Исследование влияния параметров канала передачи данных на процедуры управления очередью

Исследование влияния параметров канала передачи данных на процедуры управления очередью

Ключевые слова: активное управление очередями, предотвращение перегрузок, нечёткая логика, FLC, имитационное моделирование, NS-2, TCP/IP

При подключении сетей доступа к транспортной сети неизбежно возникают перегрузки в общем канале из-за ограниченности доступной полосы пропускания и постоянного роста потребностей в скорости доступа к содержимому сети. В данной работе исследуется влияние изменения параметров канала передачи данных, таких как пропускная способность и задержка передачи пакета на работу метода управления очередью маршрутизатора доступа. В качестве механизма управления очередью рассматривается активное управление на основе нечёткой логики (Fuzzy Logic Controller, FLC) совместно с протоколом явного уведомления о перегрузке (Explicit Congestion Notification, ECN). Фрагмент сети TCP/IP моделируется в программном комплексе NS-2 в момент перегрузки канала между двумя маршрутизаторами. Работа метода управления очередью оценивается с помощью таких параметров качества, как процент потерянных пакетов, коэффициент использования канала, средняя задержка обслуживания и вариация задержек. Проведённый анализ результатов моделирования дает возможность определить зависимости параметров качества обслуживания от параметров канала применительно к рассматриваемому методу обслуживания.

Деарт В.Ю.,

кт.н, доцент, кафедра Автоматической Электросвязи МТУСИ, vdearl@mail.ru

Масленников А.Г.,

соискатель, кафедра Автоматической Электросвязи МТУСИ, amasl2048@gmail.com

Введение

Предметом данного исследования является маршрутизатор, одна из задач которого - предотвращение перегрузок в канале. Только маршрутизатор с непосредственно подключённым каналом передачи данных обладает необходимой информацией о возникновении перегрузки в канате или о состоянии близком к ней. Маршрутизатор должен оценить текущую степень загруженности выходной очереди и текущий рост или спад интенсивности нагрузки, и сообщить TCP передатчикам о необходимости снижения окна перегрузки. Для явного уведомления о перегрузке, путём соответствующей маркировки проходящих пакетов, используется протокол ECN (Explicit Congestion Notification), описанный в документе RFC-3168 [1]. Если отсутствует поддержка ECN или передаётся неуправляемый трафик UDP, то при угрозе перегрузки вместо маркировки пакеты могут сбрасываться в случайном порядке. В противном случае, переполнение очереди ведет к множественным потерям пакетов, к явлению синхронизации TCP сессий и периодическим чередованиям моментов переполнения и опустошения буфера маршрутизатора. Опустошение очереди тоже нежелательное явление, так как ухудшает такой параметр качества как коэффициент использования канала.

В условиях конкуренции за полосу пропускания большого числа одновременных TCP сессий, принадлежащих разным приложениям с различным поведением (например, короткие по времени HTTP/web соединения и продолжительные FTP соединения), на входе агрегирующего порта маршрутизатора возникает трафик со сложной нелинейной динамикой. Мы рассматриваем случай, когда конкурирующие соединения имеют одинаковый класс обслуживания и попадают в одну очередь. В современных маршрутизаторах наиболее распространены методы активного управления очередями основанные на механизме Random Early Detection (RED) [2].

Механизм RED контролирует взвешенное значение скользящей средней длины очереди и поэтому допускает скачки мгновенного значения длины очереди. Также этот механизм использует линейный закон изменения вероятности сброса/маркировки пакетов, что при нелинейном изменении интенсивности трафика будет приводить к неэффективному управлению очередью.

Для управления системами с нелинейной динамикой хорошо себя зарекомендовали регуляторы основанные на нечёткой логике [5]. В таких системах обычно доступна качественная информация о состоянии системы (например, относительная скорость входящего трафика и степень заполненности выходной очереди), но не известны законы его изменения, либо их очень сложно описать. По качественным оценкам данных о состоянии системы можно сформулировать набор правил для регулирования длины очереди. То есть, например, при высокой загруженности очереди в сочетании с высокой входной интенсивностью трафика, для сокращения текущей длины очереди, следует значительно увеличивать вероятность сброса/маркировки пакетов.

В статье [3] проведено сравнение между собой различных методов активного управления очередями при фиксированных нарамеграх канала. В настоящем исследовании моделируется работа разработанного нами метода управления очередью на базе нечёткого регулятора при различных параметрах канала с перегрузкой, таких как доступная полоса пропускания и задержка передачи пакетов в канале.

l/Qlim —

q error —---------

1/LinkRate

FLC

d Pdro

> x Pmax

3drop

Sum

Очередь

Скорость поступления пакетов

Q

Длина очереди

Рис. 1. Структура модуля управления очередью

1. Модуль управления очередью

Для имитационного моделирования использовался программный комплекс Network Simulator-2 (NS-2) [6]. В программу был добавлен новый модуль, написанный на языке программирования C++, и система откомпилирована с новым модулем. Новый модуль реализует активный метод управления очередью на базе нечёткого регулятора [3] и имеет следующую структуру показанную на рис. 1.

Программный модуль измеряет текущую длину очереди Q(t) и вычисляет величину ошибки Qerror - разницу между текущим значением и заданным Qref. Значение ошибки нормируется максимальным значением размера очереди Qlim и поступает на первый вход контроллера FLC. Нормированное значение ошибки q_error принимает значения в диапазоне от -1 до I. Второй измеренный параметр — скорость поступления пакетов в очередь, также нормируется максимальной скоростью LinkRate и поступает на второй вход регулятора rate (рис. 2).

q_error rate " і і

d_Pdrop

Нечеткость

Нечеткий вывод

Приведение к четкости

Набор правил

Рис. 2. Структура нечёткого регулятора

Две указанные входные переменные q_error и rate, а также соответствующий набор правил, использующий экспертные оценки, являются данными, на основе которых контроллер FLC принимает решения об изменении текущего значения приращения вероятности сброса/маркировки пакета d Pdrop. Для входных переменных вычисляются значения функций принадлежности //, т.е. степени уверенности в том, что входная переменная принадлежит выбранному нечёткому множеству (например, нечёткому множеству “Большое”, “Малое” и “Среднее”). Функции принадлежности выбираются так, чтобы сумма значений всех функции от входной переменной равнялась единице. Для простоты расчётов использовались треугольные и трапециевидные функции. Одним из ши-

роко распространённых алгоритмов нечёткого вывода является алгоритм Мамдани (Mamdani). В соответствии с этим алгоритмом вначале вычисляются значения истинности предпосылок для каждого правила (над множествами выполняется операция minimum). Все нечёткие множества, полученные из правил, объединяются вместе и формируется единственное нечёткое множество С (операция maximum). Приведение к чёткости, то есть вычисление “чёткого” значения выходной переменной, выполняется с помощью дискретного метода центра тяжести:

Р = —

drop

где У> — дискретное множество значение выходной

переменной, т - количество значений, a t*c — функция принадлежности агрегированного множества С.

Регулятор с частотой выборки Sampl вычисляет новое нормированное значение изменения вероятности сброса d Pdrop, которое далее умножается на константу Ртах — максимальное значение изменения вероятности сброса пакета за интервал времени Sampl. Блок сумматора Sum осуществляет приращение текущей вероятности сброса (или маркировки) Pdrop, которое далее применяется для управления очередью.

2. Имитационное моделирование

Для оценки параметров качества при работе механизма управления очередью в программном комплексе NS-2 было проведено моделирование перегрузки в канале между двумя маршрутизаторами. Скорость в канале для разных экспериментов принимала следующие значения: 10, 20, 35, 50 Мбит/с, а задержка в канале соответствовала 5, 10, 20, 50, 100 мс. То есть всего было проведено 20 экспериментов длительностью по 600 с модельного времени каждый. Через перегруженный канал передавался пакетами по 1000 байт муль-тисервисный трафик 3-х типов: продолжительные по времени TCP сессии (создавались 100 одновременными FTP приложениями), короткие по времени TCP сессии (создавались HTTP приложениями с интенсивностью 50 новых соединений в секунду) и неуправляемый UDP трафик с постоянной скоростью 128 кбит/с полный дуплекс (рис. 3).

- процент потерянных пакетов и среднее значение вариации задержек пакетов уменьшаются с ростом полосы пропускания по квадратичному закону.

Механизм управления очередью на основе регулятора с нечеткой логикой может эффективно удерживать длину очереди около заданного значения в условиях сложного трафика с нелинейной динамикой. Работа механизма в сочетании с явным уведомлением о перегрузке позволяет минимизировать потери длительных ТСР соединений.

В дальнейшей работе планируется реализация разработанного механизма управления очередями на базе Ыпих маршрутизатора с открытым исходным кодом, что даст возможность проверить работу механизма на реальной сети связи.

Литература

1. Ramakrishnan К., Floyd S., Black D. The Addition of Explicit Congestion Notification (ECN) to IP, RFC-3168, Sep. 2001.

2. Floyd S., and Jacobson V. Random Early Detection gateways for Congestion Avoidance, IEEE/ACM Transactions on Networking, Vol. I N.4, August 1993, P. 397-413.

3. Кучерявый E.A. Управление трафиком и качество обслуживания в сети Интернет. - СПб., Наука и Техника, 2004. - 336 с.

4. Масленников А.Г. Методы активного управления очередями маршрутизаторов - Вычислительные сети. Теория и практика / Network-Journal. Theory and practice, No.2 (19) 2011. http://network-journal.mpei.ac.ru.

5. Chrysostomou C., Pitsillidcs A., Sckercioglu Y.A. Fuzzy explicit marking: A unified congestion controller for Best-Effort and Diff-Serv networks. Computer Networks 53 (2009), P. 650-667.

6. The Network Simulator, NS-2, http://www.isi.edu/nsnam/ns.

INVERSTIGATION OF DATA TRANSMISSON CHANNEL PARAMERTS INFLUENCE TO QUEUE DISCIPLINE PROCESSING

Deart V., MTUCI, vdearl@mail.ru Maslennikov A., MTUCI, amasl2048@gmail.com

Abstract: Traffic congestion occurs inevitably in aggregated data transmission channel when access networks connect to transport network due lo a lack of bandwidth and continuously customer requirements growth in transmission rate to network content. In this article is investigated influence of data transmission channel parameters, as an available bandwidth and packet transmission delay, to queue discipline processing in access router. Fuzzy logic controller (FLC) is considered as an active queue management discipline processing with explicit congestion notification (ECN). Congestion is simulated in a channel between two routers in Network simulator-2 (NS-2) software. Queue discipline action estimated by calculation quality of service indicators: packets loss, average packet delay and packet delay variation. Statistical analysis of simulation result gave possibility to define dependence between quality of service indicators and data transmission channel parameters applicable to considered queue discipline.

Key words: active queue management, congestion avoidance, fuzzy logic, FLC, network simulator, NS-2, TCP/IF!