1. Ключові положення red

Не рідко на маршрутизаторах в мережі виникає так звана проблема “tail drops” – відсікання кінця черги. Коли черга переповнена, не один із знову поступаючих пакетів туди вже не поміщаються, а тому і відкидаються. Таке керування чергою приводить до повторної синхронізації параметрів з’єднання. Після синхронізації ТСР одразу ж посилає стільки пакетів, скільки допускає розмір вікна підтвердження. Подібний сплеск навантаження знову приводить до відсічення кінця черги, що знову породжує необхідність повторної синхронізації. Таке блукання по колу може продовжуватись досить довго. Проблема відсічення хвосту з кожним днем стає все більш актуальною [20].

Яким же чином уникнути ефекту глобальної синхронізації в маршрутизаторі? Механізм RED дозволяє уникнути вище описаних небажаних явищ, спричинених перевантаженнями в мережі.

Рисунок 2.1 – Нормалізована пропускна здатність, при використані політики “ drop-tail policy ” та RED.

На рисунку 2.1 показаний результат емуляції, в якій алгоритм RED порівнюється з політикою обрубування хвостів (drop-tail policy), що представляє собою відкидання пакетів в випадку відсутності вільного місця в черзі. При високих рівнях перевантаження алгоритм RED помітно перевершує політику обрубування хвостів, забезпечуючи більш високу пропускну здатність.

RED називають по різному: довільне раннє анулювання (Random Early Discard), довільне раннє видалення(Random Early Drop) або ж довільне раннє виявлення (Random Early Drop). Частіше всього використовують скорочення RED.

RED доцільно використовувати в тих випадках, коли транспортний протокол здатний реагувати на індикатори перевантаження мережі, тобто відносно черг ТСР, а не черг UDP або ICMP.

Таким чином, до основних цілей алгоритму випадкового раннього виявлення відносять:

- Попередження перевантаження. Метод випадкового раннього виявлення призначений не для реагування на виникнення перевантаження, а для їх запобігання.

- Запобігання глобальної синхронізації. Коли маршрутизатор виявляє перевантаження, він повинен вирішити, якому з'єднанню (або з'єднанням) запропонувати знизити швидкість передачі даних. У використовуваному на сьогодні варіанті цього методу дане повідомлення є неявним і проявляється у втраті пакетів. Виявляючи перевантаження заздалегідь і повідомляючи про неї тільки ті з’єднання, які потрібно, цей метод дозволяє уникнути глобальної синхронізації

- Запобігання дискримінації джерел нерівномірного трафіку. З великою ймовірністю перевантаження в мережі починається з надходження великого обсягу даних від одного або кількох джерел. Цей сплеск активності додається до поточного навантаження на маршрутизаторі. Якщо для відкидання вибираються тільки прибуваючі пакети, тоді великою є ймовірність того, що алгоритм відкидання пакетів буде спрямований в основному проти джерел з непостійною швидкістю передачі даних.

- Обмеження середньої довжини черг. Метод випадкового раннього виявлення повинен вміти контролювати середню довжину черг і, отже, середню затримку.

В маршрутизаторі, де використовується методика RED, задається два порогових значення, що відносяться до положення дейтаграм в черзі: і . Мінімальний розмір черги розраховується виходячи з максимально допустимого часу затримки в черзі і пропускної здатності каналу.

Максимальний розмір черги необхідно задавати по меншій мірі в два рази більшим мінімального, щоб знизити ймовірність повторної синхронізації. На повільних лініях, із невеликою мінімальною межею розміру черги, слід задавати в чотири рази більше .

Рисунок 2.2 – Буфер маршрутизатора при використанні алгоритму RED

В загальних рисах роботу даного алгоритму можна описати трьома правилами, за допомогою яких безпосередньо і визначається положення в черзі кожної із знову прибуваючих дейтаграм [5]:]

- якщо в поточний час в черзі знаходиться менше, ніж дейтаграм, нова дейтаграма просто додається в кінець черги;

- якщо в черзі знаходиться більше, ніж , то всі нові дейтаграми анулюються;

- якщо число дейтаграм в черзі коливається між і , то анулюється одна із поступаючи дейтаграм, обрана випадковим чином відповідно із заданою часткою ймовірності р.

Стратегія випадкового вибору, закладена в RED, дозволяє маршрутизатору по мірі збільшення перевантаження переходити до поступового і випадкового видалення дейтаграм. В цьому і є основна відмінність RED від алгоритму відсікання хвосту черги, при використанні котрого у випадку переповнення черги більша кількість ТСР-з’єднань переводиться в стан повільного запуску.

Ключем для ефективної роботи методу RED являється правильний вибір порогових значень і , а також величини ймовірності втрат р. Як згадувалось вище, значення повинно бути достатньо більшим, щоб забезпечити високу пропускну здатність вихідного каналу зв’язку.

Самою складною задачею в алгоритмі RED являється знаходження величини ймовірності втрат дейтаграм р. Очевидно, що дана величина не може бути завжди постійною і повинна розраховуватись заново для кожної із новоприбулих дейтаграм. Її значення залежить від поточного розміру черги і установлених порогових значень і .

Опишемо алгоритм, використовуваний в RED, із ймовірнісної точки зору. Коли розмір черги менший , втрат дейтаграм не відбувається. Тому, можна вважати, що в даному випадку значення р рівне нулю. При випадку, коли розмір черги перевищує , всі дейтаграми втрачаються, а величина р відповідно рівна одиниці. Якщо ж розмір черги коливається між і , значення ймовірності втрати дейтаграм р можна змінювати по лінійному закону від 0 до 1.

В алгоритмі RED визначається середньозважене значення розміру внутрішньої черги avg, котре використовується для обчислення ймовірності втрати дейтаграм. Величина середньозваженого значення avg змінюється по експоненціальному закону і коректується кожен раз при отриманні чергової дейтаграми. При цьому використовується наступна формула [3]:

(2.1)

В даній формулі значення коефіцієнту знаходиться в інтервалі між 0 і 1. Якщо значення достатньо мале, то середньозважене значення avg буде відслідковувати тенденції, що відбуваються впродовж довгого інтервалу часу. При цьому воно буде мало сприйнятливо для короткочасних перевантажень в мережі.

В результаті моделювання роботи алгоритму RED і дослідження його поведінки в реальних умовах, було виявлено багато переваг цього методу. При перевантаженні мережі він дозволяє уникнути ефекту глобальної синхронізації, котрий виникає при використанні методу відсікання хвосту черги. Крім цього, при короткочасному перевантаженні метод RED без крайньої необхідності не анулює дейтаграми. Завдяки вище перечисленим перевагам даного алгоритму, на поточний час група IETF рекомендує використовувати в програмному забезпеченні маршрутизаторів саме метод RED.