نوع مقاله : مقاله پژوهشی (کاربردی)
نویسنده
دپارتمان مهندسی برق، دانشکده دکتر شریعتی تهران، دانشگاه فنیوحرفهای، تهران، ایران
چکیده
کلیدواژهها
عنوان مقاله [English]
نویسنده [English]
This article analyzes the performance comparison of scheduling algorithms WFQ, PQ and FIFO using simulation of various scenarios such as (traffic crashes, incoming traffic, end-to-end delays, etc.) is covered in a wire network under VoIP. The active MSRP method has been suggested as a bandwidth reservation method. In this research, different queuing methods are evaluated with the help of OPNET simulator to manage, adjust and prioritize the packages in the buffers before sending them. Various parameters such as vibration, package’s delay changes, package’s end-to-end delay changes, and traffic of sent and received packages have been investigated. Also, the performance of different queuing designs is affected by different numbers of nodes. Finally, the best queuing scheme has been selected from this analysis and evaluation.
کلیدواژهها [English]
در حال حاضر شبکه جهانی اینترنت تنها سرویس بهترین تلاش را به کاربران ارائه میدهد. یکی از معایب اصلی این سرویس این است که بهرغم اینکه مسیریابهای شبکه بهخوبی قادر به دریافت و پردازش بستههای ورودی هستند، هیچگونه تضمینی در مورد سالمرسیدن بستهها به مقصد وجود ندارد. در این میان، هریک از خدمات درخواست رزرو پهنای باند یا خدمات خروج رزرو پهنای باند با استفاده از پروتکل ثبتنام جریانهای متعدد (MSRP[1]) در شبکه محلی محفوظ میماند، ولی مکانیزم MSRP تاکنون نتوانسته است موارد زیادی از رزرو پهنای باند و سرویس خروج رزرو پهنای باند را بهدرستی مدیریت کند[2]. در حال حاضر کلاسهای سرویس متنوعی مورد توجه برای توسعه هستند. یکی از این کلاسها، به شرکتها و مراکز ارائه سرویس وب اختصاص دارد که نیازمند ارائه سرویس سریع و مطمئن به کاربران هستند. این نوع کلاس سرویس به ترتیب به زیرکلاسهای دیگری با کیفیتهای مختلف تقسیمبندی میشود.
یکی از کلاسهای سرویس نوین در اینترنت، سرویسی است که نیاز به تأخیر و تغییرات تأخیر اندکی دارد. سرویسی مانند تلفن اینترنتی و کنفرانسهای ویدئویی اینترنتی نمونههایی از این کلاس سرویس هستند. در حال حاضر بیشترِ تولیدکنندگان مسیریاب و سوئیچهای شبکه اینترنت، در حال بررسی و افزودن مکانیزمهایی برای تضمین کیفیت سرویس در محصولات خود هستند. در کاربردهای زمان حقیقی پیش از ارسال هرگونه دادهای، ابتدا باید با کمک پروتکلهای سیگنالینگ، مسیر اولیهای برای رزرو منابع در کاربردهای زمان برقرار شود و منابع لازم ـ در صورت وجود ـ در این مسیر رزرو شود.
از پروتکل RSVP در اینترنت استفاده میشود. این پروتکل رزرو، منبع نوعی سرویس مجتمع (IntServ[2]) است که در مکانیزم رزرو روی لایه انتقال کار میکند. RSVP را میتوان با استفاده از میزبانها یا روترها استفاده کرد. RSVP چگونگی رزرو مکان برنامههای کاربردی را بیان میکند. بهطورکلی عملیات RSVP در منابع هر گره در امتداد یک مسیر محفوظ است؛ همچنین، اطلاعات کاربردی انتقال نیست بلکه یک پروتکل کنترلاینترنت مانند IGMP, ICMP یا پروتکل مسیریابی است[3]. شکل شماره 1 فرایند رزرو با RSVP را نشان میدهد.
شکل شماره 1. مکانیزم رزرو با RSVP
هر دستگاه باید از RSVP پشتیبانی کرده و حالت رزرو هر گره در طول مسیر را ذخیره کند[1]. اجرای RSVP دشوار است زیرا مسیر ترافیک در اینترنت ثابت نیست؛ به همین دلیل کمتر از آن استفاده میشود و برای حل معایب آن، سرویسهای متفرق[3] ارائه شده است[4].
خدمات چندرسانهای مانند VOIP [4] و جریان رسانهای به انتظاراتی برای نسل آینده تبدیل شدهاند. برای ارائه این برنامه کاربردی به مشتریان، به اتصالی با کیفیت بالا نیاز است و تکنولوژی BWA (دسترسی وایرلس پهنباند) در همین راستا مطرح میشود. به کاربران وعده داده شده است که دسترسی یکپارچه اینترنت مگابیت برایشان فراهم شود. یکی از فناوریهای تحت BWA، وایمکس است[5]. مقرر شده است که بر اساس IEEE 802.16 دسترسی وایرلس پهنباند در مترو ارائه شود. وایمکس با سرعت 70 Mbps و پوششی با بُرد 50 مایل، از قابلیت تحرک تا حدود 70 تا 80 مایل در ساعت پشتیبانی میکند و تصور میشود جایگزین کابل و DSL (خط مشترک دیجیتال) شود.
IEEE 802.16 از پنج نوع کلاس خدمات با نامهای BE (سرویس بهترین تلاش)، UGS (سرویس اعطای ناخواسته)، rtPS (سرویس رأیگیری بلادرنگ)، nrtPS (سرویس رأیگیری غیربلادرنگ)، ertPS (سرویس rtPS توسعهیافته) پشتیبانی میکند. در VoIP[6] مقایسۀ سیگنال صدا وجود دارد و این سیگنال فشردهشده، دوباره به صورت سیگنال دیجیتال مدلسازی میشود. در ادامه این بستههای صدای دیجیتال از IP (پروتکل اینترنت) برای مدیریت بستههای صدا روی شبکه IP استفاده میکنند.
در تحقیق حاضر، عملکرد برنامه کاربردی VOIP را با سه طرح صفبندی (FIFO, PQ و WFQ) بررسی میکنیم. در اینجا شبکه وایمکس را با ابزار قدرتمندی به نام OPNET [5] پیادهسازی میکنیم. OPNET ابزار شبیهسازی شیگراست که محیط شبیهسازی بصری را برای مدلسازی شبکه فراهم میکند. همچنین ابزاری مهارتی است که نگهداری صنعتی فراگیر و پشتیبانی مستمر را سبب میشود. OPNET مواردی مانندِ تطبیقپذیری، استحکام، قابلیت ردیابی و محیط کاربرپسند را فراهم میآورد. زیرساخت سیمی برای ارائه خدمات به تعداد زیادی گره با سرعت پوششی گسترده و بالا، بسیار هزینهبر است؛ بنابراین برای غلبه بر این مشکلات، فناوری بیسیم ارزانقیمتی معرفی شده است که شامل زیرساختهای سیمی شبکۀ شناختهشده و وایمکس (قابلیت همکاری جهانی برای دسترسی مایکروویو) میشود. سیستم ارتباطی وایمکس دو جزء اساسی زیرساختی دارد: ایستگاه پایه وایمکس و وایفای گیرنده[7]. فرسودگی آدرس IP نیز منجر به ایجاد تغییرات از معماری میزبان تا محتوامحور میشود. جاکوبسون راهحلی را به نام شبکه اطلاعاتمحور (ICN) برای غلبه بر مسائل TCP/IP پیشنهاد کرد[8] که تازهترین نوع آن است.
شکل شماره 2. معماری ICN وایمکس
شکل شماره 3. معماری پایه وایمکس
صف First-in, First-out (FIFO): صفبندی FIFOاز آسانترین طرحهای صفبندی است. در صفبندی FIFO، بستهای که اول از همه وارد بافر میشود، ابتدا بررسی میشود؛ یعنی بستهای که اول از همه در بافر دیده میشود، پیش از همه ارسال میشود. گفتنی است در این طرح صفبندی، صرفنظر از کاربرد و اهمیت بستهها، با همۀ بستهها یکسان برخورد میکند[10]. شکل شماره 4 شیوۀ کارکرد صفبندی FIFO را نشان میدهد.
شکل شماره 4. صفبندی FIFO
PQ مشابه FIFO است؛ تنها تفاوت این دو مکانیزم برچسبزدن است. PQ از مکانیزم برچسبزدن استفاده میکند که در آن، تمام بستهها ابتدا با توجه به کاربرد و اهمیتشان برچسب میخورند و سپس در بافر گذاشته میشوند. علاوهبراین، صفهای اولویت شامل دو بافر میشوند: بافر با اولویت پایین و بافر با اولویت بالا. بستهای که شامل برچسب اولویت بالاتر است، ابتدا ارسال خواهد شد. شکل شماره 5 شیوۀ عملکرد روش PQ را نشان میدهد.
شکل شماره 5. صفبندی اولویت
WFQ تقریباً مانندِ صفبندی اولویت PQ است. در اینجا نیز تمام بستهها ابتدا با توجه به ضرورتشان برچسب زده میشوند و سپس در بافر با اولویت پایین یا بافر با اولویت بالا قرار داده میشوند. تنها تفاوت بینشان این است که WFQ شامل یک زمانبند WFQ است که سرویس حالت دایرهای را به تمام بافرها ارائه میکند. در شکل شماره 6 عملکرد روش WFQ نشان داده میشود.
شکل شماره 6. صفبندی عادلانۀ وزنشده
لرزش به صورت انحراف در تأخیر end to end تعریف میشود. تأخیر ETE تأخیری است که در ارسال بسته از مبدأ به مقصد رخ میدهد. انحراف در تأخیر ETE به دلیل موقعیت بستهها در صف و اندازههای مختلف صف رخ میدهد. همانطور که میدانیم، تمام بستهها در صفهای مختلفی قرار میگیرند؛ بنابراین لازم است لرزش به حداقل برسد تا کیفیت صدای اطلاعات ارسالی بهبود یابد (بهویژه در برنامههایی که نیازمند ارسال بلادرنگ دادهها هستند).
میانگین نمره نظر، نوعی اندازهگیری ریاضی را از کیفیت سیگنال صوتی ارائه میکند که پس از ارسال درک میشود[11]. در جدول شماره 1 طرح امتیازدهی مورد استفاده برای تسلط بر کیفیت فرضی سیگنالهای صوتی، نشان داده میشود.
جدول شماره 1. مقادیر MOS و کیفیت صدای درکشدۀ آنها
Degree of Impairment |
Perceived Quality |
MOS value |
Imperceptible |
Excellent |
5 |
Perceptible but Annoying |
Good |
4 |
Slightly Annoying |
Fair |
3 |
Annoying |
Poor |
2 |
Very Annoying |
Bad |
1 |
ما در اینجا شش پروژه با تعداد مختلفی ایستگاه کاری (5، 10، 15، 20، 25، و 30) داریم. در هر پروژه، سه سناریوی مختلف برای هر رشته صف (FIFO, WFQ, PQ) وجود دارد. برای آسانی انجام عملیات، در اینجا سناریوی سادهای را نشان دادیم که شامل دو ایستگاه پایه است و هر ایستگاه پایه شامل پنج ایستگاه کاری میشود. هر دو ایستگاه پایه به گره ستون فقرات وصل میشوند. این گره به ابر IP در آخرین ابر متصل به سرور اتصال مییابد. برنامهای که برای این ایستگاههای کاری از پروفایل پشتیبانی میکند G711 است. این ایستگاههای کاری از برنامه VOIP پشتیبانی میکنند. در شکل شماره 7 یک شبکه پایه نشان میشود ولی برای هر سناریوی پروژه، دقیقاً همان تعداد ایستگاه کاری یا کاربر نهایی وجود دارد. ما برای هر پروژه جدید، فقط تعداد کاربران نهایی در هر سلول را افزایش دادیم.
شکل شماره 7. نمایی از سناریو شبیهسازی شمای کلی شبکه
برای آزمایش فرایند MSRP مطرحشده با وضعیت ناموفقبودن رزرو پهنای باند، از شبیهساز شبکه OPNET استفاده شده است. ترافیک بارگذاری حساس به زمان تنظیم میشود: ترافیک غیرحساس به زمان در هریک از لینکها و ترافیک حساس به زمان با ترافیک صدا و تصویر استفاده میشود. نرخ تولید ترافیک و پیگیری مشخصه اینطور است که صدا حملونقل تسریعشده (EF) است، ویدئو حملونقل تضمینشده (AF) است و ترافیک غیرحساس به زمان بهترین تلاش (BE) است. ترافیکEF برای انتقال دادههای صوتی استفاده میشود که آن یک نرخ بیت پیوسته (CBR) در شبکه ATM است. این تحلیل شبیهسازی توسط شبیهساز OPNET 14.5 انجام شده است.
در این بخش، روشهای رزرو پهنای باند فعلی مانندِ پروتکل رزرو منبع (RSVP) و IEEE 802.1p معرفی شده است. با مقایسۀ عملکرد MSRP با پروتکلهای دیگر، تأخیر انتها به انتها با ترافیک حساس به زمان و ترافیک غیرحساس به زمان اندازهگیری میشود. علاوهبراین، میزان استفاده از پهنای باند رزروشدۀ هر ترافیک را درحالیکه رزرو پهنای باند در وضعیت ناموفق قرار دارد، آزمایش شد. شکل شماره 8 تأخیر انتها به انتهای ترافیک صدا در حال استفاده از روش پیشنهادی در مقاله و نیز IEEE 802.1p را نشان میدهد. همانطور که در این شکل نشان داده شده است، استفاده از MSRP فعال تأخیر انتها به انتهای کمتری نسبت به 802.1p دارد.
شکل شماره ۸. تأخیر انتها به انتهای ترافیک صدا در حال استفاده از روش پیشنهادی
شکل شماره 9 نتایج تأخیر دسترسی به رسانۀ انتقال تأخیر انتها به انتهای ترافیک ویدئو را با استفاده از روش IEEE 802.1p نشان میدهد. همچنین این شکل نشان میدهد، تأخیر انتها به انتهای MSRP فعال نسبت به 802.1p کمتر است.
شکل شماره 9. تأخیر انتها به انتهای ترافیک ویدئو در حال استفاده از روش پیشنهادی
شکل شماره 10 تأخیر انتها به انتهای ترافیک غیرحساس به زمان را نشان میدهد. در مورد IEEE 802.1p اگر مقدار ترافیک از سرعت پردازش پل بیشتر باشد، ترافیک با اولویت کمتر فرستاده نشده و دور انداخته میشود؛ بنابراین تأخیر انتها به انتها از ترافیک غیرحساس به زمان با استفاده از IEEE 802.1P افزایش مییابد، اما بهطور هندسی افزایش نمییابد.
شکل شماره ۱۰. تأخیر انتها به انتهای ترافیک غیرحساس به زمان
در شکلهای 11، 12 و 13 مقدار لرزش طرحهای صفبندی FIFO, PQ و WFQ نشان داده میشود. در اینجا قابل مشاهده است که در هر روش صفبندی، مقدار لرزش برای 5، 10 و 15 ایستگاه کاری، تقریباً برابر با 0 ثانیه است. وقتی تعداد کاربران افزایش مییابد مقدار لرزش هم برای هر طرح متفاوت است. برای 30 ایستگاه کاری در FIFO، مقدار لرزش برابر است با4-10× 3/2 ثانیه، برای 25 کاربر برابر است با 4-10× 2/2 ثانیه، و برای 20 کاربر نهایی، برابر است با 4-10× 3/2 ثانیه.
در طرح WFQ مقدار لرزش برای 30، 25 و 20 ایستگاه کاری برابر است با 7-10×3 - ، 6-10×6/3، 6-10× 4/1 ثانیه
شکلهای 11، 12 و ۱۳. لرزش برای صفبندی عادلانۀ وزنشده
به طور مشابه در اینجا از شکلهای 14، 15 و 16 میتوانیم متوجه شویم که مقدار MOS برای ایستگاههای کاری 5، 10 و 15 تقریباً برای هر روش صفبندی برابر است با 6/3 ثانیه.
شکل شماره ۱۴. نتایج نرخ دریافت بستههای داده برای MOS برای صفبندی اولویت
شکل شماره ۱۵. نتایج نرخ دریافت بستههای داده برای MOS برای صفبندی FIFO
شکل شماره 16. مقدار MOS برای صفبندی عادلانۀ وزنشده
از شکلهای 17، 18 و 19 میتوان متوجه تغییر تأخیر بسته برای طرحهای مختلف صفبندی شد. در FIFO این مقدار برای 5 و 10 و 15 ایستگاه کاری برابر است با صفر و برای 20 ایستگاه کاری نیز تقریباً از 4-10× 2/1 تا 4-10× 6/2 است. برای 25 کاربر، این مقدار در هر سلول 4-10×8/1 تا 4-10× 3/2 تغییر میکند و برای 30 کاربر نهایی، این مقدار از 4-10× 2/1 تا 4-10× 1/2 در نوسان است. در رشته PQ، مقدار تغییر تأخیر بسته تا زمانی که ایستگاههای کاری 20 تا هستند برابر است با از4-10×8 تا 4-10× 2/2، و برای 25 ایستگاه کاری، این مقدار از 4-10×8/1 تا 4–10× 3/2 و برای 30 ایستگاه کاری از 4-10×5/1 تا 4-10× 3/2 در حال تغییر است.
شکل شماره 17. تغییر تأخیر بسته برای صفبندی FIFO
شکل شماره 18. تغییر تأخیر بسته برای صفبندی اولویت
شکل شماره 19. تغییر تأخیر بسته برای صفبندی عادلانه وزنشده
بهطور مشابه، برای رشته WFQ تا زمانی که 10 ایستگاه کاری وجود دارد این مقدار برابر است با:
از 4-10× 9 تا 4-10×2، وقتی تعداد ایستگاههای کاری در هم ضرب میشوند، این مقدار هم تغییر میکند. برای 15 ایستگاه کاری، این مقدار از 4-10× 5/1 تا 4-10× 4/2 تغییر میکند، برای20 و 25 ایستگاه کاری، این مقدار از 4-10× 5/1تا 4-10× 3/2و از 4-10× 9/1 تا 4-10× 3/2 برای 30 کاربر، از 4-10× 5/1 تا 4-10× 3/2 در نوسان است.
از شکلهای 20، 21 و 22 میتوان تأخیر end to end بسته را برای تمام رشتههای صفبندی مشاهده کرد. برای صفبندی FIFO برای 5، 10، 15، 20، 25، 30 ایستگاه کاری به ترتیب 92/0، 95/0، 1/0، 1/0، 1/0 برای صفبندی اولویت و صفبندی عادلانۀ وزنشده نیز به همین ترتیب است.
شکل شماره 20. تأخیر end to end بسته برای صفبندی FIFO
شکل شماره 21. تأخیر end to end بسته برای صفبندی اولویت
شکل شماره 22. تأخیر end to end بسته برای صفبندی عادلانه وزنشده
شکلهای 23، 24 و 25 ترافیک بستههای دریافتی را برای سه صفبندی مورد نظر نشان میدهد که برای ایستگاههای 5، 10، 15، 20، 25، 30 از صفر تا نزدیکی 2 میلیثانیه برای هر سه صفبندی صفر و از 2 میلیثانیه به بعد به ترتیب برابر است با: 05/0، 09/0، 35/1، 7/2، 95/1، 3/2.
شکل شماره 23. ترافیک بستههای دریافتی برای FIFO
شکل شماره 24. ترافیک بستههای دریافتی برای صفبندی اولویت
شکل شماره 25. ترافیک بستههای دریافتی برای صفبندی عادلانۀ وزنشده
شکلهای 26، 27 و 28 ترافیک بستههای ارسالی را برای سه صفبندی نشان میدهد که برای هرکدام یکسان است و در همه ایستگاهها از صفر تا نزدیک 2 میلیثانیه و سپس برابر است با: 05/0، 09/0، 35/1، 7/۱، 1/۲ و ۵/۲ میلیثانیه به ترتیب افزایش ایستگاهها.
شکل شماره 26. ترافیک بستههای ارسالی برای صفبندی
شکل شماره 27. ترافیک بستههای ارسالی برای صفبندی اولویت
شکل شماره 28. ترافیک بستههای ارسالی برای صفبندی عادلانه وزنشده
در این پژوهش، کارایی سه صفبندی FIFO، PQ و WFQ با کمک شبیهساز OPNET و پارامترهای مختلف مورد بررسی قرار گرفتند. برای این منظور شبکه بیسیم IEEE 802.1 طراحی شدند و هرکدام به ازای معیارهای مختلفی ارزیابی شدند. نتایج شبیهسازیها نشان میدهد مقدار MOS، تغییر تأخیر بسته، و تأخیر end to end بسته برای سه طرح صفبندی مختلف مطرح شد. همچنین این پارامترها با تعدادی ایستگاه کاری مورد محاسبه قرار گرفت که میزان لرزش، تأخیر پایانه به پایانه و اختلاف تأخیر بستهها را به میزان قابلتوجهی افزایش میدهد و در نتیجه کارایی شبکه تا اندازۀ زیادی کاهش مییابد. در این مقاله، روشهایی برای مدیریت کیفیت و پهنای باند مصرفی ارائه شد. در ابتدا الگوریتمی پیادهسازی شد تا کیفیت صدا را در بستر شبکه بهبود بخشد و منابع مصرفی را کاهش دهد. این الگوریتم در مقایسه با الگوریتم موجود پیشین، کیفیت دریافتی در گیرنده را افزایش میدهد. افزایش نرخ بیت معمولاً افزایش کیفیت را به همراه دارد و پهنای باند مصرفی را افزایش میدهد. افزایش طول بسته موجب افزایش تأخیر انتها به انتها و همچنین موجب کاهش ازدحام در شبکه میشود؛ بنابراین تغییر طول بسته با توجه به شرایط، کیفیت را افزایش یا کاهش میدهد. پس از آن، افزایش طول بسته و افزایش نرخ بیت راهگشا خواهد بود. در این حالت، کاهش تأخیر انتها به انتها تأثیر بیشتری نسبت به کاهش ازدحام در شبکه در بهبود کیفیت صدا در گیرنده دارد.