do zastosowania w sieciach z przepływami o
tych samych wagach
Długość kolejki jest proporcjonalna do długości przepływu
Wykazuje lepsze właściwości niż FCFS przy zastosowaniu z
mechanizmami FQ
Współpraca LQD i FQ ma lepsze właściwości niż RED z FQ
Zaletą zastosowania kombinacji FQ oraz LQD jest separacja
przepływów. Jeśli natłok spowodowany jest przez jeden
przepływ, to tylko ten przepływ ponosi tego konsekwencje
(usuwanie pakietów)
Kombinacja FQ oraz LQD zapewnia brak usuwania pakietów
oraz nieiwelkie opóźnienia dla przepływów transmistujących z
szybkością mniejszą niż C/n (C – przepustowość łącza, n –
liczba przepływów)
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie
15 październikaa 2012 r.
10 / 23
DRND (Dynamic Soft Partitioning with
Random Dropping)
Niewielka modyfikacja algorytmu LQD
Pakiety usuwane są z najdłuższych kolejek, podobnie jak w
LQD
Pakiety wybierane są losowo spośród najdłuższych kolejek, co
pozwala na usuwanie pakietów z więcej niż jednej kolejki w
dłuższym przedziale czasowym
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie
15 październikaa 2012 r.
11 / 23
ALQD (Approximated Longest Queue
Drop)
Złożoność obliczeniowa algorytmu LQD jest dość duża,
ponieważ wymagane jest ciągłe monitorowanie zajętości
kolejek
Pozwala na łatwiejsze obliczenia, gdyż znacznik najdłuższej
kolejki i jej długość zapisywana jest w rejestrze
Algorytm nie musi wyszukiwać najdłuższej kolejki
Każde zdarzenie w kolejce (np. przyjmowanie lub odrzucanie
pakietów) uruchamia mechanizm porównujący długość kolejki
z wartością zapisaną w rejestrze
W razie konieczności wartości zapisane w rejestrze są
uaktualniane
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie
15 październikaa 2012 r.
12 / 23
Spis treści
1
Sterowanie zajętością bufora
2
Algorytmy sterowania zajętością bufora
3
FAN – wstęp
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie
15 październikaa 2012 r.
13 / 23
Sieci zorientowane na przepływy (FAN)
Nowa koncepcja stworzona w celu zapewniania transmisji
danych z gwarantowaną jakością obsługi
Dwa rodzaje przepływów:
Strumieniowe (z priorytetem)
Elastyczne
Skryta klasyfikacja przepływów (sieci neutralne)
Proste reguły obsługi przepływów — w ruterach
przechowywane są minimalne informacje o przepływach,
ważne tylko przez określony czas
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie
15 październikaa 2012 r.
14 / 23
Ruter wzajemnie zabezpieczany
Lista chronionych
przepływów
Protected flow list
Szybkość sprawiedliwa,
Obciążenie ruchem priorytetowym
Fair rate, Priority load
Pakiety
napływające
Sterowanie
dostępem
Admission control
Ruter IP
Szeregowanie
IP router
PFQ scheduling
Pakiety
nadawane
Ruter wzajemnie zabezpieczany
Cross-protect router
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie
15 październikaa 2012 r.
15 / 23
Ruter wzajemnie zabezpieczany
Mechanizm wzajemnego zabezpieczania rutera polega na
zapewnieniu odpowiedniej (skalowalnej) transmisji w łączu
wyjściowym
Sprawiedliwe szeregowanie pakietów odpowiadające
założonemu w FAN obsługiwaniu 2 klas przepływów nakłada
na blok szeregujący wymagania, które rosną wraz ze wzrostem
równocześnie obsługiwanych przepływów
Sterowanie dostępem przepływów do rutera bez znajomości
a-priori ich parametrów wymaga informacji o zajętości łącza
Rozmiar listy przepływów chronionych jest ograniczany dzięki
sterowaniu dostępem
Decyzje dotyczące odrzucenia pakietu na wejściu
podejmowane są na podstawie stanu łącza obserwowanego w
bloku szeregowania
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie
15 październikaa 2012 r.
16 / 23
Funkcjonalność rutera FAN
Blok szeregowania pakietów
Podstawowe wymagania:
Przeciwdziałanie przeciążeniom oraz reakcja na powstały
natłok
Zapewnienie priorytetyzowania przepływów
Nie zapewnia skalowalności — stąd m.in. potrzeba
zastosowania bloku sterowania dostępem
Pakiety są kolejkowane i wybierane do wysłania zgodnie
z algorytmem szeregowania:
Priority Fair Queuing (PFQ)
Priority Deficit Round Robin (PDRR)
Okresowo mierzone są wartości dwóch parametrów:
fair rate: maksymalna przepływność przepływów (realizowana
lub możliwa do zrealizowania)
priority load: współczynnik reprezentujący szybkość
przychodzących pakietów priorytetowych w odniesieniu do
przepustowości łącza
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie
15 październikaa 2012 r.
17 / 23
Priority Fair Queuing – PFQ
Priority Fair Queuing:
Opracowany w oparciu o SFQ (Start-time Fair Queuing)
Dodatkową zaletą w stosunku do SFQ jest możliwość
transmisji ruchu z priorytetem
Skrycie nadaje wysoki priorytet pakietom przepływów, których
szybkość transmisji jest mniejsza od fair rate
Parametry fair rate oraz priority load mierzone są okresowo,
przy czym w pierwszym przypadku okres to setki milisekund, a
w drugim kilka milisekund
Wykorzystuje kolejkę PIFO
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie
15 październikaa 2012 r.
18 / 23
Priority Fair Queuing
Obsługa pakietu
Jeśli kolejka nie jest przepełniona i przepływ odpowiadający
przychodzącemu pakietowi jest aktywny, to uaktualnia się listę
PFL
Jeśli przepływu nie ma na liście, to jego identyfikator jest do
niej wpisywany, a pierwszy pakiet obsługiwany jest z
priorytetem
Pakiety obsługiwane są z priorytetem jeśli ilość danych
umieszczonych w kolejce odpowiadająca ich przepływowi jest
mniejsza niż MTU
Gdy pakiety opuszczają kolejkę, podejmowane są pewne
czynności:
jeśli kolejka jest pusta, z listy przepływów aktywnych usuwane
są wszystkie identyfikatory,
jeśli kolejka jest niepusta, uaktualniane są parametry dla
obsłużonego przepływu
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie
15 październikaa 2012 r.
19 / 23
Priority Deficit Round Robin – PDRR
Opracowany w oparciu o algorytm DRR (Deficit Round Robin)
Dodatkową zaletą w stosunku do DRR jest możliwość
transmisji ruchu z priorytetem
Pozwala na rozróżnianie przepływów w oparciu o szybkość
transmisji
Pakiety przepływów o szybkości mniejszej niż fair rate
transmitowane są z wysokim priorytetem z użyciem
priorytetowej kolejki
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie
15 październikaa 2012 r.
20 / 23
Priority Deficit Round Robin
Obsługa pakietu
Gdy pakiet p dociera do bloku szeregowania i bufor jest pełny,
to musi być usunięty,
Jeśli bufor nie jest pełny i p nie należy do aktywnego
przepływu, to pakiet umieszczany jest na końcu kolejki
priorytetowej, a identyfikator jego przepływu dodawany jest do
AFL (Active Flow List)
ByteCount(i) to wskaźnik ilości bajtów w kolejce
priorytetowej dla przepływu i
Pakiety otrzymują wysoki priorytet, gdy ByteCount(i) ≤ Qi
(kwant przepływu); w przeciwym przypadku pakiety
umieszczane są na końcu przewidzianych dla nich kolejek
Takie podejście zapewnia, że przepływy transmitujące z
szybkością mniejszą niż kwant na cykl utrzymują niewielkie
opóźnienia
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie
15 październikaa 2012 r.
21 / 23
Mechanizm usuwania pakietów w sieciach
FAN
W FAN stosuje się rozwiązanie PFQ z LQD lub PDRR z LQD
Jest jednak możliwe opracowanie algorytmu posiadającego
zalety wcześniej wskazanych rozwiązań:
izolację przepływów (LQD)
losowe wybieranie kolejki (spośród najdłuższych) (DRDN)
niską złożoność obliczeniową (ALQD)
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie
15 październikaa 2012 r.
22 / 23
Dziękuję za uwagę!
Pytania?
http://kt.agh.edu.pl/∼jdomzal/QoS/wyklad 5.pdf
dr inż. Jerzy Domżał (AGH)
Gwarantowanie jakości obsługi w Internecie
15 październikaa 2012 r.
23 / 23