Vonesat në shkëmbimin e paketave në rrjetat kompjuterike

Hyrje

Kemi thene së Interneti mund të shihet si një infrastrukture që ofron shërbime për aplikacione të shpërndara. Ideale do të ishte nëse përmes shërbimeve të Internetit do të ishim në gjendje të bartnim aq të dhena sa deshirojmë në mes cdo dy sistemeve fundore, pa vonesa kohore nga moment i dergimit deri tek pranimi dhe pa ndonjë humbje të te dhenave. Për fat të keq kjo nuk është ajo që ndodh në realitet. në vend të kesaj, rrjetat kompjuterike domosdoshmerisht kushtezojne sasine e të dhenave që mund të transferohet brenda sekondit ndërmjet pikave fundore të sistemeve, japin vonesa në kohë ndërmjet pikave fundore të sistemeve, dhe është e mundshme edhe të humbin paketat.

1.1 Një vështrim i përgjithshëm për Vonesën në Shkëmbimin e Paketave në Rrjeta Kompjuterike

Çdo paketë niset nga hosti (burimi), kalon nëPërmes një serie ruterësh, dhe përfundon udhëtimin në një tjetër host (caku). Derisa paketa udhëton nga një nyje ( host apo ruter) tek nyje (hosti apo ruteri) i radhës, paketa vuan nga disa tipe vonesash në secilën nyje. Më të rëndësishmet prej këtyre vonesave janë vonesa e procesimit në nyje,vonesa e buferit(pritja për transmetim) ,vonesa e transmetimit dhe vonesa e shpërndarjes( udhëtimi). Së bashku, këto vonesa grumbullohen për të dhene totalin e vonesës në nyje. Përformancat e shumë aplikacioneve të Internetit – si kërkimi (search), shfletimi i faqeve ( Web browsing), imella (email), hartat, komunikimi i drejtpërdrejtë me mesazhe, dhe voice-over-IP – janë shumë të ndikuara nga vonesat në rrjet.

Tipet e Vonesave

Le të hulumtojmë këto vonesa në kontekst të figures Fig 1.1. Si pjesë e rrugës fund- fund ndërmjet burimit dhe cakut, paketa dërgohet nga nyja-klient përmes ruterit A tek ruteti B. Qëllimi ynë është që ta karakterizojmë vonesën nyjore në ruterin A. Vëreni së ruteri A ka një lidhje dalëse që drejton për tek ruteri B. Kjo lidhje përcjellet me një pritje të paketave për tu transmetuar( të njohur edhe si bufer ). Kur paketa arrin tek ruteri A nga nyja-klient, ruteri A e “lexon” kokën e paketës për ta përcaktuar lidhjen dalëse adekuate për paketën dhe pastaj e drejton paketën në ketë lidhje. në këtë shembull, lidhja dalëse për paketën është ajo që e drejton për tek ruteri B. Paketa mund të transmetohet në lidhje vetëm nëse asnjë paketë tjetër nuk është duke u transmetuar në të njëjten kohë në lidhje dhe nëse nuk ka asnjë paketë tjetër që është ende në bufer. Nëse kjo lidhje është e zënë ose nëse ka ende ndonjë paketë duke u përgatitur për lidhje( në bufer), atëherë paketat e reja që mbërrijnë në këtë kohë do ti bashkangjiten buferit.

Vonesat e Procesimit

Koha e nevoitur për “leximin” e kokës së paketës përmes së cilës përcaktohet së për ku do të drejtohet ajo paketë, është pjesë e vonesës së procesimit. Në vonesën e procesimit gjithashtu ndikojnë edhe faktorë të tjerë, si koha e nevoitur për të kontrolluar gabimet eventuale në bita në paketë që kanë ndodhur gjatë transmetimit të bitave të paketës nga nyja- klient tek ruteri A. Vonesat e procesimit në ruterat me shpejtësi të madhe jane të rendit mikrosekonda apo me pak. Pas kësaj, ruteri drejton paketën në bufer për tu drejtuar me pas në lidhjen e caktuar për tek ruteri B.

Vonesat në Bufer

Në bufer, paketa përjeton vonesa përderisa pret për tu transmetuar në linjë. Kohëzgjatja e vonesës së buferit për secilën paketë specifike do të varet nga numri i paketave që kanë arritur me herët dhe që janë të radhitura duke pritur për tu transmetuar. Nëse buferi është i zbrazët dhe asnjë paketë nuk është duke u transmetuar në atë kohë, atëhere vonesa kohore e buferit do të jetë zero. Në anën tjetër, nëse trafiku është i ngarkuar dhe shumë paketa të tjera janë poashtu duke pritur për tu transmetuar atëherë, vonesa në bufer do të jetë e madhe. në do të shohim shkrutimisht së numri i paketave që zakonisht pritet ti gjejë një paketë kur të arrije, është në funksion të intenzitetit dhe natyrës së arritjes së paketave në bufer. Vonesa e buferit mund të ndërrojë nga paketa në paketë. Për shembull, nëse 10 paketa arrijnë tek një bufer i zbrazët në të njëjten kohë, paketa e parë e transmetuar nuk do të përjetoje vonësen e buferit, përderisa paketa e fundit e transmetuar do të vuaje një vonëse relativisht të madhe( pasi që ka për të pritur nëntë paketat e tjera të transmetohen). Keshtu që, gjatë karakterizimit të vonëses së buferit zakonisht përdoren matjet statistike, si mesatarja e vonëses së buferit, luhatjet apo ndryshimet në kohëzgjatjen e vonëses së buferit, dhe probabilitetin që vonesa e buferit të kalojë ndonjë vlerë të caktuar. Për një shikim më të thelle, le të shënojmë me a mesataren e shpejtësise me të cilen paketat arrijnë në bufer (a ka njësine paketa/s). Rikujtojme së R ishte shpejtësia e transmetimit në bits/s, me të cilen bitat shtyhen në bufer. Gjithashtu supozojme, për thjështësim, së të gjitha paketat përmbajne L bita. Mesatarja e shpejtësisë me të cilën bitat arrijnë në bufer është La bits/s. në fund, supozojmë së buferi është shumë i madh, ashtu që mund të mbaje deri në “pakufi” bita. Raporti La/R, quhet intensiteti i trafikut. Nëse La/R>1, atëherë mesatarja e shpejtësise me të cilen bitat arrijnë në bufer e kalon shpejtësinë me të cilen bitat mund të transmetohet nga buferi. Në këtë situatë, buferi do të tentoje të rritet pa u ndalur dhe vonesa e buferit do ti afrohet infinitit! Prandaj, një nga rregullat e arta në trafikun inxhinierik është: Dizajno sistemin tend ashtu që intensiteti i trafikut të mos jete me i madh se 1. Tash marrim rastin kur La/R≤1. Në këtë rast, natyra e trafikut të arritur e zvogëlon vonësen e buferit. Për shembull, nëse paketat arrijne në menyre përiodike , d.m.th. cdo L/R sekonda, atëherë çdo paketë do të arrije në bufer të zbrazet dhe nuk do të këtë vonëse të buferit. në anen tjetër, nëse paketat arrijnë te shperndara por në menyre përiodike, mesatarje e vonëses të bufer do të jetë mjaft e dukshme. Për shembull, supozojme së N paketa arrijne njëkohësisht cdo (L/R)N sekonda. PAstaj paketa e parë e transmetuar nuk ka vonëse të buferit, e dyta paketë që transmetohet ka vonëse të buferit prej L/R sekonda dhe paketa e n-të e transmetuar ka vonëse të buferit (n-1)L/R sekonda. Mirepo nese flasim per realitetin atëherë në praktikë zakonisht, paketat e arritura nuk rrjedhin sipas ndojne modeli të caktuar dhe janë të ndara në mes vete për sasi kohësh të rastesishme. Në këtë rast sasia La/R zakonisht nuk është e mjaftueshme për të karakterizuar statistikat e vonëses së buferit. Mirëpo, është e nevojshme për të fituar sensing e shtrirjes së vonëses së buferit. Në vecanti, nëse intensiteti i trafikut është afer zeros, atëherë paketat e arritura do të gjejne ndonjë paketë në bufer. Keshtu, mesatarja e vonësës së buferit do të jete afër zeros. në anen tjetër, kur intensiteti i trafikut është afer 1, do të këtë intervale kohore kur shpejtësia e arritjes do ta tejkalojë kapacitetin e transmetimit ( varësisht nga ndryshimet në shpejtësinë e mberritjes së paketave), dhe gjatë ketyre përiudhave të kohës në bufer do të formohet radha e paketave. Nëse shpejtësia e mberritjës është më e vogel se sa kapaciteti i transmetimit, atëherë gjatësia e radhës do të zvogëlohet. Mirëpo pa marr parasysh, nëse intensiteti i trafikut është afër vlerës 1, mesatarja e gjatësisë së radhes së paketave në bufer do të rritet shumë e me shume. Varësia kualitative e vonëses së buferit nga intensiteti i trafikut është treguar në figurën Fig.1. Vonesat e buferit në praktike mund të jenë të rendit mikro – milisekonda.

Vonesat në Transmetim

Duke supozuar së paketat transmetohen në formën FIFO ( first-in-first-out pra e para që hyn është e para që del), që është edhe metodë e zakonshme për shkëmbimin e paketave në rrjet, paketa jonë mund të transmetohet vetem pasi që të gjitha paketat që kane arritur para saj të jene transmetuar. Le të shënojmë me L bits gjatësinë e paketës, dhe me R bits/sec le të shënojmë shpejtësinë e transmetimit të lidhjes nga ruteri A tek ruteri B. Për shembull, për lidhjen Ethernet 10mbps, vlera e shpejtësise është R = 10Mbps. Vonesa e transmetimit paraqet raportin L/R. Kjo është sasia e kohës që nevoitet për të shtyer apo transmetuar të gjithë bitat e paketës në linjë. Vonesat e transmetimit në praktikë janë zakonisht të rendit mikro – milisekonda.

Vonesat e shpërndarjes (udhëtimit)

Pasi që një bit shtyhet në linjë, atij i duhet të udhëtoje deri të ruteri B. Koha e nevoitur për këtë udhëtim quhet vonesë e udhëtimit apo e shpërndarjes.Shpërndarja ka kuptimin së paketat nga një ruter mund të udhëtojnë në drejtime të ndryshme. Biti udhëton me shpejtësinë e shpërndarjes së lidhjes. Shpejtësia e udhëtimit varet nga mjedisi fizik i lidhjes( që mund të jete fibër optik, tel i përberë nga dy tela të bakrit të mbështjellur rreth njëri tjetrit, e lloje të tjera) dhe është në intervalin:

2∙10⁸ m/s deri në 3∙10⁸ m/s

që i afrohet shpejtësisë së dritës! Vonesa e shpërndarjes paraqet raportin në mes distancës ndërmjet dy ruterëve dhe shpejtësisë së shPërndarjes. Nëse me d e shënojmë distancën ndërmjet ruterit A dhe ruterit B dhe me s e shënojmë shpejtësinë e udhëtimit të lidhjes, atëherë vonesa e shpërndarjes do të jetë d/s . Sapo biti i fundit i paketës mbërrin tek nyja B, atëherë ai dhe të gjithë bitat tjerë të paketës janë të ruajtur në ruterin B. I tere procesi pastaj përsëritet në ruterin B. Në rrjetet e gjera, vonesat e shpërndrarjes janë të rendit milisekonda.

Dallimet ndërmjet vonesave të transmetimit dhe vonesave të shpërndarjes

Dallimi ndërmjet vonesave të transmetimit dhe atyre të shpërndarjes është i imët për tu dalluar por i rëndesishëm. Vonesa e transmetimit është sasia e kohës që kërkon ruteri për ta shtyre paketën në lidhje, është në funksion të gjatësisë së paketës dhe të shpejtësisë së transmetimit të lidhjes, po nuk ka të bejë aspak me distancën në mes dy ruterëve. Përderisa vonesa e shpërndarjes, në anën tjetër, është koha që merr një bit për të udhëtuar nga njëri ruter tek ruteri i radhës, është në funksion të distancës në mes të dy rutereve, por nuk ka të bejë asgjë me gjatësine e paketës apo shpejtësinë e transmetimit të lidhjes. Një analogji do të mund të qartësonte nocionet e vonesave të transmetimit dhe të shpërndarjes. Le të marrim së një autostradë ka cdo 100 kilometra nga një vendpagesë për të vazhduar rrugën, sic tregohet në figurën Fig. 1.2. Segmentet e autostradës ndërmjet dy vendpagesave mund të mendohen si lidhje dhe vendpagesat si rutera. Supozojmë së automjetet udhëtojnë (analogjia me shpërndarjen) në autostradë me shpejtësinë 100 km/h ( kur automjeti e lëshon vendpagesën, menjëherë e rritë shpejtësinë në 100 km/h dhe e mban atë shpejtësi ndërmjet vendpagesave). Supozojmë së 10 automjetet e ardhshme, duke udhëtuar së bashku si karvan, e ndjekin njëri tjetrin në radhitje të rregullt. Mund të mendohet secili automjet si një bit dhe karvanin si paketë. Poashtu supozojmë së secili vendpagesë shërben (analogjia për transmetimin) një veturë me shpejtësinë një veture për 12 sekonda, dhe së është natë e vone kështu që automjetet e karvanit jane vetëm automjetet në autostradë. Në fund , supozojmë së kur do që automjeti i parë i karvanit arrin në vendpagesë, pret në hyrje derisa nënte veturat e tjera të kene arritur dhe të jene renditur pas tij. ( Kështu i tërë karvani duhet të jetë i vendosur në vendpagesë para së të fillojë të lejohet kalimi.) Koha e nevoitur për vendpagesën që ta kaloj tërë karvanin në autostradë është (10 vetura)/(5 vetura/minute) = 2 Minuta. Kjo kohë është analoge me vonesën e transmetimit në ruter. Koha e nevoitur për një veturë të udhëtojë nga dalja e njërës vendpagesë deri tek tjetra është 100 km/(100 km/h) = 1 h. Kjo kohë është analoge me vonësen e shPërndarjes. Ndërsa, koha prej kur karvani është vendosur para vendpagesës deri kur karvani është vendosur para vendpagesës tjetër është analoge me shumën e vonëses së transmetimit dhe të shpërndarjes, në këtë shembull është 62 minuta.

Le ta hulumtojmë këtë analogji ende më shumë. Çka do të ndodhte nëse shërbimi i vendpagesës për karvanin do të merrte kohë me shumë së sa koha për të cilen automjeti udhëton ndërmjet dy vendpagesave? për shembull, tash supozojme së automjetet udhëtojne me shpejtësi 1,000 km/h dhe që vendpagesa sherben automjetin me shpejtësinë një automjet për minute. Pastaj vonesa e udhëtimit ndërmjet 2 vendpagesave është 6 minuta dhe koha për të shërbyer karvanin është 10minuta. në këtë rast, disa nga automjetet e para të karvanit do të arrijne në vendpagesën e dytë para së automjetet e fundit të karvanit ta leshojne vendpagesën e parë. Kjo situatë shfaqët edhe në rrjetin e shkëmbimit të paketave, biti i parë i paketës mund të arrije në ruter përderisa shumë nga bitat e mbetur të paketës jane ende duke pritur për tu transmetuar nga ruteri paraprak. Nëse shënojme me d_proc , d_queue, d_trans dhe d_prop vonesat e procesimit, buferit, transmetimit dhe të shpërndarjes gjegjësisht, ateherë vonesa totale nyjore do të jete e dhënë me d_(nodal=) d_proc+ d_queue+d_trans+d_prop Kontributi i këtyre komponenteve të vonëses mund të ndryshojë mjaft shumë. Për shembull, d_prop mund të neglizhohet (për shembull, disa mikrosekonda) për një lidhje që lidh dy ruterë në të njëjtin kamp universitar, megjithate, d_prop është me qindra milisekonda për dy rutere të lidhur përmes një lidhje satelitore gjeostacionare, dhe mund të jetë komponentë dominante në termin d_nodal. Ngjajshëm d_trans mund të ndërrojë nga komponentë e neglizhueshme në të rëndesishme. Kontributi i kesaj vonese është zakonisht i neglizhueshem për shpejtësinë e transmetimit rreth 10 Mbps e me shumë (për shembull, për LANs), megjithatë, mund gjithashtu të jete me qindra milisekonda për paketa të medha të Internetit të dërguara përmes lidhjeve me modemë të ngadalshëm. Vonesa e procesimit d_proc, shpesh është e mundur të neglizhohet, megjithatë ajo fuqishëm e ndikon maksimumin e throughput-it të ruterit që është vlera maksimale e shpejtësise me të cilen ruteri mund të dergojë paketën.

Referime

• James F. Kurose (Author), Keith W. Ross (Author), Computer Networking: A Top-Down Approach (6th Edition), ISBN 0-13-285620-4