Internet

1

6. Čekanje paketa u redu

Red je skup objekata koji čekaju na posluživanje, a u slučaju kada govorimo o paketnom prijenosu

podataka, u redu (ili repu) nalaze se paketi u memoriji routera i čekaju na posluživanje, odnosno

na usmjeravanje kako bi mogli nastaviti svoj put od izvora do odredišta podataka.

U paketno komutiranoj mreži kao što je Internet gotovo je nemoguće predvidjeti koliko će korisnika i kada i u kojoj količini početi slati podatke pa su neki dijelovi mreže zagušeni, a neki nisu. Postavljenjem memorije za prihvat paketa moguće je kompenzirati naglo povećanje mrežnog prometa i gomilanje paketa na vezama.

Kojim redom će paketi biti posluženi ovisi o disciplini posluživanja, tj. pravilu prema kojem se

odabiru i poslužuju paketi. Najjednostavnija disciplina i najčešće susretana u praksi je disciplina

"prvi došao prvi poslužen". Postoje i druge discipline kao što su: slučajno posluživanje, zadnji

došao prvi poslužen, grupno posluživanje i disciplina posluživanja s prioritetom.

Memorija služi za kompenzaciju naglog povećanja prometnog volumena (engl. burst traffic) te

slanja paketa u mrežu nakon što se smanji opterećenje mreže. Prilikom dizajniranja memorije treba

voditi računa da bude toliko velika da može kompenzirati burst način prijenosa podataka. Burst

prijenos podataka može ugroziti rad više izvora podataka i mrežu.

2

Slika 7.Razlozi i načini upravljanja redovima čekanja

3

Upravljanje redovima čekanja

Zbog ublažavanja zagušenja u

mreži

Zbog održavanja i poštovanja prioriteta

raspoređivanja raspoloživih kapaciteta

Zbog održavanja garancije određene kvalitete usluge

Odbacivanjem paketaprepunjene memorijeisteklo životno vrijeme paketa

Identifikacijom klasifikacijom raspoređivanjem paketa

Upravljanje redovima čekanja nastoji ublažiti zagušenje mreže pa ako je potrebno i odbacivanjem paketa. Ako se u prijenosu pojave paketi koji su uslijed kašnjenja postali neupotrebljivi npr. prijenos slike i zvuka tada i takvi paketi (tzv. engl. stale packets) bivaju odbačeni kako bi oslobodili kapacitete jer će ih primatelj podataka ionako odbaciti. Algoritam raspoređivanja ili planiranja (engl. scheduling algorithms) određuje koji paket će biti slijedeći poslan kako bi održao i poštovao prioritete raspoređivanja raspoloživih kapaciteta. Upravljanje redovima čekanja također je dio QoS-a (Quality of Service – kvaliteta usluge kroz garanciju određene propusnosti veze) u kojima se protok podataka identificira i klasificira i tada se smješta u red čekanja radi osiguravanja odgovarajućeg nivoa usluge prijenosa podataka.

4

6.1. Karakteristike mrežnog prometa na Internetu

Dosadašnjom analizom Internet prometa došlo se do nekoliko bitnih zaključaka:

TCP je dominantan protokol na Internetu

većina je paketa prenesena TCP protokolom tj. prijenos kada je potrebno garantirati isporuku paketa sa izvorišta na odredište podataka. Razlog je velika količina aplikacija te popularnost i jednostavnost korištenja web preglednika.

Povećanjem brzina prijenosa podataka i dostupnost širokopojasnog pristupa Internetu na sve većem značaju dobiva UDP (User Datagram Protocol) protokol. Karakteristika UDP-a je što ne pruža garanciju isporuke datagrama tj. paketa na odredište, a također generira manji mrežni promet što ga čini pogodnim za prijenos video i multimedijalnih sadržaja, glazbe, IP telefoniju itd.

Tok mrežnog prometa je dvosmjeran, ali često i asimetričan

mnoge aplikacije generiraju dvosmjeran promet u razmjeni podataka, ali je izražen velik nesrazmjer u količini poslanih i primljenih podataka u korist primljenih na strani korisnika.

Većina TCP transakcija je kratkotrajna

većina transakcija, oko 90%, traje nekoliko sekundi radi prijenosa podataka oko 10 kilobajta (mnogi dokumenti na web stranicama manji su od 10 kB).

MP3, DIV-X i ostali tipova datoteka velike su više stotina MB

Veličine paketa su bimodalno distribuirane

Oko 50% paketa imaju maksimalnu veličinu koja je definirana parametrom MTU (Maximum Transmission Unit – maksimalna veličina paketa u prijenosu) u mrežnom sučelju

Oko 40% paketa su veliki samo 40 bajtova zato jer nemaju podatke nego prenose samo zaglavlje i služe kao potvrda izvoru podataka da je uspješno izvršena isporuka podataka na odredište (TCP protokol).

10% prometa je raspoređeno između ova dva ekstrema.

5

Dolazak sesija odgovara Poisson-ovoj distribuciji

zahtjevi korisnika za sadržajem ili podacima objašnjivi su Poisson-ovom distribucijom.

Dolazak paketa ne odgovara Poisson-ovoj distribuciji

Paketi dolaze „praskovito“ (engl. bursty) u skupinama, a to

se očituje u vremenima čekanja koja se razlikuju od vremena koja

su predviđena Poisson-ovim modelom.

Paketni promet nije jednako distribuiran

Analize pokazuju da oko 10% servera sudjeluje u 90%

mrežnog prometa. Uzrok ovakvoj distribuciji prometa leži u

strukturi i topologiji Internet mreže.

Mrežni promet pokazuje svojstva „prostornosti“

struktura mrežnog prometa nije slučajna nego je uvjetovana

zadacima koje su zadali korisnici preko aplikativnog sloja

Ukupni mrežni promet ima fraktalna svojstva

Znanstvenici su zaključili da postoji značajan stupanj

„dugoročne ovisnosti“ (engl. Long-range dependence - LRE) u

mrežnom prometu koji ima svojstva da je sličan samom sebi što je

jedno od bitnih svojstva fraktala.

Bez obzira na složenu strukturu i svojstva mrežnog prometa na Internetu razrađeni su efikasni i koncizni matematički modeli za analizu, proučavanje i razumijevanje utjecaja LRD na razvoj buduće infrastrukture Interneta.

Mrežni promet na Internetu neprekidno se mijenja

Promjene se odnose na povećanje volumena mrežnog prometa, protokola, aplikacija i korisnika.

Unatoč vrijednosti mjerenja Internet mrežnog prometa kao znanstvene metodologije mora se znati da je to samo trenutno stanje mreže na jednom području u tom trenutku.

6

6.2. Analiza posuživnja na ruteru

Slika 8. Komunikacija između dva računal na Internetu

routeri s uobičajene FIFO (First-in-First-out – prvi ulazi - prvi izlazi) discipline posluživanja prelaze na drugačije kao što je npr. WFQ (Weighted Fair Queueing – težinsko redanje).

Dolazak paketa u red čekanjaVremenski intervali posluživanja

paketa

Slika 9. FIFO disciplina upravljanja redom paketa

7

Slika 10. Weighted Fair Queuing metoda posluživanja paketa u redu čekanja

mehanizmi za podršku različitim klasama i kvaliteti usluga postaju sve rašireniji na Internetu. Mehanizmi dovode do toga da će se za različite usluge razlikovati i prometne karakteristike (npr. brzina prijenosa, kontrola, sigurnost...) sa malo interakcije između usluga različitih klasa.

Prioritetni red čekanja (Priority queuing): tehnika koja koristi višestruke redove koji su

posluženi sa različitim stupnjem prioriteta. Red s najvišim prioritetom poslužuje se prvi te zatim

ostali redovi čekanja. Kada nastupi zagušenje odbacuju se paketi iz reda čekanja sa paketima s

manjim prioritetom. Problem se pojavljuje ako je previše paketa sa višim prioritetom jer u tom

slučaju paketi s manjim prioritetom uopće ne bivaju posluženi. Paketi se na ulasku u red

klasificiraju prema vrsti informacijama koje prenose te se smještaju u red čekanja na

posluživanje.

Npr. routeri kompanije Cisco mogu se programirati da mrežni promet na nekom portu ima definiran prioritet u tri nivoa: visoki, srednji i nizak nivo prioriteta.

8

Dolazak paketa u red čekanja Vremenski intervali posluživanja paketa

Slika 11. Priority queuing disciplina posluživanja paketa u redu čekanja

9

7. Modeli posluživanja sa čekanjem s prioritetom

Slika 12. klasifikacija modela posluživanja s prioritetom

10

Promotrimo situacija u kojoj u sustav posluživanja dolazi n(>1) klasa jedinica koje mogu biti raspoređene prema nekoj "mjeri važnosti" . U cilju da naznačimo relativnu mjeru važnosti možemo povezati svaku klasu sa njenim indeksom prioriteta i( ), gdje 1 označava klasu s najvišom mjerom važnosti i n s najnižom. Disciplina prema kojoj poslužitelj odabire sljedeću jedinicu i poslužuje ju označena je kao disciplina posluživanja s prioritetom.

Za svaku disciplinu posluživanja se moraju specificirati pravila za donošenje sljedeće dvije

odluke:

1) Koju jedinicu odabrati na posluživanje odmah nakon što poslužitelj bude slobodan da

prihvati sljedeću jedinicu

2) Da li prekinuti ili nastaviti posluživanje jedinice koja se poslužuje

Odluka koju jedinicu sljedeću odabrati na posluživanje može biti uvjetovana izvana

(exogenously) tj. može ovisiti samo o prioritetu klase kojoj jedinica pripada. S druge strane

može biti uvjetovana unutarnjim uzrocima (endogenously) tj. odluka se može bazirati

isključivo ili parcijalno na drugim razmatranjima koja se odnose na trenutno stanje u kome se

sustav nalazi, kao na primjer tip jedinice koja je zadnja poslužena ili vrijeme koje je jedinica

čekala do sada.

U obje prethodno formirane discipline posluživanja s prioritetom odluku da li nastaviti

posluživanje jedinice koje se upravo poslužuje može i ne mora ovisiti o stanju sustava.

Budući da kod discipline posluživanja s prioritetom kada odluka o odabiru sljedeće jedinice može biti uvjetovana izvana tj. odabir sljedeće jedinice na posluživanje ovisi samo o prioritetu njene klase, jedinica i-te klase ako postoji će uvijek biti uzeta na posluživanje prije nego jedinica j-te klase (i<j). Međutim ako jedinica j-te klase se poslužuje, a jedinica i-te klase dolazi na posluživanje mogu postojati različite kombinacije.

To dovodi do sljedećih disciplina.

i. S prekidom: posluživanje jedinice j-te klase se prekida i započinje se s posluživanjem

jedinice i-te klase (preemtive)

ii. Bez prekida: Posluživanje jedinice j-te klase se nastavlja do dovršetka, engleski nazivi

za ovu disciplinu su: head-of-line, nonpreemptive i postponable.

iii. Na volju sustavu: poslužitelj može slobodno odlučiti da li će slijediti (i.) ili (ii.) ovisno

o tome koliko je proteklo vremena od kada je jedinica j-te klase na posluživanju.

Disciplina s prekidom može se dalje podijeliti u sljedeće kategorije, ovisno o načinu na koji

će se jedinica j-te klase ponovno posluživati kada uđe u sustav.

11

a. Dovršavanje prekinutog posluživanja: Jedinica čije posluživanje je prekinuto

zbog dolaska jedinice višeg prioriteta nastavlja se posluživati od točke prekida.

(preemptive resume)

b. Identično ponavljanje prekinutog posluživanja: jedinica kojoj je posluživanje

prekinuto na svom ponovnom ulasku u sustav zahtijeva istu količinu usluge

koju je zahtijevala i na svom ranijem ulasku (preemptive repet-identical)

c. Različito ponavljanje prekinutog posluživanja: prekinuta jedinica na svom

ponovnom ulasku u sustav zahtijeva slučajno vrijeme posluživanja neovisno o

prošlim prekidima i potrošenom vremenu na posluživanje.

7.1. Kvantitativna analiza sustava sa čvrstim prioritetom bez prekida

Pretpostavke sustava:

- svakom prometnom entitetu pridijeljen je prioritet 1, 2, ..., n.

- prometni entitet s prioritetom j ima prednost pred prometnim entitetom s

prioritetom j + 1

- ulasci u sustav su neovisni i unutar istog prioriteta raspodijeljeni po Poissonovu

zakonu, pa je:

- poznate su funkcije raspodjele vremena posluživanja sa srednjim intenzitetom

posluživanja βi .

Opterećenje sustava zahtjevima i-tog prioriteta:

gdje je prosječno vrijeme posluživanja paketa i-tog prioriteta.Ukupno opterećenje sustava prometnim entitetima čiji prioritet je manji ili jednak od k:

Ukupno opterećenje sustava:

Prosječno vrijeme posluživanja:

Srednje vrijeme čekanja u redu k- tog prioriteta sastoji se iz sljedećih elemenata:

12

T0 - prosječno vrijeme potrebno da se posluži prometni entitet koji je prijeOdabran

Tj - prosječno vrijeme potrebno za posluživanje svih prometnih entiteta koji su prije prispjeli

a imaju prioritet jednak ili viši od k.

- prosječno vrijeme potrebno za posluživanje entiteta s višim prioritetom koji su

naknadno prispjeli za vrijeme u sustav, a bit će posluženi prije l- tog entiteta.

Srednji broj entiteta u redu na j-tom prioritetu je sljedeći

Tj možemo odrediti iz:

Analognim razmatranjem može se doći do

.

što daje:

Indukcijom se dobiva:

13

T0 se određuje iz:

,

pri čemu je H(t) funkcija razdiobe vremena posluživanja.

T0 može se zapisati u obliku:

gdje je drugi moment vremena posluživanja za klasu i-og prioriteta.

S obzirom na to da je riječ o različitim razdiobama vremena posluživanja vrijednosti drugih momenata su:

D-razdioba

M-razdioba

E5-razdioba

Uvrštavanjem izaza T0 u Twk slijedi

Srednje vrijeme zadržavanja u sustavu za k-ti prioritet:

Srednji broj entiteta u redu za k-t prioritet:

Srednji broj entiteta u sustavu za k-ti prioritet:

14