Προσαρμοστικός έλεγχος συμφόρησης και δικαιοσύνης σε δίκτυα υπολογιστών
Authors: Χούμκοζλης Χρήστος 
Published: January 2014

Η επέκταση και η αύξηση της κυκλοφορίας του Διαδικτύου, έχουν καθιερώσει τον έλεγχο συμφόρησης ως ιδιαίτερα σημαντική μονάδα της σχεδίασης της λειτουργίας των δικτύων. Οι μηχανισμοί ελέγχου συμφόρησης, αποτελούνται από έναν αλγόριθμο ελέγχου, ο οποίος εκτελείται στην πηγή και προσαρμόζει δυναμικά τον ρυθμό μετάδοσης και έναν αλγόριθμο που εκτελείται στην σύνδεση και ενημερώνει μια μέτρηση της συμφόρησής της και την οποία στέλνει στις πηγές που την χρησιμοποιούν. Για την επίλυση του προβλήματος της συμφόρησης, αρχικά προτάθηκε το Reno που προσαρμόζει τον ρυθμό της πηγής σύμφωνα με την πιθανότητα απώλειας πακέτου. Προσομοιώσεις έχουν δείξει ότι είναι ακατάλληλο για δίκτυα με μεγάλο εύρος ζώνης. Η έρευνα για την θεωρητική κατανόηση του ελέγχου συμφόρησης στο TCP, οδήγησε στην ανάπτυξη δυικών αλγορίθμων, η ανάλυση των οποίων βασίζεται σε τεχνικές βελτιστοποίησης. Η εισαγωγή νέων τύπων υπηρεσιών Διαδικτύου που απαιτούν αυστηρά κριτήρια ποιότητας, συνεπάγεται την ύπαρξη αλγορίθμων ελέγχου ικανών να ρυθμίσουν τον χρόνο πλήρους περιφοράς πακέτου, αποφεύγοντας είτε υπερχειλισμένες είτε κενές ουρές αναμονής, ενώ εξασφαλίζουν την δικαιοσύνη μεταξύ των πηγών. Οι θεωρητικές προσεγγίσεις ελέγχου, οδήγησαν σε ελεγκτές συμφόρησης που εφαρμόζονται στις συνδέσεις, οι οποίοι όπως έχει αποδειχθεί παρουσιάζουν τοπική ευστάθεια γύρω από το σημείο ισορροπίας. Δεδομένου ότι εκτελούνται στις συνδέσεις, ο συνολικός αριθμός των υπολογισμών που εκτελούνται για τον έλεγχο της κυκλοφοριακής συμφόρησης, πρέπει να περιοριστεί στο ελάχιστο. Η λογική υπόθεση ότι οι αλγόριθμοι σύνδεσης δεν είναι διαθέσιμοι στον σχεδιαστή, οδήγησε εναλλακτικά στο σχεδιασμό ελεγκτών συμφόρησης πηγής. Ωστόσο, πριν από την εφαρμογή πρέπει να διευθετηθούν: 1) να σχεδιαστεί ένα μοντέλο της ελεγχόμενης διεργασίας, διαφορετικά είναι αδύνατη η ανάλυση ευστάθειας για μεγάλες μεταβολές, 2) ο καθορισμός μιας επιθυμητής αλλά και εφικτής απόδοσης του συστήματος δεν είναι μια απλή διαδικασία, λόγω της υψηλής αβεβαιότητας και δυναμικής φύσης του Διαδικτύου, 3) το ελεγχόμενο σύστημα δεν πρέπει να είναι μόνο ευσταθές, αλλά εύρωστα ευσταθές αναφορικά με ατέλειες της μοντελοποίησης, εξωγενείς διαταραχές και χρονικές καθυστερήσεις, 4) η έξοδος οποιουδήποτε προτεινόμενου σχήματος ελέγχου πρέπει να κινείται εντός αυστηρά προκαθορισμένων ορίων. Ο σχεδιασμός ελεγκτών συμφόρησης που λειτουργούν στην πηγή, δεν υπόκειται σε κανένα περιορισμό διατήρησης απλότητας. Το προσαρμοστικό σύστημα ελέγχου που προτείνει η διατριβή, αντιμετωπίζει και τα τέσσερα προαναφερθέντα βασικά ερωτήματα. Η δομή του αποτελείται από τέσσερις μονάδες: 1) εκτιμητή του επιθυμητού χρόνου πλήρους περιφοράς πακέτου, ο κύριος στόχος του οποίου είναι η παραγωγή αξιόπιστων και σταθερών κατά διαστήματα προβλέψεων του εφικτού χρόνου πλήρους περιφοράς πακέτου, 2) προσαρμοστικό ελεγκτή του ρυθμού μετάδοσης, με την έξοδό του να κινείται εντός αυστηρά προκαθορισμένων ορίων, ικανού να εξασφαλίσει ότι ο χρόνος πλήρους περιφοράς πακέτου κινείται σε μια μικρή γειτονιά του σήματος αναφοράς, που παρέχεται από την πρώτη μονάδα, 3) προσαρμοστικό ελεγκτή του αριθμού των καναλιών, με την έξοδό του να κινείται εντός αυστηρά προκαθορισμένων ορίων, ικανού να εξασφαλίσει δικαιοσύνη στο διαμοιρασμό των πόρων του δικτύου μεταξύ των ανταγωνιστικών πηγών στο σημείο ισορροπίας, 4) εκτιμητή του μελλοντικού επιπέδου συμφόρησης της διαδρομής. Η εισαγωγή των καναλιών επικοινωνίας γίνεται με στόχο την βελτίωση της ρυθμοαπόδοσης του δικτύου. Επιπλέον, το σύστημα επιτυγχάνει αρκετά μικρές ουρές αναμονής στο σημείο ισορροπίας, ώστε να αποφευχθούν μεγάλες καθυστερήσεις και καταστάσεις κατάρρευσης, αλλά και μη μηδενικές ώστε να αποφευχθεί η υπολειτουργία του δικτύου.