Исследование алгоритма управления очередями WRED в модели дифференцированного обслуживания

В последнее время наряду с экспоненциальным увеличением объема существующего сетевого трафика резко увеличился рост новых приложений, ориентированных на передачу нетрадиционных типов информации,например голоса (VoIP) или ви-део.Эти приложения отличаются друг от друга различными требованиями к качеству обслуживания (QoS).

Способность сети обеспечивать различные уровни обслуживания, запрашиваемые теми или иными сетевыми приложениями,может быть классифицирована по трем категориям:

• -    негарантированная доставка данных (besteffort service).Обеспечение связности узлов сети без гарантии времени и самого факта доставки пакета в точку назначения.

• -    гарантированное обслуживание (guaranteed service). Гарантированное обслуживание предполагает резервирование сетевых ресурсов с целью удовлетворения специфических требований к обслуживанию со стороны потоков трафика.

• -    дифференцированное обслуживание (differentiated services).Дифференцирование обслуживание предполагает разделение трафика на классы на основе требований к качеству обслуживания. Каждый класс трафика дифференцируется и обрабатывается сетью в соответствии с заданными для этого класса механизмами QoS.

В основе модели diffserv лежит определение стандартизованного байта DSCP (Differentiated Services Code Point),байта типа обслуживания (ToS) в IPv4 и байта класса трафика (Traffic Class)в IPv6. От значения, занесенного в этот байт, будет зависеть решение о продвижении пакета из потока данных в каждом промежуточном узле.Модель diffserv определяет базовые механизмы: метка DSCPи политика PHB (perhop behavior),на основе которых производится обслуживание пакетов. Каждой PHB-политике ставится в соответствие значение метки DSCP [1].Несмотря на то, что реализация механизмов QoS в конечных системах является необходимым условием, она не позволяет говорить о сквозном качестве обслуживания до тех пор, пока соответствующие механизмы не будут реализованы в маршрутизаторах – устройствах, ответственных за передачу трафика между конечными системами. Маршрутизаторы, поддерживающие только один механизм обслуживания очередей – «первым пришел, первым обслужен» (first-in, first-out – FIFO), не способны обеспечить дифференцирование потоков трафика на основе их приоритета.Данная проблема может быть решена с помощью алгоритма управления оче- редями WRED (Weighted Random Early Detection – взвешенный алгоритм произвольного раннего обнаружения) [2].

В данной работе выполнено практическое исследование алгоритма WRED в модели diffserv. Моделирование производилось в среде популярного сетевого эмулятора NS-2[3].Схема сценария представлена на рис.1.

Рис.1. Схема эксперимента

Моделирование сетевого канала в среде NS-2 и анализ результатов

Источниками в данном эксперименте являются реализации реального самоподобного VoIP (s1 ) и IP (s2) трафика (см. рис. 2). Этот трафик был собран на сети компании ЗАО «Самара Телеком» и представляет собой логнормальное распределение с коэффициентом самоподобия H = 0,762 для VoIP, и распределение Парето с коэффициентом Хэрста H = 0,591 для IP трафика [4]. Полученные самоподобные потоки упаковываются в UDP-пакеты и передаются в сторону получателя (d). Каждый пакет в потоке помечается меткой DSCP равной 10 (VoIP) и 20 (IP). Время эксперимента – 70 С.

Для наблюдения конкуренции между потоками пропускная способность виртуального канала между маршрутизаторами (r1 и r2) выбрана значительно меньше суммарного потока, и составляет 1 Мбит/С. Таким образом, часть трафика будет теряться и для него сработает процедура управления очередью.

При постановке пакета в очередь свою работу начинает алгоритм WRED. Основная идея данного протокола заключается в том, чтобы поддерживать средневзвешенную длину очереди (то есть среднее число пакетов в буфере маршрутизатора) на низком уровне. WRED-маршрутизатор отбрасывает входящие пакеты с вероятностью, пропорциональной средневзвешенной длине очереди.

Если T 1 <  Q(t) <  T 2 вычисляется текущая вероятность отбрасывания пакета. Если T 2 <  Q(t), то пакет отбрасывается.

Рис. 2. Пропускная способность посылаемого сигнала: а) VoIP трафик; б) IP трафик

Рис. 4. Пропускная способность принятого сигнала: а) VoIP трафик; б) IP трафик

Для каждого прибывшего пакета вычисляется средневзвешенная длина очереди Q(t) [5]:

Q(t + Д ) = (1 - Wq)Q(t) + wqq(t) . (1)

Здесьt – время, Δ – приращение времени между последовательными поступлениями пакетов; q(t) - текущее значение длины очереди, w _q - весовой коэффициент; T ₁ – нижний порог средневзвешенной длины очереди; T ₂ – верхний порог средневзвешенной длины очереди; p _c – максимальное значение вероятности отбрасывания пакета, после которой пакеты начинают отбрасываться с вероятностью 1 ( 0 <  p_c <  1 ).

Рис. 3. Зависимость вероятности отбрасывания пакета от значения средневзвешенной длины очереди

В опыте используются следующие параметры алгоритма WRED:

• -    очередь 1: T 1 = 20; T 2 = 40, w _q = 0,02;

• -    очередь 2: T 1 = 10; T 2 = 20, w _q = 0,10.

В качестве протокола обслуживания очередей используем взвешенный алгоритм кругового обслуживания (Weighted Round Robin – WRR). В соответствии с заданным значением метки DSCP, WRR каждому потоку трафика назначает свой вес, пропорционально которому происходит обработка очередей. В нашем эксперименте для голосового трафика выделяем 70% полосы пропускания канала, а для IP трафика – 30%.

Таким образом, получаем следующее распределение пропускной способности канала между потоками (рис. 4).

В маршрутизаторе существует две причины отказа в обслуживании пакета:

• -    ldrops – пакеты, отброшенные из-за превышения потоком квоты (происходит из-за переполнения буфера очереди);

• -    edrops – пакеты, отброшенные WRED (при постановке в очередь).

  

  Рис. 5. Общая сумма всех отброшенных пакетов: а) VoIP трафик; б) IP трафик

  
  
  

  Рис. 6. Задержка при передаче пакета: а) VoIP трафик; б) IP трафик

  
  

Из рис. 5 видно, что для VoIP трафика характерно равномерное увеличение количества ошибок,в то время как для IPтрафика наблюдаем два всплеска в районе 22и 57 C.Это объясняется тем,что причиной отброшенных пакетов для первого,более приоритетного потока (DSCP10) является переполнение буфера очереди.Второй поток с меньшим приоритетом (DSCP 20)проводит в очереди больше времени, следовательно,его пакеты начинают отбрасываться алгоритмом WRED.

При передаче данных каждый пакет в потоке передается с различными значениями задержки.За-держка при передаче пакетов меняется в зависимости от состояния канала связи.При возникновении перегрузки сетевых каналов пакеты либо перемещаются в очереди (буферы),либо отбрасываются [6].

На характер графиков временной задержки (рис. 6)оказывает влияние диспетчер WRR. Потоки получают разную полосу,и это сильно влияет на время пребывания в очереди.Соответственно,для более приоритетного потока (DSCP 10)задержка меньше, чем для второго потока (DSCP20).Кроме того,из рис.7 видно,что для VoIP трафика максимальную за-держкуиспытывают лишьпакеты больших размеров, в то время как для IPтрафика наибольшая задержка характерна практически для всех пакетов.

Когда сеть перегружена,задержки при организации очередей в маршрутизаторах начинают влиять на общую задержку при передаче пакетов,и приводят к возникновению разницы в задержке при передаче различных пакетов одного и того же потока.

Рис. 7. Зависимость задержки от размера пакета: а) VoIP трафик; б) IP трафик

Рис. 8. Колебание задержки при передаче пакетов: а) VoIP трафик; б) IP трафик

Колебание задержки при передаче пакетов получило название дрожания при передаче пакетов (packet jitter). Джиттер имеет большую важность, поскольку именно он определяет максимальную задержку при приеме пакетов в конечном пункте назначения [2].

Можно заметить, что колебания задержки более приоритетного VoIP трафика (DSCP 10) значительно меньше, чем у IP трафика (DSCP 20).

Выводы

Обобщая полученные результаты, можно,конс-татировать следующее:

• -    дифференцированное обслуживание строится на базовых механизмах: метка DSCP и политика PHB. Возможности QoS зависят от построенной PHB политики. Каждому значению DSCP метки соответствует настройка двух алгоритмов в сетевом устройстве – алгоритма диспетчера (WRR) и алго-

• ритма активного управления очередью (WRED). В эксперименте наибольший приоритет был предоставлен VoIP трафику (DSCP = 10),как наиболее чувствительному к временным задержкам;

• -    основная причина отброшенных VoIP пакетов связана с переполнением буфера очереди; IPпакеты проводят в очереди больше времени, следовательно, эти пакеты отбрасываются протоколом WRED;

• -    временная задержка при прохождении пакета, зависимость задержки от размера пакета и джиттер так же указывают на превосходство более приоритетного VoIP потока (DSCP 10) над менее приоритетным IPтрафиком (DSCP 20).

Таким образом,взвешенный алгоритм произвольного раннего обслуживания (Weighted Random Early Detection– WRED)предоставляет различные уровни обслуживания пакетов в зависимости от вероятности их отбрасывания и обеспечивает избирательную установку параметров на основании значения поля IP-приоритета. Другими словами, алгоритм WRED предусматривает возможность более интенсивного отбрасывания пакетов, принадлежащих определенным типам трафика,и менее интенсивного отбрасывания всех остальных пакетов.