Internet路由器主動(dòng)式隊(duì)列管理機(jī)制綜述(4)

2019-11-05 00:34:14

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供稿：網(wǎng)友

　　9 AQM提供QoS以及在區(qū)分服務(wù)中的應(yīng)用
　　
　　
　　伴隨著Internet的高速增長(zhǎng)的便是　　
　　IP QoS體系結(jié)構(gòu)可以分為兩種基本類型：
　　
　　基于資源預(yù)留：網(wǎng)絡(luò)資源按照某個(gè)業(yè)務(wù)的QoS要求進(jìn)行分配，制定資源治理策略。IETF提出的綜合服務(wù)（IntServ）體系結(jié)構(gòu)便是基于這種策略。
　　　

　　圖：RIO算法示意圖
　　
　　基于優(yōu)先級(jí)：對(duì)業(yè)務(wù)流進(jìn)行分類、整形、標(biāo)記。按照資源治理策略分配資源，對(duì)QoS要求高的業(yè)務(wù)給以優(yōu)先處理。IETF提出的區(qū)分服務(wù)(DiffServ）便是基于這種策略。
　　
　　由于綜合服務(wù)存在著擴(kuò)展性等問(wèn)題，使得其發(fā)展碰到了很大障礙，因此導(dǎo)致了區(qū)分服務(wù)的產(chǎn)生。區(qū)分服務(wù)的目標(biāo)在于簡(jiǎn)單有效，以滿足對(duì)可擴(kuò)展性的要求。
　　
　　9.1 區(qū)分服務(wù)
　　
　　在區(qū)分服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中，邊界路由器根據(jù)用戶的流規(guī)格（stream PRofile）將用戶流劃分為不同的級(jí)別，再聚合成流聚集（stream aggregate），聚集信息存放在IP包頭的DS標(biāo)記域，稱為DS標(biāo)記（Differentiated Services CodePoint，DSCP）。內(nèi)部節(jié)點(diǎn)則根據(jù)DSCP提供不同質(zhì)量的調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，其外部特性稱為每跳行為（Per-Hop-Behavior，PHB）。DiffServ的服務(wù)類型除了傳統(tǒng)的極力而為的服務(wù)外，還有確保服務(wù)（Assured Service）和獎(jiǎng)賞服務(wù)（Premium Service）。它們分別對(duì)應(yīng)快速轉(zhuǎn)發(fā)（EXPedited Forwarding, EF）型PHB和確保轉(zhuǎn)發(fā)（Assured Forwarding, AF）型PHB。
　　
　　9.1.1 確保服務(wù)
　　
　　獎(jiǎng)賞服務(wù)嚴(yán)格保證用戶的帶寬，為用戶提供低延遲、低抖動(dòng)、低丟失率和保證帶寬的所謂"三低一保證"的端到端或網(wǎng)絡(luò)邊界到邊界的傳輸服務(wù)，是目前區(qū)分服務(wù)中服務(wù)級(jí)別最高的種類。
　　
　　與獎(jiǎng)賞服務(wù)的嚴(yán)格保證不同，確保服務(wù)是從統(tǒng)計(jì)上保證用戶的帶寬。確保服務(wù)最具吸引力的是其實(shí)現(xiàn)機(jī)制較為簡(jiǎn)單，只要采用簡(jiǎn)單的標(biāo)記和丟棄機(jī)制就能實(shí)現(xiàn)IP QoS。在發(fā)生擁塞時(shí)，確保服務(wù)通過(guò)控制丟棄優(yōu)先級(jí)，提供了比"極力而為"服務(wù)更好的服務(wù)。確保服務(wù)的基本思路是：
　　
　　邊界路由器標(biāo)記包，預(yù)約帶寬內(nèi)的標(biāo)為IN，否則標(biāo)為OUT。
　　
　　發(fā)生擁塞時(shí)，Out包的丟棄率大于In包。
　　
　　9.2 RIO（RED with In and Out?/strong>?
　　
　　RIO的基本思想是：邊界路由器監(jiān)視每個(gè)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的用戶數(shù)據(jù)流，根據(jù)它們的服務(wù)規(guī)格對(duì)包進(jìn)行標(biāo)識(shí)，預(yù)約帶寬以內(nèi)的標(biāo)為IN（in profile），超出的標(biāo)為OUT（out profile）。在擁塞的路由器上，Out包被丟棄的概率要大于In包，從而在一定程度上保護(hù)In包。RIO的算法如圖所示。
　　
　　For each packet arrival
　　If it is an In packet
　　Calculate the average In queue size avg_in
　　Calculate the average queue size avg_total
　　If it is an In packet:
　　　　　　if min_in
　　
　　
　　RIO算法是基于RED算法的，但對(duì)RED算法進(jìn)行了擴(kuò)充，使其能在一個(gè)隊(duì)列中治理In包和Out包，而不需要維持兩個(gè)隊(duì)列。因?yàn)榧偃缇S持兩個(gè)隊(duì)列，將會(huì)增加包的亂序，從而導(dǎo)致TCP性能降低或者增加延遲抖動(dòng)。RIO有兩套參數(shù)：一套是（min_in，max_in，max_in_p），用來(lái)計(jì)算In包的標(biāo)記率；另一套是（min_out，max_out，max_out_p），用來(lái)計(jì)算Out包的標(biāo)記率。可以通過(guò)選擇這兩套參數(shù)使得RIO增大Out包的丟包率，從而保護(hù)In包。一般來(lái)說(shuō)，min_in>=max_out，max_out_p>max_in_p，并且In包的丟包率依靠于In包的平均隊(duì)長(zhǎng)avg_in，而Out包的丟包率依靠于總的平均隊(duì)長(zhǎng)avg_Q。這樣，一旦RIO檢測(cè)到早期擁塞，首先丟棄Out包，并且直到Out包全丟了，假如繼續(xù)擁塞，才開始丟棄In包。
　　
　　實(shí)際上，確保服務(wù)就是RIO方法的擴(kuò)充。目前，絕大部分區(qū)分丟棄機(jī)制（differentiated drop mechanism）的研究都是基于RIO方法的。RIO已成為實(shí)現(xiàn)區(qū)分服務(wù)的一種簡(jiǎn)單有效的方法。
　　
　　9.2.1 RIO性能分析
　　
　　對(duì)確保服務(wù)而言，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)是否能夠滿足其規(guī)格要求的帶寬可以分為"充分提供"（over-prov- isioned）和"不充分提供"（under-provisioned）兩種情況。
　　
　　保護(hù)TCP的吞吐量免受RTT影響：由于TCP的吞吐量是和RTT成反比。在網(wǎng)絡(luò)不能充分提供的情況下，小RTT的連接能更塊地增加擁塞窗口的大小，因而能更快地超過(guò)其規(guī)格要求，產(chǎn)生更多的Out包占用剩下的帶寬。但是，這些小RTT連接的Out包并不能阻止大RTT連接的In包進(jìn)入路由器隊(duì)列，因而大RTT連接的吞吐量至少能在規(guī)格范圍內(nèi)得到保證。在網(wǎng)絡(luò)充分提供的情況下，RIO能充分保證大RTT連接的吞吐量，但其獲得的剩余帶寬較少。
　　
　　保護(hù)TCP流的吞吐量免受非適應(yīng)流影響：在網(wǎng)絡(luò)充分提供的情況下，RIO能在規(guī)格范圍內(nèi)保護(hù)TCP流的吞吐量，但所有剩余帶寬都被非適應(yīng)流占用。在網(wǎng)絡(luò)不能充分提供的情況下，也只有非適應(yīng)流能達(dá)到其規(guī)格要求，但其并不能占用超過(guò)規(guī)格要求的資源。另外，RIO無(wú)需每流狀態(tài)信息，簡(jiǎn)單易行。
　　
　　基于同樣的原因，Web類流也得到了較好的保護(hù)。由于在現(xiàn)在的Internet上，Web流已占總流量的50％，因此，部屬基于RIO的確保服務(wù)也有其現(xiàn)實(shí)性。
　　
　　事實(shí)上，在網(wǎng)絡(luò)還有剩余帶寬的情況下，RTT大小、包的尺寸、聚流中單流的數(shù)量、目標(biāo)速度以及是否存在非適應(yīng)流都會(huì)影響TCP流對(duì)剩余帶寬的使用。另外，假如其它方面都相同，用戶并不能按規(guī)格要求成比例地享用剩余帶寬。
　　
　　若網(wǎng)絡(luò)帶寬不能滿足用戶的規(guī)格要求，用戶獲得的性能也是更多的受到了TCP和RED在競(jìng)爭(zhēng)的流之間分配帶寬方式的影響而不是規(guī)格本身。但規(guī)格要求低的用戶總能比規(guī)格要求高的用戶更快地接近目標(biāo)帶寬。
　　
　　9.3 帶權(quán)重的RED（Weighted RED ）
　　
　　WRED是CISCO公司提出的一種支持區(qū)分服務(wù)的AQM機(jī)制。與RIO一樣，WRED基本思路也是在IP包頭按照某種策略進(jìn)行標(biāo)記，丟包優(yōu)先級(jí)基于該標(biāo)記。WRED能支持8個(gè)獨(dú)立的丟包優(yōu)先級(jí)，每個(gè)級(jí)別配置一套獨(dú)立的RED參數(shù)，如下圖所示：
　　　

　　圖7：WRED示意圖1（交錯(cuò)型）
　　　

　　圖8：WRED示意圖2（重疊型）
　　
　　WRED和RIO最主要的區(qū)別在于，WRED只使用一個(gè)平均隊(duì)長(zhǎng)來(lái)計(jì)算丟包率，而RIO需要兩個(gè)。WRED計(jì)算平均隊(duì)長(zhǎng)和RED中一樣，是基于隊(duì)列中所有的包，而RIO除此以外還需要計(jì)算In包的平均隊(duì)長(zhǎng)。
　　
　　WRED的參數(shù)設(shè)置有兩種方式，一種是和RIO一樣，稱為交錯(cuò)型（staggered），每個(gè)級(jí)別都有一套參數(shù)（min_th(i)，max_th(i)，max_p(i)），并且滿足max_th(i)
　　9.4 RIO和WRED性能的比較
　　
　　RIO和RED都是基于RED的變種。事實(shí)上，根據(jù)RED閾值的套數(shù)、計(jì)算平均隊(duì)列的機(jī)制可以將RED變種分為四類，如圖5所示：
　　

　　圖9：RED變種
　　
　　像WRED和RIO這類有多套閾值的RED變種可以統(tǒng)稱為MRED（Multi-Level RED）。最常用實(shí)現(xiàn)區(qū)分服務(wù)的AF PHB的兩種MRED便是RIO和WRED了。雖然這兩種算法很相似，但在性能上還是有差別：
　　
　　對(duì)ON-OFF突發(fā)流，RIO在保護(hù)低丟棄優(yōu)先級(jí)的包方面優(yōu)于WRED。
　　
　　對(duì)短時(shí)（short lived）流，RIO的處理速度高于WRED。
　　
　　在保護(hù)低丟棄優(yōu)先級(jí)的包方面要達(dá)到同樣的效果，WRED比RIO需要更大的閾值，這樣就意味著延時(shí)的增加。
　　
　　9.5 基于分類的閾值（Class-Based Thresholds CBT）
　　
　　除了RIO和WRED，另一種可以來(lái)實(shí)現(xiàn)區(qū)分服務(wù)的AQM就是CBT。CBT的基本思想是基于一定的策略對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行分類，每一類都有一個(gè)閾值。CBT，和RED一樣，通過(guò)平均隊(duì)長(zhǎng)來(lái)控制標(biāo)記包的概率；不同之處在于，當(dāng)一個(gè)包進(jìn)入路由器時(shí)，首先要計(jì)算該類業(yè)務(wù)的平均隊(duì)長(zhǎng)，計(jì)算方法和RED中計(jì)算平均隊(duì)長(zhǎng)一樣，假如平均隊(duì)長(zhǎng)大于該閾值，則丟棄包；否則，再按照RED算法進(jìn)行丟包。
　　
　　CBT實(shí)際上是一種資源預(yù)留機(jī)制，通過(guò)對(duì)不同的業(yè)務(wù)提供不同的閾值，就達(dá)到了為不同業(yè)務(wù)、不同用戶提供不同服務(wù)質(zhì)量的目的。CBT最大的缺陷在于，靜態(tài)的資源預(yù)留機(jī)制不能適應(yīng)動(dòng)態(tài)的業(yè)務(wù)組成的變化。假如某類業(yè)務(wù)的組成成分發(fā)生急劇變化時(shí)，CBT的性能就會(huì)大大下降。改進(jìn)的方法就是動(dòng)態(tài)地設(shè)置每類業(yè)務(wù)地閾值，這個(gè)算法稱為動(dòng)態(tài)的CBT(Dynamic CBT)。DCBT需要維持每類業(yè)務(wù)的狀態(tài)信息和跟蹤其活躍流的數(shù)量，從而動(dòng)態(tài)地調(diào)整閾值。
　　
　　10 結(jié)束語(yǔ)
　　
　　主動(dòng)式隊(duì)列治理AQM技術(shù)是IETF推薦的基于路由器擁塞控制的要害技術(shù)，它和TCP端到端的擁塞控制相結(jié)合，是解決目前Internet擁塞控制問(wèn)題的一個(gè)主要途徑。
　　
　　不僅如此，在對(duì)IP QoS 呼聲越來(lái)越高的今天，AQM也是實(shí)現(xiàn)QoS的重要機(jī)制。AQM不僅可以通過(guò)減小丟包率、端到端延遲、提高吞吐量等支持QoS，而且還可通過(guò)對(duì)不同業(yè)務(wù)實(shí)施不同的AQM機(jī)制來(lái)達(dá)到區(qū)分服務(wù)的目的。因此，AQM已經(jīng)成為目前的研究熱點(diǎn)之一。
　　
　　公平性是AQM需要解決的一個(gè)重要問(wèn)題。如何使路由器不增加過(guò)多的額外負(fù)擔(dān)，又能夠提高公平性，一直是困繞廣大研究人員的一個(gè)難題。參數(shù)設(shè)置問(wèn)題是AQM需要解決的另一主要問(wèn)題。雖然目前也提出了一些解決方法，如ARED等，但并沒(méi)有完全解決這類問(wèn)題。
　　
　　另外，目前的AQM機(jī)制研究基本上都是基于仿真，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，缺乏有效的理論來(lái)指導(dǎo)。因此，還需要建立一套系統(tǒng)的理論體系來(lái)指導(dǎo)AQM技術(shù)的研究。

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