Egy skálázható architectúra fair sávszélesség elosztás közelítésére nagysebességű hálózatokon.

Az előadások a következő témára: "Egy skálázható architectúra fair sávszélesség elosztás közelítésére nagysebességű hálózatokon."— Előadás másolata:

1 Egy skálázható architectúra fair sávszélesség elosztás közelítésére nagysebességű hálózatokon

2 Bevezetés Hálózati torlódás okai lehetnek: hosztoktól nagy forgalom érkezik, a csomópontok képtelenek megbirkózni vele. várakozó sor alakul ki egy ponton, kevés a memória az összes beérkező üzenet befogadásához lassú processzor, adminisztratív feladatok lassú elvégzése miatt nem kerülnek be az egyébként üresen várakozó memóriába. kis vonalkapacitás Következmény: Torlódás alakul ki, majd csomagvesztés, idővel a teljes hálózat összeomlik. A torlódás globális jelenség, vagyis a hálózat egészére vonatkozó módszert kell találni az átbocsátóképesség növelésének érdekében.

3 Bevezetés Az fair sávszélesség kiosztásnak több előnye is van: Megvédik a jól viselkedő folyamokat a hibásaktól Lehetővé teszi több különböző torlódáskezelő eljárás együttes használatát Mostanáig a fair kiosztásra: Fair queueing - folyamonkénti ütemezéses módszer Flow Random Early Drop (FRED) - folyamonkénti eldobásos módszer Tulajdonságaik: Állapotkezelés (folyamonkénti) Buffer kezelés És/vagy folyamonkénti csomag ütemezés Ezek miatt komplexek, nem implementálhatóak költséghatékonyan Tegyük fel: 1) A fair kiosztásos módszer fontos szerepet töltenek be a torlódáskezelésben 2) A komplexitásuk a legnagyobb akadály az alkalmazhatósgukhoz.

4 Core-stateless fair queueing ‘edge’ : folyamonkénti állapot tárolás. Megbecsülik a beérkező folyamok rangját és ez alapján cimkét helyeznek el a csomag header-jébe. ‘core’ : nem tárolnak folyamonkénti állapotot. FIFO ütemezés. A cimkék és a router összesített forgalmi becslése alapján valószínűsített eldobási algoritmussal működnek. Egy ilyen felépítést hívunk „Core-stateless fair queueing”-nak amire igaz: Jelentősen csökkenti az implementálási komplexitást Még mindig korrekt sávszélesség kiosztást biztosít

5 Algoritmusok A – Fluid model Vegyük a folyamot most egy összefüggő bitfolyamnak. Nincs bufferelés. Legyenek: C – kimenő link sebesség t - idő r i (t) – érkezési sebesség (minden folyamra pontosan ismertnek tekintjük) α(t) – minden folyamra azonos kimenő sebesség (fair elosztási sebesség) a max-min elosztási módszer alapján minden folyam min(r i (t),α(t)) sebességet kap. A(t) = összes beérkezési sebesség. Ha A(t) > C akkor α(t) egy egyedi megoldása az egyenletnek itt ha akkor minden továbbítva lesz, egyébként csak α(t). Ha A(t) <= C akkor nem dobunk el semmit és Ez egy egyszerű valószínűségi továbbító algoritmus lesz ami fair elosztást ér el. Minden bejövő folyam eséllyel lesz eldobva.

6 Algoritmusok B - packet A következő feladat hogy az előző algoritmust kiterjesszük olyanná ami közelebb áll a valósághoz: Csomagokban vannak az adatok Van bufferelés A beérkező sebességet nem ismerjük előre Még mindig a beérkezéskor eldobó sémát alkalmazunk annyi különbséggel,hogy most csomagokkal tesszük. Mivel a sebesség becslés magában foglalja a csomag méretet, az eldobási valószínűség nem függ tőle, csak a bejövő és a fair elosztási sebességtől. Ezt a kettőt még ki kell számolni

7 Beérkezési sebesség becslése Az edge routereken egy folyam sebességének becslésére exponenciális mozgóátlag számítást használunk. az i folyam k-adik csomagjának érkezési ideje az i folyam k-adik csomagjának hossza Minden i folyam sebességére a becslés képlete: Ahol és K egy konstans

8 Fair elosztási sebesség becslése A sebesség amivel az algoritmus elfogadja a csomagokat [ ] a fair elosztási sebesség jelenlegi becslésének függvénye [ ]. Ez a függvény függ attól,hogy a link túlterhelt-e: Ha A(t) >C – torlódás - akkor az megoldása Ha A(t)<= C - nincs torlódás - akkor

9 Fair elosztási sebesség becslése Ha ismerjük a beérkező sebességeket, Ki tudnánk számolni közvetlenül a képletből is, de hogy elkerüljük az állapot tárolást, csak aggregált adatokra támaszkodva számítunk. Legyenek: - a becsült fair elosztási sebesség - a becsült összesített beérkező sebesség - a becsült elfogadott sebesség T - csomagérkezési időköz Az utóbbi kettőt minden csomag beérkezésekor frissítjük exponenciális átlag számítással Hogy kiszűrjük a kerekítésből származó becslési pontatlanságokat, az időt K c időintervallumokra osztjuk és -t csak ezek végén frissítjük a link terheltségétől függően

10 Buffer kezelés A fair elosztási sebesség becslésének célja az elfogadott sebesség és a sávszélesség közelítése, mi van ha ez a sebesség eléri a sávszélességet? Okok: becslési pontatlanságok Az frissítések közötti töltési különbségek az algoritmus valószínűségi természete Normál esetben a buffer el tudja tárolni a csomagokat, de néha el kell dobni őket. Mivel a drop-tail ellenkezik az algoritmus céljaival és néha beszámíthatatlan tulajdonságai vannak, így ennek a hatásait limitálni kell. Bevezetünk egy egyszerű heurisztikát: Minden buffer túlcsordulásnál leveszünk egy kis (előre fixen meghatározott) százalékot az ból. Nem többet mint 25%, hogy elkerüljük a túlkorrigálást. Feltesszük, hogy a link ami ‘nem zsúfolttá’ válik az ellenőrzéskor, a buffer egy előre meghatározott határértékéig az is marad.

11 Címke újraírás A cimkékben lévő becsült sebesség pontatlanná válhat (például mert a csomag belefutott egy túlterhelt linkbe a szigeten belül) minden routeren finomítani kell

12 Súlyozott CSFQ Az algoritmus kiterjeszthető úgy, hogy folyamonként súlyozható legyen. Legyen az i folyam súlya. Ekkor ha A(t) > C az Az eldobási valószínűség pedig így módosul A folyékony modellben ez azt jelenti, hogy a értéke ugyanaz lesz minden folyamra. A cimkékbe pedig kerül a sima r i (t) helyett. Fontos, hogy csak olyan szigeteket tudunk kezelni az algoritmusunkkal melyeken belül egy folyamnak minden routeren ugyanaz a súlya, de még ezzel a megkötéssel is értékes módszer.

13 Implementálási komplexitás Core routereken: időben (figyelembe véve a folyamok számát) és méretben is változatlan komplexitású. Edge routereken: Besorolás egy folyamba Frissíteni a fair elosztási sebesség becslését Újrabecsülni a folyam sebességét Megcimkézni a csomagot bár ezeket minden csomagra meg kell csinálnia, a besorolás kivételével mind könnyen implementálhatóak ma már. A besorolás algoritmusai viszont ma is aktív kutatás alatt állnak, de ha az edge routerek nem nagy sebességű gerinc linkeken vannak akkor nem okoznak akkora gondot.

14 Szimulációk FIFO(First In First Out): Kiszolgálás fifo sorrendben Bufferelés egyszerű drop-tail módszerrel RED (Random Early Detection): Kiszolgálás Fifo sorrendben Bufferelés valószínűségi eldobás két határértékkel. (Első alatt nem dob semmit, a második felett mindent, a kettő közt a telitettséggel lineárisan nő az eldobás esélye.) FRED (Fair Random Early Drop): Kiszolgálás: fair queueing Állapot tárolás minden folyamhoz aminek legalább egy csomagja van a bufferben Bufferelés: az eldobás nem csak a buffer telitettségétől függ, hanem az állapottól is Eldobáskor preferálja azokat amiknek: 1. Sok csomagja lett eldobva eddig 2. A sora hosszabb mint az átlagos Két verziója van (FRED-1, FRED-2), a különbség csak annyi, hogy a második mindig biztosít egy minimális mennyiségű helyet minden folyamnak a bufferben. Mindig azt vesszük amelyik épp jobb. DRR (Deficit Round Robin): Kiszolgálás: fair queueing Bufferelés: mikor a buffer tele a leghosszabb sorból dob el csomagot A Weighted Fair Queueing (WFQ) egy hatékony implementálása

15 Paraméterek Minden kimenő link késleltetési ideje: 1ms Buffer: 64KB CSFQ buffer határ: 16KB RED, FRED első határ: 16KB RED, FRED második határ: 32KB Folyam sebesség becsléshez konstans: K = 100ms Fair elosztási sebesség becsléshez konstans: K = 200ms Az első router az útvonalon edge, az összes többi core.

16 Egy torlódott link Teszt 1: 32 CBR folyam ahol minden i folyam (i + 1)es adatmennyiséget küld. 10mp időintervallum. Eredmény: FIFO,RED,FRED-1: nem ért el fair elosztást DRR: kiemelkedően hatékony CSFQ, FRED-2: nem tökéletes, de eléggé fair elosztást ért el

17 Egy torlódott link Teszt 2: 1 CBR folyam ami 10Mbps el küld + 30 TCP folyam. 10mp időintervallum. Eredmény: Csak a DRR és a CSFQ volt képes hatékonyan beépíteni a CBR folyamot. FRED: a CBR közel 6x annyit sávszélességet (1,8Mbps) kapott mint ami fair FIFI, RED: rossz teljesítmény közel 8Mbps-t adott a CBR-nek

18 Egy torlódott link Teszt 3 (30 darab teszt): 1 TCP folyam + 1..30 CBR folyam. Minden CBR a fair kétszeresével küld. 10mp időintervallum. Eredmény: A DRR 22 CBR-ig jó, utána folyamatosan romló teljesítményt ad. A CSFQ jobban teljesít mint a DRR ha sok a folyam. A CSFQ végig hasonló vagy jobb teljesítményt ad mint a FRED.

19 Több torlódott link CBR0 kivételével az összes CBR 2Mbps –el küld így az összes link torlódik. Majd megpróbálunk az így torlódott routereken átküldeni 1-1 CBR illetve TCP folyamot amik a saját fair elosztási sebességükön (0.909Mbps) adnak.

20 Több torlódott link Teszt 1: 1 CBR folyam. Eredmény: CSFQ, FRED elég jól teljesít de elmaradnak a DRR-től FIFO, RED minél több torlódott linken megy át annál rosszabb.

21 Több torlódott link Teszt 2: 1 TCP folyam. Eredmény: CSFQ, DRR: elég hatékonynak bizonyulnak. FRED: jelentősen rosszabb náluk de még mindig jobb mint FIFO, RED Folyamok különböző end-to-end torlódás kezelő algoritmusokkal mindig különböző átviteli sebességet érnek el, még ha a

22 Egyéb tesztek ON-OFF folyamok: DRR,CSFQ, FRED megint jól elosztotta a sávszélességet. TCP folyamok - 0.1ms késleltetési idő ( web forgalomhoz hasonló) átlagos idő és eltérés RLM (Receiver-driven Layered Multicast) folyamok

23

24 Kiértékelés  A legtöbb feltétel mellett elfogadható fair sávszélesség elosztás közelítést ér el.  A jelenleg leginkább használt (FIFO, RED) módszereket messze felülmúlja.  Sőt minden helyzetben a FRED-hez hasonló eredményt ér el, miközben jelentősen fairebben osztja a sávszélességet.  Még bőven fejleszthető és javítható (pl: a bufferkezelő- algoritmusa, szeretnék közelíteni a RED eljáráséhoz)