Эффективность методов управления очередями в маршрутизаторах: сравнение и анализ

УДК 631.518.22 БАТЫР С.С.

Эффективность методов управления очередями в маршрутизаторах: сравнение и анализ

Введение

Основной задачей «активного управления очередью» (с англ. active queue management - AQM) является повышение пропускной способности с помощью регулирования длины очереди для избежания ее переполнения или опустошения. Предупреждение перегрузки уменьшает количество переотправляемых из-за потерь пакетов. Недопущение полного опустошения очереди уменьшает время простоя канала связи. Синхронизация источников ведет к резким перепадам нагрузки на участок сети и относится к негативным явлениям.

Дополнительно AQM устраняет эффект синхронизации источников из-за одновременных потерь в нескольких потоках данных.

На сегодняшний день разработано порядка десятка различных методов управления очередью. Однако большая часть из них требуют настройки под параметры поступающего в очередь потока данных. Неправильная настройка ведет к избыточным потерям и уменьшению реальной пропускной способности маршрутизатора.

Поэтому системные администраторы зачастую отключают управление очередью, оставляя борьбу с перегрузкой про-тивоперегрузочным алгоритмам передатчиков. Эта мера снижает эффективность работы машрутизатора как устройства для управления потоком данных в сети, но снижает требования к его производительности, а, следовательно, к стоимости.

Цель работы

Определение путей сравнения эффективности работы методов управления очередями маршрутизаторов.

Постановка задачи

Нахождение средств оценки эффективности работы методов и анализа возможности сравнения их показателей.

Методы управления очередью

Управление очередью сводится к контролю её размера. Более детально действия системы можно описать следующим образом: при прибытии пакета по линии связи маршрутизатор определяет его условный вес, соответствующий вероятности его отбрасывания, и на основе этого значения принимает решение поместить его в буфер на обработку/пересылку либо отбросить.

К наиболее распространенным относят следующие: метод «отсечения хвоста» (Drop Tail -- DT), метод случайного раннего обнаружения (Random Early Detection -- RED). В исследованиях [1] и

[2] также заявляют о эффективной работе методов BLUE и «PI controller». Рассмотрим их детальнее.

Метод «отсечения хвоста» Drop-Tail крайне прост и работает следующим образом: если пакет в буфер можно поместить - он добавляется, нет - отбрасывается. По сути, Drop-Tail представляет собой простейший релейный регулятор.

Применение релейного регулятора может вызывать колебательные процессы

в системе, что и наблюдается на практике.

Математически метод можно описать выражением (1), где q(k) - текущая длина очереди, qmax - максимальная длина очереди, p(k) - вес поступившего пакета.

Его работа при низкой нагрузке на канал доступа не оказывает воздействия, так как очередь не переполняется. Однако при повышении нагрузки начи-наются колебания длины очереди. Пример негативных эфффектов от работы метода DT приведен на рис. 2.а). Основная причина -нарастающая синхронизация источников из-за одновременныъ потерь при переполнении очереди.

Для борьбы с синхронизацией и наступлением состояния перегрузки очереди был предложен метод случайного раннего обнаружения RED.

Идея метода заключалась в том, чтобы по средней длине очереди определять уровень вероятности наступления состояния перегрузки и принимать меры по её предотвращению. Фильтрация коротких импульсов нагрузки позволила бы отсечь ложные срабатывания, а схема случайного выбора источников, пакеты от которых будут сброшены, ведет к дополнительной рассинхронизации источников

0, для q(k) < q

и более равномерному распределению потерь источников.

Математически метод RED можно описать выражениями (2) и (3). Представляет собой пропорциональный усилитель с зоной нечувствительности и насыщением, дополнительно вносится коррекция для защиты от последовательного сброса пакетов.

Метод BLUE[2] был разработан как альтернатива метода RED. Использует в качестве входной информации интенсивность потерь пакетов и утилизацию выходного канала.

Если очередь продолжительное время сбрасывает пакеты из-за переполнения, то метод увеличивает вероятность

сброса/маркирования пакета Pm с шагом

d1, что ведет к увеличению интенсивности сброса пакетов при постановке и уменьшению загрузки очереди.

И наоборот, если канал связи простаивает, метод BLUE уменьшает вероятность сброса/маркирования с шагом d2. Это позволяет найти наиболее эффективное значение Pm при стабильном потоке данных.

Pb (k) =

p(q(k )) =

0,

q(t) - thm

th max - thm 1,

1, для q(k)> qm

P m

PRED

для 0 £ q(k)< thmn

x, для thmin < q(k)£ thm

длЯ thmax < q

Pb

fairioSt (x) =

Ex-

i=1

n

E2

i=1

max

2

Для решения проблемы долгой реакции метода RED в работе [3] было предложено использовать пропорцио-нально-интеграль-ный регулятор. Метод назвали «PI controller». Синтез ПИ-регулятор производится на базе нелинейной гидродинамической модели потоков данных на участке сети.

Регулятор должен стабилизировать длину очереди маршрутизатора на заданной величине q0. Воздействие на очередь производится аналогично методу RED путем изменения веса маркировки/отбрасывания пакета p. Регулятор на основе сигнала рассогласования 5q формирует управляющее воздействие p .

Для внедрения в эксплуатацию была предложена стандартная дискретная реализация ПИ-регулятора. Частота дискретизации fs устанавливается при настройке регулятора. Реализация регулятора в виде разностного уравнения, если t = kT

при Т = И/,, представлена выражением

(4).

В работе [4] для управления постановкой пакетов в очередь было предложено использовать ПИ-регулятор. Синтез регулятора проводится на базе эмпирической математической модели, приведенной там же. Модель учитывает возмущения от изменяющегося количества источников ё, распределения потерь генератором случайных чисел ю и минимального времени оборота кадров Тятт-тт.

Для компенсации возмущений от изменяющегося количества работающих источников введен Би22у-классификатор состояний, который проводит коррекцию параметров регулятора для повышения качества его работы.

Структурная схема предложенной системы управления приведена на рис.1.

Для оценки качества работы методов управления очередью было проведено моделирование в пакете ш2.

Рис. 1. Структурная схема САУ постановкой пакетов в очередь с Fuzzy классификатором

2 4 6 S 10

13ромя моделирования l,c

а) метод Drop-Tail

о а

4

100

GO

.лJ Uм ш 'М

а л б s

Ври им моделирования tjC

б) метод RED

1С

200

1 00

50

200

100

В

ч

гх. "Л j ^ ЛV

1 W Y

2 4 G S

Время моделирования t,:

10

2 4 С

Время моделирования t,c

10

в) метод PI г) метод PI c Fuzzy классификатором

Рис. 2. Моделирование методов управления

Собрана информация о передаче/сбросе пакетов и состоянии очереди маршрутизатора.

Графики текущей длины очереди для различных методов приведены на рис.2.

Метрики оценки эффективности методов управления

Для определения уровня качества работы методов AQM был выбраны ряд показателей [5], по которым можно их сравнивать. Для анализа используются следующие метрики:

- Задержка пакета в очереди (пропорциональна длине очереди);

- Вариация задержки;

- Пропускная способность (эффективная);

- Уровень потерь пакетов;

- Утилизация канала связи;

- Справедливость распределения пропускной способности и потерь между потоками;

- Робастность к изменениям окружения.

К основным относят задержку и ее вариацию, эффективную пропускную способность и справедливость распределения потерь. Задержка пакета в очереди - это время стояния пакета в очереди. Часто вместо задержки используют саму длину очереди. Длина очереди д(/) ( ц(к) ) -- это мгновенный показатель, поэтому для

сравнения за интервал времени [t0;tj ( [k0; kj) берут его среднее значение и вариацию.

Пропускная способность может измеряться для каждого потока данных c

либо берется среднее значение и его вариация для всех потоков через маршрутизатор.

Уровень потерь пакетов pdrop может

оцениваться как для каждого потока данных, так и для участка сети в целом.

Справедливость распределения пропускной способности fairc и потерь

fairlost между потоками крайне важные критерии при распределении ресурсов канала связи. В работе [6] предложено производить оценку справедливости распределения ресурса x как индекс по формуле (5). Под справедливым распределением потерь fairlost имеется в виду их равномерное распределение между источниками. Соответственно, значение индекса должно стремиться к 1.

Сравнительный анализ эффективности

Для проведения сравнения методов вычислим значения метрик и сведем в общую таблицу 1.

Проведем сравнительный анализ, приняв за базовый уровень метрики метода DT.

По метрикам очереди BLUE и PI

мало отличаются от DT, RED обеспечил среднюю очередь на 90% ниже, PI-Fuzzy удержал на уровне, недалеко от заданных 100 пакетов.

По пропускной способности: методы BLUE и PI-Fuzzy обеспечили на 15% больше, чем остальные.

По потерям: Потери метода RED в 3,5 раза выше базовых, распределены неравномерно между источниками. Потери других методов выше в 2-2,5 раза, меньше остальных - у метода BLUE.

По справедливости потерь: наилучшие результаты обеспечили методы DT и PI-Fuzzy, худший - RED.

Список литературы

1. Floyd, S. Random Early Detection Gateways for Congestion Avoidance/ S. Floyd, V. Jacobson - IEEE/ACM Transactions on Networking, August 1993.

2. Wu-chang Feng; Dilip D. Kandlur; Debanjan Saha; Kang G. Shin (April 1999), "BLUE: A New Class of Active Queue Management Algorithms", U. Michigan CS TR (CSE-TR-387-99) - 2010-12-22 - Адрес доступа: www.eecs.umich /edu/techreports/cse/99/CSE-TR-387-99.pdf

- Время доступа: январь 2013 г.

3. Deniz Ustebay, Hitay Ozbay, Nazli Gundes.A new PI and PID control design method for integrating systems with time delays. - In Proceedings of the 6th WSEAS IS-PRA'07, USA, - 2007 - Адрес доступа: www.ece.ucdavis.edu

/~gundes/ALLPUBS/pub82.pdf - Время

Выводы

Полученные результаты показали, что используемые методы могут быть усовершенствованы, что повысит качество обслуживания в сетях TCP/IP. Использование метода с учетом загрузки канала и состояния очереди позволит почти на 15% повысить среднюю пропускную способность и на 20-25% снизить потери.

Реализация продвинутых методов управления за счет адаптивности можно снизить нагрузку на системных администраторов.

Таблица 1

доступа: январь 2013 г.

4. Батыр С.С., Хорхордин А.В. Построение модели сети передачи данных для исследования технологии AQM // Сборник научных трудов ДонИЖТ Вы-пуск:28 .- Донецк, 2011 С.108-116

5. Floyd S. Request for Comments: 5166 Metrics for the Evaluation of Congestion Control Mechanisms / S. Floyd, Ed. -March, 2008. - Адрес доступа: http://tools.ietf.org/rfc/rfc5166.txt - Время доступа: январь 2013 г.

6. R. Jain, D M. Chiu, and W. Hawe, A Quantitative Measure of Fairness and Discrimination for Resource Allocation in Shared Systems, DEC TR-301, Littleton, MA: DEC, 1984. - Адрес доступа: www1.cse.wustl.edu/~jain/papers/ftp/fairness .pdf - Время доступа: январь 2013 г.

Значения метрик для методов управления

Метрика Метод регулирования

DT RED BLUE PI PI Fuzzy

q 159,63 16,23 163,42 169,33 99,63

0q 41,73 14,94 27,63 39,21 9,47

X 1077,07 1071,07 1249,07 1077,07 1185,83

Оу 38,02 39,97 75,63 65,28 35,17

pdrop 17,06 66,86 33,90 47,52 37,42

Gpdrop 1,60 12,64 3,43 2,84 1,37

fairdrop 0,9915 0,9662 0,9662 0,9763 0,9905

Аннотации:

Ключевые слова: управление очередью, маршрутизатор, регулятор, метрика, потери, пропускная способность, моделирование

Сделан обзор существующих и перспективных методов управления очередями маршрутизатора. Проведено моделирование участка сети и рассчитаны метрики методов. Проведен сравнительный анализ полученных результатов.

Ключовi слова: управлшня чергою, маршрутизатор, регулятор, метрика, втрати, пропуск-

на здатшсть, моделювання

Зроблено огляд юнуючих i перспективних методiв управлшня чергами маршрутизатора. Проведено моделювання д!лянки мереж i розраховаш метрики метод!в. Проведено пор!вняльний анал!з отриманих результапв.

Keywords: queue management, router, control, metrics, loss, throughput, simulation

A review of current and future queue management for router. Part of the network were modeled and calculated metric methods. A comparative analysis of the results was made.