مشکل ازدحام در شبکه‌ها چیست و چرا مهم است؟

ازدحام چیست؟

ازدحام یکی از بزرگ‌ترین مشکلات پیرامون شبکه اینترنت و شبکه‌های محلی است. مشکلی که اگر برای آن راهکاری در نظر گرفته نشده باشد باعث می‌شود، روترها به یکباره با حجم انبوهی از ترافیک روبرو شوند و نتوانند به درستی به درخواست‌هاپ پاسخ دهند. این مشکل ممکن است به شکل پاسخ‌دهی کند یا در حالت بدتر از دست رفتن تمام بسته‌های اطلاعاتی خود را نشان دهد. برای حل این مشکل لازم است متخصصان شبکه با الگوریتم‌های ارائه شده توسط پروتکل‌هایی شبیه به TCP و خط‌مشی‌های قابل پیاده‌سازی در لایه‌های مختلف شبکه آشنایی داشته باشند.

چگونه ازدحام را شناسایی کنیم؟

تشخیص زودهنگام تصادفی ازدحام (RED) سرنام Random early detection یا به عبارت دقیق‌تر حذف زودهنگام تصادفی بسته‌ها یکی از الگوریتم‌های مدیریت فعال صف است. علاوه بر این الگوریتم یاد شده یکی از الگوریتم‌های معروف در زمینه کنترل ازدحام است. در الگوریتم رایج droptail یک روتر یا هر مولفه شبکه تا حد امکان بسته‌ها را بافر می‌کند و بعد از پر شدن بافر بسته‌های جدید را حذف می‌کند. اگر بافر همیشه پر باشد، شبکه دچار ازدحام می‌شود. کاری که الگوریتم droptail تخصیص و تقسیم غیرهوشمند فضای بافر میان جریان ترافیکی است. علاوه بر این، droptail گاهی اوقات مشکل پدیده همزمانی همگانی tcp را به وجود می‌آورد، زیرا همه اتصالات TCP به صورت هم‌زمان عقب‌نشینی و به صورت هم‌زمان شروع به ارسال ترافیک می‌کنند. به این ترتیب شبکه ها به صورتی نوبتی کار می‌کنند که در نهایت مشکل ازدحام را پدید می‌آورند. الگوریتم RED برای غلبه بر این مشکلات استفاده می‌شود. عملکرد RED به این‌گونه است که متوسط طول صف را پایش می‌کند و بسته‌ها را بر اساس احتمالات آماری حذف یا علامت‌گذاری می‌کند. اگر بافر نسبتا خالی باشد، تمام بسته‌های ورودی وارد صف می‌شوند. با افزایش طول صف، احتمال حذف شدن بسته‌های ورودی نیز بیشتر می‌شود. وقتی بافر تقریباً پر شود، این احتمال به 1 میل می‌کند و تمام بسته‌های دریافتی حذف می‌شوند. RED عادلانه تر از droptail عمل می‌کند؛ چرا که تمایلی علیه ترافیک انفجاری که تنها از بخشی از پهنای باند استفاده می‌کند، ندارد. هرچه یک هاست ترافیک بیشتری ارسال کند، احتمال اینکه بسته‌هایش حذف شوند بیشتر می‌شود، زیرا احتمال حذف بسته یک هاست خاص به نسبت حجم داده‌ای است که در صف دارد. شناسایی زودهنگام به پیشگیری از پدیده همزمانی همگانی TCP کمک می‌کند.

الگوریتم قدرتمند تشخیص زود هنگام تصادفی ازدحام (Robust Random Early Detection) برای بهبود گذردهی TCP در برابر حمله‌های DOS به ویژه Low-rate Denial-of-Service LDoS پیشنهاد شد. تحقیقات نشان می‌دهند که الگوریتم‌های مثل RED به دلیل طول صف متغیر TCP ناشی از حمله به صورت محسوسی در معرض خطر LDoS هستند. الگوریتم RRED به صورت چشمگیری کارایی TCP را در برابر این حملات بهبود می‌بخشد. عملکرد پروتکل فوق را در تصویر زیر مشاهده می‌کنید.

توان عملیاتی و کنترل ازدحام

همان‌گونه که اشاره شد، کنترل ازدحام به میزان قابل توجهی عملکرد شبکه را کاهش می‌دهد. در نتیجه زمانی که شبکه با ترافیک سنگین روبرو شود، توان عملیاتی (Throughput) به یکبار کاهش پیدا می‌کند، اما توان عملیاتی چیست؟ توان عملیاتی(Throughput) در شبکه‌های ارتباطی مانند اترنت، متوسط نرخ تحویل موفق پیام در یک کانال ارتباطی است. این داده‌ها ممکن است از یک پیوند فیزیکی یا منطقی یا عبور از طریق گره شبکه خاص تحویل داده شوند. توان عملیاتی معمولاً در واحد بیت بر ثانیه و گاهی اوقات بسته‌های داده برثانیه یا بسته‌های داده در بازه‌های زمانی، اندازه‌گیری می‌شوند. توان سیستم یا توان کل عبارت است از مجموع نرخ داده‌هایی که به همه پایانه‌ها در یک شبکه تحویل داده شده است. توان را می‌توان به صورت ریاضی با استفاده از تئوری صف که در آن بار در بسته در واحد زمان با نرخ ورود لاندا (λ)  و توان در بسته در هر واحد زمان با نرخ خروج μ مشخص می‌شود، تجزیه و تحلیل شده‌ است. سرپرستان و معماران شبکه‌های کامپیوتری و پژوهشگران ارتباطات اغلب به شناخت عملکرد مورد انتظار از یک کانال ارتباطی علاقه دارند. به همین دلیل، علاقه‌مند به انتخاب مؤثرترین معماری برای شبکه‌های ارتباطی هستند تا بهترین خروجی را دریافت کنند. در اغلب موارد معیار آن‌چه شبکه قادر به انجام آن است یا حداکثر کارایی شبکه آن چیزی است که طراح یا سازمان بدان علاقه‌مند است. زمانی که در مورد توان عملیاتی صحبت می‌کنیم، اصطلاح حداکثر توان زمانی استفاده می‌شود که قرار است کاربر نهایی آن توان را دریافت کند. بر همین اساس حداکثر توان به سه مجموعه اصلی تقسیم می‌شود. به‌طور کلی، توان حداکثری مترادف با پهنای باند دیجیتال است. به همین دلیل زمانی که درباره توان عملیاتی صحبت می‌کنیم از اصطلاحات مختلفی برای این منظور استفاده می‌کنیم. از مهم‌ترین اصطلاح مطرح شده در این زمینه می‌توان به حداکثر توان نظری، حداکثر توان دست یافتنی، اوج توان اندازه‌گیری، و حداکثر توان پایدار اشاره کرد. این‌ اصطلاحات نشان دهنده مقادیر مختلف هستند و باید دقت شود که در مقایسه با مقادیر مختلف"حداکثر" تعاریف نزدیک، اما متفاوتی دارند. مقایسه مقادیر توان به هر بیتی که مقادیر یکسانی از اطلاعات را حمل می‌کند بستگی دارد. فشرده‌سازی داده‌ها می‌تواند به میزان قابل توجهی انحراف محاسبات توان را از جمله ایجاد ارزش بیشتر از ۱۰۰٪ سبب شود. اگر ارتباط با لینک‌های مختلف در مجموعه‌ای با نرخ بیت‌های متفاوت برقرار شود حداکثر توان لینک کلی کمتر یا مساوی کمترین نرخ بیت خواهد بود. لینک با کمترین ارزش در مجموعه با عنوان تنگنا شناخته می‌شود.

پهنای باند پردازشی

مشکل دیگری که به واسطه ازدحام در شبکه اتفاق می‌افتد از دست رفتن پهنای باند پردازشی است. در محاسبات، پهنای باند، بیشترین میزان انتقال داده در سراسر یک مسیر مشخص است. پهنای باند به عنوان پهنای شبکه، پهنای داده یا پهنای دیجیتال نیز نامیده می‌شود. تعریف پهنای باند با زمینه پردازش سیگنال، ارتباطات بی‌سیم، انتقال داده مودم، ارتباطات دیجیتال، و الکترونیک‌ها در تضاد است، که در آن پهنای باند به پهنای سیگنال آنالوگ اندازه‌گیری شده با هرتز اشاره دارد. نرخ واقعی بیت به دست آمده، نه تنها به پهنای باند سیگنال بستگی دارد بلکه وابسته به کانال نیز است. عبارت پهنای باند گاهی به صورت نرخ بیت شبکه (حداکثر نرخ انتقال در شبکه)، نرخ اطلاعات یا لایه فیزیکی (نرخ بیت سودمند)، گنجایش کانال یا حداکثر توان عملیاتی از یک مسیر ارتباطی منطقی یا فیزیکی در یک سیستم ارتباطی دیجیتال تعریف می‌شود. به‌طور مثال، ارزیابی‌های پهنای باند، حداکثر توان خروجی از یک شبکه کامپیوتری را برآورد می‌کند. پهنای باند مصرف شده به بیت بر ثانیه، مربوط به توان خروجی به‌دست آمده یا منبع خوب، یعنی نرخ متوسط انتقال موفق داده در طول یک مسیر ارتباطی، است. پهنای باند مصرف شده می‌تواند از فناوری‌هایی نظیر شکل‌دهی پهنای باند، مدیریت پهنای باند، دریچه پهنای باند، تخصیص پهنای باند (برای نمونه پروتکل تخصیص پهنای باند و تخصیص پهنای باند پویا) و غیره تاثیرپذیر باشد. پهنای باند کانال ممکن است با توان داده‌های مفید نیز در ارتباط باشد. به‌طور مثال، بیشتر ترافیک اینترنت از پروتکل کنترل انتقال (TCP) استفاده می‌کند که برای هر تراکنش به دست‌دهی سه طرفه نیاز دارد. اگرچه در بسیاری از پیاده‌سازی‌های مدرن پروتکل کارآمد است، اما در مقایسه با پروتکل‌های ساده‌تر سربار قابل توجهی را اضافه می‌کند. همچنین بسته‌های داده ممکن است از بین برود که باعث کاهش بیشتر کارایی داده می‌شود. به‌طور کلی، برای هرگونه ارتباط دیجیتالی مؤثر، یک پروتکل قاب‌بندی مورد نیاز است. توان سربار و کارآمد به اجرای آن بستگی دارد. توان مصرفی کمتر از یا برابر با ظرفیت واقعی کانال منهای اجرای سربار است.

مدیریت صف با هدف غلبه بر مشکل ازدحام

در روترها، مدیریت صف فعال (Active queue management) که تحت عنوان AQM از آن نام برده می‌شود تکنیکی است که شامل دور انداختن یا علامت‌گذاری بسته‌ها بر اساس روش ECN است، قبل از این‌که بافر روتر مملو از بسته‌های اطلاعاتی شود. یک روتر عموماً مجموعه‌ای از صف‌ها را در هر واسط نگهداری می‌کند که شامل بسته‌های برنامه‌ریزی شده برای خروج از هر واسط است. به لحاظ تئوری، این صف‌ها از روش Drop-Tail برای نظم دادن استفاده می‌کنند: یک بسته در صف قرار داده می‌شود، اگر صف (حجم صف براساس بسته یا بایت اندازه‌گیری می‌شود) کوچکتر از حداکثر ظرفیت خودش باشد و در غیر این‌ صورت دور انداخته می‌شود. روش‌های نظم دهی صف فعال بسته‌ها را دورانداخته یا علامت‌گذاری می‌کند قبل از اینکه صف پرشود. عموماً این روش با نگهداری یک یا چند احتمال انداخته یا علامت‌گذاری کرده عمل می‌کند و احتمالاً بسته‌ها حتی زمانی که صف کوچک است انداخته یا علامت‌گذاری می‌شوند.

مدیریت صف فعال چه مزایایی دارد؟

صف‌های Drop-Tail خط‌مشی‌های سخت‌گیرانه‌ای در ارتباط با جریان‌های پشت سرهم را دارند و همگام‌سازی سراسری جریان‌ها را پیاده‌سازی می‌کنند. با دورانداختن بسته‌ها به صورت احتمالی، روش مدیریت صف فعال عموماً از این دو مسئله دوری می‌کند. با ایجاد نقاط پایانی با شاخص ازدحام قبل از اینکه صف پرشود روش‌های مدیریت صف فعال می‌تواند یک صف کوتاه‌تر نسبت به صف‌های Drop-Tail نگهداری کنند که مشکل امنیتی buffer bloat را حل می‌کنند و تاخیرشبکه (network latency) را کمتر می‌رسانند. مشکلات مدیریت صف فعال روش‌های اولیه نظم دهی مدیریت صف فعال (به خصوص تشخیص زودهنگام تصادفی ازدحام و RED) نیاز به تنظیم دقیق پارامترهایشان به منظور تأمین عملکرد خوب است. روش‌های دید نظم‌دهی مدیریت صف فعال (ARED و Blue و PI) خود تنظیم بوده و با پارامترهای قراردادی خودشان با بیشتر یا تمامی محدودیت‌ها اجرا می‌گردند.

بسترهای نرم‌افزاری شبیه‌سازی و تجزیه وتحلیل برای الگوریتم‌های مدیریت صف فعال

علاوه بر این، به این نکته دقت کنید که بسترهای نرم‌افزاری یک مدیریت صف فعال و حمله محروم‌سازی از سرویس برای الگوریتم‌های RRED براساس کدشبیه‌سازی NS-2 طراحی شده‌اند.  در مکانیزم فوق به‌طور خودکار میانگین خروجی جریان معمولی TCP را قبل و بعد از حمله‌های DoS برای آسان نمودن تجزیه و تحلیل تأثیر حمله‌های DoS روی جریان‌های TCP معمولی و الگوریتم‌های مدیریت صف فعال محاسبه و ذخیره میکند. از مهم‌ترین الگوریتم‌های صف فعال به موارد زیر می‌توان اشاره کرد:

صف مجازی تطبیقی AVQ سرنام Adaptive Virtual Queue

تشخیص زودهنگام تصادفی ازدحام تشخیص تصادفی زودرس (RED)

نشانه‌گذاری تصادفی نمایی REM سرنام Random Exponential Marking

روش آبی و تصادفی منصفانه SFB سرنام Blue and Stochastic Fair Blue

CHOKe

الگوریتم پی‌آی‌دی

تشخیص تصادفی زودرس افزایشی 

RED with Preferential Dropping

Controlled Delay 

کلام آخر

ازدحام یکی از مسائل رایج در شبکه‌های داده‌ای است. زمانی‌که مقدار داده‌های ورودی به شبکه فراتر از ظرفیت شبکه باشد، مشکل ازدحام به وجود می‌آید. هدف از کنترل ازدحام حفظ اندازه صف در شرایطی مطلوب است، البته ممکن است عملکرد شبکه به شکل چشم‌گیری کاهش پیدا کند. به همین دلیل برای کنترل ازدحام شبکه TCP باید از راهکارهایی نظیر تخصیص طیف محدود (FSA) استفاده کرد. الگوریتم قدرتمند تشخیص زود هنگام تصادفی ازدحام برای بهبود گذردهی TCP در برابر حمله‌های DOS به ویژه Low-rate Denial-of-Service LDoS  پیشنهاد شد. تحقیقات نشان می‌دهد که الگوریتم‌های مثل RED به دلیل طول صف متغیر TCP ناشی از حمله به صورت محسوسی در معرض خطر LDoS هستند. الگوریتم RRED به صورت چشمگیری کارایی TCP را در برابر این حملات بالا می‌برد.  الگوریتم RED سازگار یا RED فعال، تعیین می‌کند که RED چه عکس‌العملی در مقابل متوسط طول صف داشته باشد. اگر متوسط طول صف حول مینیمم آستانه در نوسان باشد، تشخیص زودهنگام نیاز نیست، اما اگر متوسط طول صف نزدیک به ماکزیمم آستانه باشد، تشخیص زود هنگام بسیار محافظه کارانه عمل می‌کند. این الگوریتم نرخ احتمال را بر اساس اینکه چه مقدار از ترافیک را حذف کرده‌است تغییر می‌دهد. اولین کنترل‌کننده ارائه شده در این زمینه یک کنترل‌کننده ساده PI بود. شبیه‌سازی‌های اولیه نشان دادند که کنترل‌کننده ارائه شده نسبت به روش RED نتایج بهتری ارائه می‌کنند. سادگی روش PI و عملکرد آن نسبت به RED باعث شد تا فناوری فوق به شکل تجاری توسعه پیدا کند. البته روش‌های کارآمد دیگری نظیر روش‌های مبتنی بر پیش‌بین اسمیث نیز ارائه شدند.