251 γραμμές
17 KiB
Markdown
251 γραμμές
17 KiB
Markdown
|
+++
|
|||
|
|
title = 'Traffic Shaping - Queueing algorithms'
|
|||
|
|
date = ''
|
|||
|
|
description = ''
|
|||
|
|
author = 'Στέφανος Χαρχαλάκης'
|
|||
|
|
issue = ['Magaz 32']
|
|||
|
|
issue_weight = 4
|
|||
|
|
+++
|
|||
|
|
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
|
|||
|
|
|
|||
|
|
*Μία σύντομη εισαγωγή σε queueing algorithmsς και της εφαρμογής τους σε δίκτυα υπολογιστών.*
|
|||
|
|
|
|||
|
|
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
|
|||
|
|
|
|||
|
|
**1. FIFO**
|
|||
|
|
-------------------------------------
|
|||
|
|
|
|||
|
|
- [1.1 Γενικά](#ss1.1)
|
|||
|
|
- [1.2 Λειτουργία](#ss1.2)
|
|||
|
|
- [1.3 pfifo\_fast](#ss1.3)
|
|||
|
|
- [1.4 Πλεονεκτήματα/Μειονεκτήματα](#ss1.4)
|
|||
|
|
|
|||
|
|
**2. Stochastic Fairness Queueing (SFQ)**
|
|||
|
|
-------------------------------------------------------------------
|
|||
|
|
|
|||
|
|
- [2.1 Γενικά](#ss2.1)
|
|||
|
|
- [2.2 Λειτουργία](#ss2.2)
|
|||
|
|
|
|||
|
|
**3. Random Early Detection (RED)**
|
|||
|
|
-------------------------------------------------------------
|
|||
|
|
|
|||
|
|
- [3.1 Γενικά](#ss3.1)
|
|||
|
|
- [3.2 Λειτουργία](#ss3.2)
|
|||
|
|
|
|||
|
|
**4. Αναφορές:**
|
|||
|
|
------------------------------------------
|
|||
|
|
|
|||
|
|
|
|||
|
|
### [1. FIFO]{#s1}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
### [1.1 Γενικά]{#ss1.1}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Ο αλγόριθμος FIFO είναι ο ποιο απλός απ\' όσους μπορούν να εφαρμοστούν για την διαχείριση της ουράς σε έναν network interface. Είναι ιδιαίτερα απλός και συνήθως
|
|||
|
|
αποτελεί την default αντιμετώπιση.
|
|||
|
|
|
|||
|
|
### [1.2 Λειτουργία]{#ss1.2}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Η λειτουργία του βασίζεται στα εξής χαρακτηριστικά:
|
|||
|
|
|
|||
|
|
- Υπάρχει μία ουρά με σταθερό μέγεθος σε bytes ή πακέτα.
|
|||
|
|
- Όσο η ουρά δεν είναι γεμάτη, κάθε πακέτο που έρχεται τοποθετείται στο τέλος της ουράς.
|
|||
|
|
- Όταν πρόκειται να σταλεί ένα πακέτο στο δίκτυο, επιλέγεται το πρώτο από την ουρά.
|
|||
|
|
- Όταν η ουρά είναι γεμάτη, κάθε πακέτο που έρχεται απορρίπτεται. Ο τρόπος αυτός ονομάζεται tail-drop.
|
|||
|
|
|
|||
|
|
### [1.3 pfifo\_fast]{#ss1.3}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Ο pfifo\_fast αποτελεί μια παραλλαγή του FIFO. Ακολουθεί την ίδια λογική, αλλά χωρίζει την ουρά σε τρία bands. Στη συνέχεια, κάθε πακέτο που έρχεται
|
|||
|
|
τοποθετείται σε ένα από τα τρία bands, ανάλογα με την τιμή του TOS πεδίου. Το πεδίο αυτό έχει μέγεθος 4 bits, κάθε ένα από τα οποία έχει και άλλη σημασία:
|
|||
|
|
|
|||
|
|
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
|
|||
|
|
\
|
|||
|
|
|
|||
|
|
|
|||
|
|
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Η ταξινόμηση των πακέτων σε κάθε ένα από τα τρία bands γίνεται όπως φαίνεται στον πίνακα.
|
|||
|
|
|
|||
|
|
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
|
|||
|
|
\
|
|||
|
|
|
|||
|
|
|
|||
|
|
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Ποτέ δεν στέλνεται πακέτο από την band 1 όταν υπάρχει κάποιο στη band 0, ούτε από την band 2 όταν υπάρχει κάποιο στη band 1.
|
|||
|
|
|
|||
|
|
### [1.4 Πλεονεκτήματα/Μειονεκτήματα]{#ss1.4}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Το μόνο πλεονέκτημα του αλγόριθμου είναι η ταχύτητά και η απλότητά του. Στην πράξη δεν έχει καλά αποτελέσματα όταν υπάρχει συμφόρηση σε κάποια γραμμή, αλλά
|
|||
|
|
χρησιμοποιείται με επιτυχία σε γρήγορα interfaces όπου δεν παρατηρείται συμφόρηση.
|
|||
|
|
|
|||
|
|
|
|||
|
|
### [2. Stochastic Fairness Queueing (SFQ)]{#s2}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
### [2.1 Γενικά]{#ss2.1}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Ο αλγόριθμος SFQ προσπαθεί να λύσει το πρόβλημα που δημιουργεί ο FIFO όταν κάποιο μηχάνημα του δικτύου προκαλεί υπερβολική κίνηση. Απευθύνεται κυρίως σε μικρά
|
|||
|
|
τοπικά δίκτυα για τα σημεία όπου υπάρχει συμφόρηση.
|
|||
|
|
|
|||
|
|
### [2.2 Λειτουργία]{#ss2.2}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Ο SFQ δημιουργεί πολλά slots του ενός πακέτου, στα οποία ταξινομεί τα πακέτα και στη συνέχεια επιλέγει το επόμενο από αυτά που θα σταλεί στο δίκτυο με κυκλικό
|
|||
|
|
(Round-Robin) τρόπο. Πιο συγκεκριμένα:
|
|||
|
|
|
|||
|
|
- Δημιουργεί 128 διαφορετικά slots του ενός πακέτου.
|
|||
|
|
- Κάθε πακέτο το οποίο έρχεται κατευθύνεται ένα από αυτά.
|
|||
|
|
- Αν το slot είναι κατειλημμένο τότε το πακέτο απορρίπτεται, αλλιώς τοποθετείται μέσα σε αυτό.
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Στη συνέχεια, όταν πρόκειται να δρομολογήσει ένα πακέτο στο δίκτυο, παίρνει το πρώτο που υπάρχει στην \`\`επόμενη\'\' ουρά.
|
|||
|
|
|
|||
|
|
#### Hashing
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Η τοποθέτηση του κάθε πακέτου σε κάθε ένα από τα 128 slots γίνεται με την βοήθεια ενός αλγόριθμου hashing. Για τον υπολογισμού του hash key λαμβάνονται υπόψη:
|
|||
|
|
|
|||
|
|
**Για IPv4 πακέτα:**
|
|||
|
|
|
|||
|
|
: Η source IP address, η destination IP address και το πρωτόκολλο (TCP,UDP, \...).
|
|||
|
|
|
|||
|
|
**Για IPv6 πακέτα:**
|
|||
|
|
|
|||
|
|
: Η source IP address, η destination IP address και η τιμή ενός εσωτερικού pointer.
|
|||
|
|
|
|||
|
|
**Για τα υπόλοιπα:**
|
|||
|
|
|
|||
|
|
: Οι τιμές τριών εσωτερικών pointers.
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Επίσης χρησιμοποιείται και ένας τυχαίος αριθμός ο οποίος προέρχεται από το δίκτυο και ο οποίος αλλάζει κάθε 10 δευτερόλεπτα \-- το χρονικό διάστημα ονομάζεται
|
|||
|
|
perturb \-- και είναι παραμετροποιήσιμο.
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Ο σκοπός του hashing είναι να αναγνωρίζει flows και να τα διαχωρίζει, δίνοντας ίσες ευκαιρίες στους χρήστες του δικτύου, ακόμα και αν κάποιος δημιουργεί
|
|||
|
|
υπερβολική κίνηση. Λόγω του ότι τα hash keys δεν είναι μοναδικά, χρησιμοποιείται ο τυχαίος αριθμός που αναφέρθηκε, ο οποίος ουσιαστικά μεταβάλει τον αλγόριθμο
|
|||
|
|
κάθε 10 δευτερόλεπτα.
|
|||
|
|
|
|||
|
|
#### Αποστολή πακέτων
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Η επιλογή του επόμενου πακέτου προς αποστολή γίνεται με κυκλικό τρόπο (Round-Robin), επιλέγοντας ένα πακέτο από την επόμενη στοίβα κάθε φορά. Με τον τρόπο αυτό,
|
|||
|
|
τα flows τα οποία παρουσιάζουν κίνηση μπορούν να δημιουργήσουν 128 φορές μικρότερο πρόβλημα στο δίκτυο.
|
|||
|
|
|
|||
|
|
#### Παράδειγμα
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Ο τρόπος λειτουργίας του SFQ φαίνεται στο σχήμα. Τη στιγμή όπου η ουρά των 128 πακέτων είναι γεμάτη, ένα πακέτο έχει φύγει για το δίκτυο ελευθερώνοντας χώρο για
|
|||
|
|
ένα καινούριο το οποίο θα καταλάβει τη θέση του. Την ίδια στιγμή, ένα άλλο πακέτο θα απορριφθεί γιατί το slot για το οποίο προορίζονταν είναι κατειλημμένο.
|
|||
|
|
|
|||
|
|
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
|
|||
|
|
\
|
|||
|
|
|
|||
|
|
|
|||
|
|
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
|
|||
|
|
|
|||
|
|
#### Πλεονεκτήματα/Μειονεκτήματα
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Όπως αναφέρθηκε, ο SFQ προορίζεται για μικρά τοπικά δίκτυα όπου μπορεί να εξασφαλίσει την ομαλή λειτουργία. Έχει το πλεονέκτημα της ταχύτητας και της απλότητας,
|
|||
|
|
μιας και δεν απαιτεί ιδιαίτερους υπολογισμούς για τη λειτουργία του.
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Το πρόβλημά του είναι το μικρό μήκος ουράς (μόλις 128 πακέτα), το οποίο οδηγεί σε πολύ μεγάλο αριθμό χαμένων πακέτων. Κάτι τέτοιο είναι αποδεκτό και ίσως και
|
|||
|
|
επιθυμητό σε περιπτώσεις όπου ένα flow/slot αντιστοιχεί σε έναν μόνο υπολογιστή του τοπικού δικτύου, αλλά δημιουργεί προβλήματα σε μεγαλύτερα δίκτυα.
|
|||
|
|
|
|||
|
|
|
|||
|
|
### [3. Random Early Detection (RED)]{#s3}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
### [3.1 Γενικά]{#ss3.1}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Ο αλγόριθμος αυτός είναι μία άλλη αντιμετώπιση της FIFO ουράς. Σκοπός του είναι να μην αφήσει την FIFO ουρά να γεμίσει, απορρίπτοντας επιλεκτικά πακέτα όταν
|
|||
|
|
χρειάζεται.
|
|||
|
|
|
|||
|
|
### [3.2 Λειτουργία]{#ss3.2}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Η απόρριψη των πακέτων γίνεται στατιστικά, όταν το **μέσο** μέγεθος της ουράς ξεπεράσει κάποιο όριο.
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Ο αλγόριθμος δέχεται τις εξής παραμέτρους:
|
|||
|
|
|
|||
|
|
**Minimum queue length: (min\_q)**
|
|||
|
|
|
|||
|
|
: Το μέσο μέγεθος της ουράς το οποίο πρέπει να ξεπεραστεί πριν αρχίσει ο αλγόριθμος να εξετάζει πιθανή απόρριψη πακέτων.
|
|||
|
|
|
|||
|
|
**Maximum queue length: (max\_q)**
|
|||
|
|
|
|||
|
|
: Το μέσο μέγεθος της ουράς κάτω από το οποίο προσπαθεί να την κρατάει πάντα ο αλγόριθμος. Ονομάζεται και soft limit.
|
|||
|
|
|
|||
|
|
**Queue limit: (qlim)**
|
|||
|
|
|
|||
|
|
: Το απόλυτο μέγιστο μέγεθος της ουράς. Αν το φτάσει τότε ο αλγόριθμος μετατρέπεται σε FIFO. Ονομάζεται και hard limit.
|
|||
|
|
|
|||
|
|
**Average packet size: (avg\_p)**
|
|||
|
|
|
|||
|
|
: Το μέσο μέγεθος του κάθε πακέτου. Με βάση αυτό γίνεται ο υπολογισμός όλων των υπόλοιπων.
|
|||
|
|
|
|||
|
|
**Burst size: (burst)**
|
|||
|
|
|
|||
|
|
: Το μέγιστο επιτρεπόμενο μέγεθος των bursts , ώστε να μην απορρίπτονται πακέτα όταν δεν υπάρχει πραγματική συμφόρηση.
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Ο αλγόριθμος δεν αναγνωρίζει flows όπως κάποιοι άλλοι και στηρίζεται στην τυχαία επιλογή πακέτων. Η λειτουργία του βασίζεται στο μέσο μέγεθος της ουράς
|
|||
|
|
(avg\_q), το οποίο υπολογίζεται με την άφιξη κάθε νέου πακέτου σύμφωνα με τον τύπο:
|
|||
|
|
|
|||
|
|
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
|
|||
|
|
\
|
|||
|
|
|
|||
|
|
|
|||
|
|
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
|
|||
|
|
|
|||
|
|
όπου cql είναι το τρέχον μέγεθος της ουράς (current queue length), m είναι ο χρόνος κατά τον οποίο η ουρά δεν είναι άδεια και W είναι μία τιμή που υπολογίζεται
|
|||
|
|
ως συνάρτηση των burst, min\_q και avg\_p έτσι ώστε να ισχύει:
|
|||
|
|
|
|||
|
|
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
|
|||
|
|
\
|
|||
|
|
|
|||
|
|
|
|||
|
|
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Το W ονομάζεται και βάρος της ουράς (Queue Weight) και υποδηλώνει το κατά πόσο επηρεάζουν το avg\_q οι νέες τιμές της. Όσο μεγαλύτερο είναι το W, τόσο
|
|||
|
|
μεγαλύτερη σημασία έχουν προσωρινές αυξομειώσεις της ουράς \-- δηλώνει το κατά πόσο πρέπει να \`\`θυμάται\'\' ο αλγόριθμος τα παλαιότερα μεγέθη της ουράς.
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Η μεταχείριση του κάθε πακέτου μεταβάλλεται ανάλογα με το avg\_q:
|
|||
|
|
|
|||
|
|
- **avg\_p \< min\_q**
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Το πακέτο δεν επηρεάζεται.
|
|||
|
|
|
|||
|
|
- **min\_q \< avg\_q \< max\_q**
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Στο πακέτο αποδίδεται μια πιθανότητα p\_b:
|
|||
|
|
|
|||
|
|
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
|
|||
|
|
\
|
|||
|
|
|
|||
|
|
|
|||
|
|
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
|
|||
|
|
|
|||
|
|
όπου max\_p είναι η μέγιστη επιθυμητή τιμή του p\_b. Ταυτόχρονα υπάρχει ένας counter ο οποίος αυξάνεται με κάθε πακέτο όταν το avg\_q βρίσκεται σε αυτά τα
|
|||
|
|
όρια. Στη συνέχεια υπολογίζεται η πιθανότητα απόρριψης p\_a:
|
|||
|
|
|
|||
|
|
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
|
|||
|
|
\
|
|||
|
|
|
|||
|
|
|
|||
|
|
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Τέλος χρησιμοποιείται ένας τυχαίος αριθμός R, μεταξύ των 0 και 1, σύμφωνα με τον οποίο απορρίπτεται το πακέτο αν ο R είναι μικρότερος του p\_a.
|
|||
|
|
|
|||
|
|
- **avg\_q \> max\_q**
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Το πακέτο απορρίπτεται.
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Επειδή η απόρριψη των πακέτων γίνεται με στατιστικό τρόπο, τα flows τα οποία δημιουργούν μεγαλύτερη κίνηση έχουν περισσότερες πιθανότητες να χάσουν πακέτα μιας
|
|||
|
|
και στέλνουν δεδομένα ποιο συχνά στο δρομολογητή.
|
|||
|
|
|
|||
|
|
#### Πλεονεκτήματα/Μειονεκτήματα
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Ο RED αποτελεί μια πολύ καλή λύση για την αντιμετώπιση της συμφόρησης του δικτύου ενώ ταυτόχρονα βοηθάει το TCP/IP να βρει σχετικά σύντομα το σωστό ρυθμό
|
|||
|
|
αποστολής δεδομένων.
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Λόγω του ότι δεν αναγνωρίζει flows δεν έχει τη δυνατότητα να παρέχει μεγάλη δικαιοσύνη κάτι το οποίο δεν αποτελεί και σκοπό του.
|
|||
|
|
|
|||
|
|
|
|||
|
|
### [4. Αναφορές:]{#s4}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
- Bert Hubert, Gregory Maxwell, Remco van Mook, Martijn van Oosterhout, Paul B Schroeder, Jasper Spaans, Pedro Larroy. Linux Advanced Routing & Traffic
|
|||
|
|
Control HOWTO,
|
|||
|
|
- Sally Floyd and Van Jacobson. Random Early Detection Gateways for Congestion Avoidance. University of California, 1993
|
|||
|
|
- Linux kernel 2.4.20 sources
|
|||
|
|
|