Đồ án Nghiên cứu các kĩ thuật quản lý hàng đợi trong mạng IP

Mục lục Trang Thuật ngữ viết tắt ACL Access Control List Danh sách điều khiển cấp phép AQM Adaptive Queue Management Quản lý hàng đợi tương thích ARED Adaptive Random Early Detection Phát hiện sớm ngẫu nhiên tương thích ARIO Adaptive Random Early Detection with In/Out put RED vói các cổng vào ra tương thích ATM Asynchronous Transfer Mode Kiểu truyền không đồng bộ BA Behavior Aggregate Tập hợp các hoạt động BGP Border Gateway Protocol Giao Thức cổng biên Bootp Boot Trap Protocol Giao thức Bootp CBQ Class Based Queue Hàng đợi trên cơ sở lớp CBWFQ Class Base Weighted Fair Queue Hàng đợi cân bằng có trọng lượng trên có sở lớp CoS Class of Service Lớp dịch vụ CQ Custom Queue Hàng đợi tụ điều chỉnh CQS Classification, Queue, Schedular Kiến trúc phânloại, xếp hàng, lập lịch CU Currently Unused Không sử dụng DRR Deficit Round Robin Thuật toán Round Robin tường minh DS Differentiated Service Dịch vụ phân biệt DSCP Differentiated Service Code Point Điểm mã dịch vụ phân biệt ECN Explicit Congestion Notification Thông báo tắc nghẽn rõ ràng ECT ECN Capable Transport Bít ECT EGP Exterior Gateway Protocol Giao thức cổng ngoại FIB Forwarding Information Base Cơ sở thông tin định tuyến FIFO First In First Out Hàng đợi phục vụ theo kiểu vào trước ra trước FRED Fair Random Early Detection Phát hiện sớm ngẫu nhiên cân bằng ICMP Internet Control Message Protocol Giao thức bản tin điều khiển Internet IGP Interior Gateway Protocol Giao thức cổng ngoại IP Internet Protocol Giao thức Internet IS Intergrated Service Dịch vụ tích hợp ISP Internet Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ Internet LAN Local Area Network Mạng nội vùng LDP MMF MIB Management Information Base Cơ sở thông tin quản lý mạng MPLS Multi Protocol Lable Swiching Chuyển mạch nhãn đa giao thức MTU Maximum Transport Unit Đơn vị truyền lớn nhất NAT Network Address Translator Biên dịch địa chỉ mạng NP Network Performent Hiệu năng mạng OSPF Open Shortest Path First Giao thức định tuyến OSPF PHB Per Hop Behavior Cách hoạt động trên từng chặng PMTU Path Maximum Transport Unit Đơn vị truyền lớn nhất của một đường PQ Priority Queue Hàng đợi ưu tiên PPP Point to Point Protocol Giao thức điểm -điểm RED Random Early Detection Phát hiện sớm ngẫu nhiên RIO RED with In/Out put RED với các cổng vào ra RIP Realtime Internet Protocol Giao thức báo hiệu IP thời gian thực RR Round Robin Thuật toán Round Robin RSVP Resource Reservation Protocol Giao thức dành trước tài nguyên RTP Realtime Protocol Giao thức thời gian thực SLA Service Level Agreement Thoả thuận mức dịch vụ giữa nhà cung cấp dịch vụ và khách hàng SNMP Simple Network Management Protocol Giao thức quản lý mạng đơn giản TCA Traffic Conditioning Agreement Thoả thuận điều phối lưu lượng TCP Transport Control Protocol Giao thức điều khiển truyền tải TFTP Trivial File Transfer Protocol Giao thức truyền file đơn giản TOS Type Of Service Loại dịch vụ UDP User Data Protocol Giao thức dữ liệu người sử dụng WAN Wide Erea Network Mạng diện rộng WFQ Weighted Fair Queue Hàng đợi cân bằng có trọng số WRED Weighted RED RED có trọng số Lời nói đầu Internet đã làm một cuộc cách mạng thay đổi nhiều khía cạnh trong cuộc sống của chúng ta. Nó làm thay đổi hẳn các hoạt động mang tính truyền thống của con người. Bằng cách sử dụng Internet nó cho phép con người có thể tiếp nhận thông tin từ xa như : có thể xem một bộ phim đang chiếu ở đâu đó, nói truyện với người ở rất xa, hay theo học trực tuyến tới một khoá học nào đó ngoài nước….Bên cạnh đó mạng Internet còn rẻ hơn nhiều so với các lợi hình dịch vụ khác, do đó nó được phát triển rộng khắp ở mọi nước trên thế giới. Có thể xem xét quá trình phát triển của Internet như sau. Sự phát triển các giao thức cho Internet (IP) bắt đầu từ những năm 1970, nhưng thực sự phát triển vào những năm 1980 và phát triển mạnh vào những năm sau đó. Năm 1995 mạng Internet đã kết nối khoảng 100 triệu máy tính và cho tới ngày nay số lượng này đã tăng lên rất nhiều. Qua đó ta thấy được sự bùng nổ về nhu cầu sử dụng Internet và sự gia tăng của lưu lượng thông tin. Song song với việc quan tâm tới chất lượng dịch vụ thì mạng thông tin này cần thiết phải thích nghi với các tính năng như tốc độ cao, băng thông, đa phương tiện và phải thiết lập được mạng thông tin có thể thoả mãn được tất cả các yêu cầu của khách hàng. Mạng IP ra đời thoả mãn được các yêu cầu cả về kĩ thuật lẫn chất lượng dịch vụ. Tuy nhiên để nâng cao chất lượng dịch vụ, đáp ứng được các yêu cầu của người sử dụng là một vấn đề thực sự khó khăn cho các nhà quản lý mạng, đặc biệt là trong hoàn cảnh hiện nay khi các luồng thông tin ngày càng đa dạng về chủng loại, đặc tính, mà yêu cầu chất lượng sử dụng thông tin thì ngày càng khắt khe. Việc yêu cầu chất lượng dịch vụ của người sử dụng cũng tạo ra sự cạnh tranh khắc nghiệt giữa các nhà cung cấp dịch vụ, yêu cầu các nhà cung cấp dịch vụ phải tìm ra các giải pháp mới để nâng cao chất lượng dịch vụ và tăng doanh thu cho mình. Vậy giải pháp đưa ra là gì?. Các nhà xây dựng mạng đã khéo léo đưa ra các mô hình mạng mới như mô hình mạng dịch vụ phân biệt DiffServ và mạng dịch vụ tích hợp IntServ đồng thời kết các mô hình mạng với nhau để lợi dụng ưu điểm của từng mạng và hạn chế nhược điểm của chúng. Bên cạnh đó các nhà thiết kế còn đi sâu vào tìm hiểu và thiết kế các phương pháp quản lý, giám sát các tiến trình truyền tin ngay bên trong bản thân của các thành phần nhỏ của mạng như router, chuyển mạch….Điển hình là các router được thiết kế theo cấu trúc CQS đã phần nào đơn giản hoá việc truyền tin và nâng cao chất lượng dịch vụ. Một trong những phương pháp đưa ra ở các router để cải thiện chất lượng dich vụ trong mạng IP thông dụng nhất là phương pháp quản lý hàng đợi (Queue Management) Trong thời gian qua được sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của các thầy cô trong khoa viễn thông, đặc biệt là thầy giáo ThS Nguyễn Văn Đát em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp “Nghiên cứu các kĩ thuật quản lý hàng đợi trong mạng IP ”. Nội dung của đồ án gồm 3 chương : Chương 1 : Giới thiệu chung về QoS Chương 2 : Kiến trúc CQS trong router Chương 3 : Quản lý hàng đợi và các thuật toán Do lĩnh vực của đề tài này tương đối rộng, và bản thân kiến thức còn có nhiều hạn chế nên đồ án không tránh khỏi nhiều sai sót. Em mong được sự góp ý và chỉ bảo của các thầy cô và các bạn sinh viên để nội dung đồ án được hoàn thiện và phong phú hơn. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Viễn Thông, đặc biệt là thầy giáo ThS Nguyễn Văn Đát đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo giúp em hoàn thành đồ án. Hà Nội ngày 25 tháng 10 năm 2005 Sinh viên thực hiện Đỗ Thị Thanh Huyền CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ QoS Hiện nay lưu lượng trong mạng rất phong phú và đa dạng, mỗi kiểu lưu lượng lại có một yêu cầu riêng về băng thông, độ trễ, mất gói và độ tin cậy. Bên cạnh đó mạng IP best-effort có giao thức IP được thiết kế một cách tin cậy, không để ý đến thời gian truyền, chỉ thích hợp trong mạng có độ tin cậy cao, do đó trong các mạng phức tạp sẽ không đảm bảo được chất lượng dịch vụ. Với sự bùng nổ của Internet và sự bùng nổ của mạng NGN cùng hầu hết các lưu lượng mạng đều dựa trên cơ sở IP thì việc đảm bảo QoS cho các loại lưu lượng khác nhau là một vấn đề lớn. Do đó việc nghiên cứu về QoS là điều cần thiết cho nhà quản lý dịch vụ. 1.1 Khái niệm QoS 1.1.1 Giới thiệu chung Theo khuyến nghị E800 của ITU QoS được xem như: “Chất lượng dịch vụ viễn thông là kết quả tổng hợp của các chỉ tiêu dịch vụ, thể hiện ở mức độ hài lòng của đối tượng sử dụng dịch vụ đó”. Dịch vụ viễn thông là các hoạt động trực tiếp hoặc gián tiếp của các doanh nghiệp cung cấp cho khác hàng khả năng truyền, đưa và nhận các loại các thông tin thông qua mạng lưới viễn thông công cộng Theo cisco thì: QoS là khả năng của mạng để cung cấp dịch vụ tốt hơn cho lưu lượng mạng xác định qua nhiều công nghệ mạng lớp dưới như Frame Relay, ATM, IP…và các mạng định tuyến. Nói cách khác, nó là đặc tính của mạng cho phép phân biệt giữa các lớp lưu lượng khác nhau và xử lý chúng một cách khác nhau. Về cơ bản, QoS cho phép cung cấp tốt hơn các dịch vụ đối với các luồng.Việc này được thực hiện bằng việc tăng độ ưu tiên của luồng này và giới hạn độ ưu tiên của luồng khác. Khi sử dụng các phương pháp điều khiển tắc nghẽn, ta có thể cố gắng làm tăng độ ưu tiên của luồng bằng cách sử dụng hàng đợi và các hàng đợi phục vụ theo nhiều cách. Phương pháp hàng đợi được sử dụng để tránh tắc nghẽn, tăng độ ưu tiên bằng việc loại bỏ các luồng có độ ưu tiên thấp hơn. Bắt giữ và định dạng cung cấp độ ưu tiên cho một luồng bằng việc giới hạn độ thông qua của luồng khác. Phương pháp này giới hạn các luồng lớn, ưu tiên xử lý các luồng nhỏ. A NP QoS NET NET CEQ CEQ NP NP B Hình 1.1: Mô hình tổng quan QoS Trong mô hình có cả chất lượng của từng mạng (NP) trên đường truyền từ đầu cuối này tới đầu cuối kia. Ta không nên nhầm lẫn hai khái niệm chất lượng dịch vụ và chất lượng mạng. QoS giúp cho các dịch vụ viễn thông và nhà cung cấp mạng đáp ứng được các nhu cầu dịch vụ của khách hàng. Còn NP được đo trực tiếp hiệu năng trên mạng không chịu ảnh hưởng của khách hàng và các thiết bị đầu cuối. Thêm nữa các giá trị của QoS đo được rất khác so với các giá trị NP đo được do một kết nối từ đầu cuối A đến đầu cuối B có thể phải chuyển qua nhiều kết nối trong mạng, hay phải qua rất nhiều mạng và các thiết bị đầu cuối. Do đó để đo được QoS là rất khó. Việc đo đạc NP đơn giản hơn nhiều. So sánh giữa QoS và NP: QoS được xác định bằng các chỉ tiêu định tính và định lượng. Chỉ tiêu định tính thể hiện sự cảm nhận của khách hàng còn chỉ tiêu định lượng được thực hiện bằng các số liệu đo cụ thể. Theo khuyến nghị E800 của ITU: NP là năng lực của mạng (hoặc một phần của mạng) cung cấp các chức năng liên quan tới truyền thông tin giữa những người sử dụng. Mạng viễn thông bao gồm các hệ thống chuyển mạch và truyền dẫn, mạng cáp ngoại vi, được kéo dài từ điểm truy nhập tới thiết bị đầu cuối của khách hàng. Do đó đánh giá chất lượng của mạng chính là đánh giá các chỉ tiêu, các thông số kĩ thuật có liên quan tới khả năng truyền thông tin của mạng cùng các chủng loại thiết bị bên trong mạng đó. Theo quan điểm của khách hàng thì họ mong muốn được cung cấp các dịch vụ đảm bảo chất lượng, còn trên quan điểm của nhà cung cấp dịch vụ thì khái niệm chất lượng mạng là một chuỗi các tham số mạng có thể được xác định, được đo đạc và điều chỉnh để có thể đạt được mức độ hài lòng của khách hàng về dịch vụ. Nhà cung cấp dịch vụ có trách nhiệm phải tổ hợp các tham số chất lượng mạng khác nhau thành tập hợp các tiêu chuẩn để có thể vừa đảm bảo lợi ích kinh tế của mình vừa thoả mãn tốt nhất yêu cầu của người sử dụng. Khi sử dụng dịch vụ, khách hàng chỉ biết đến nhà cung cấp dịch vụ chứ không quan tâm tới các thành phần của mạng. NP yêu cầu phải được hỗ trợ các khả năng: Khả năng truy nhập dịch vụ Khả năng khai thác Khả năng duy trì Khả năng tích hợp dịch vụ Mô hình tham khảo cho QoS end to end thường có một hoặc vài mạng tham gia, mỗi mạng lại có nhiều node. Mỗi mạng tham gia có thể đưa vào trễ, tổn thất hoặc lỗi do việc ghép kênh, chuyển mạch hoặc truyền dẫn, nên nó ảnh hưởng tới truyền dẫn. Do đó QoS trong mạng phụ thuộc vào nhiều yếu tố: các thành phần mạng, cơ chế xử lý tại đầu cuối, cơ chế điều khiển trong mạng. 1.1.2 Kiến trúc cơ bản của QoS Kiến trúc cơ bản của QoS gồm 3 mảng cơ bản: Định dạng QoS và kĩ thuật đánh dấu cho phép phối hợp QoS từ điểm đầu tới điểm cuối giữa từng thành phần mạng. QoS trong từng thành phần mạng đơn(các công cụ hàng đợi định dạng,lập lịch, định dạng lưu lượng) Cách giải quyết, điều khiển QoS, các chức năng tính toán để điều khiển và giám sát lưu lượng đầu cuối qua mạng. Hình 1.2: Ba thành phần của kiến trúc QoS cơ bản. 1.1.2.1 Định dạng QoS và quá trình đánh dấu Để cung cấp các dịch vụ ưu tiên cho từng loại lưu lượng, đầu tiên phải định dạng được lưu lượng. Thứ hai luồng phải được đánh dấu hoặc không. Nếu gói chỉ được định dạng mà không đánh dấu thì phân loại được xem như xảy ra trên từng chặng. Khi sự phân loại gắn liền với thiết bị nó tích hợp trên thì gói không được chuyển tới node kế tiếp. Còn nếu gói được đánh dấu sử dụng cho mạng diện rộng thì các bit cho phép truyền trước precedence được thiết lập. 1.1.2.2 QoS trong thành phần mạng đơn Quản lý tắc nghẽn: Do lưu lượng video, voice, data có dạng bó, thỉnh thoảng có một số lượng vượt quá tốc độ cho phép lúc này router sẽ làm gì? Nó sẽ chuyển các gói đến đầu tiên ra trước trong một hàng đợi đơn hay đưa các gói vào trong các hàng đợi khác nhau và phục vụ từng hàng lần lượt? Để giải quyết vần đề này ta sử dụng các công cụ: hàng đợi ưu tiên (PQ), hàng đợi đặt trước (CQ), hàng đợi cân bằng trọng số (WFQ) và hàng đợi cân bằng trọng số trên cơ sở lớp (CBWFQ) Quản lý hàng đợi Do kích thước của hàng đợi là giới hạn nên chúng có thể bị đầy và tràn hàng đợi. Do đó khi hàng đợi đầy thì bất kì một gói truyền thông nào đến đều không thể vào trong hàng đợi và nó sẽ bị loại bỏ. Việc loại bỏ này là loại bỏ đằng đuôi, điều này có nghĩa là bất kì gói nào đến (thậm chí các gói có độ ưu tiên cao) đến khi hàng đợi đã đầy đều bị loại bỏ. Do đó cơ chế này cần 2 yếu tố: + Luôn chắc chắn rằng hàng đợi không bao giờ đầy để có đủ chỗ cho các gói có độ ưu tiên cao. + Phải có cơ chế loại bỏ các gói có độ ưu tiên thấp trước các gói có độ ưu tiên cao. Phát hiện sớm ngẫu nhiên (RED) cung cấp đủ hai cơ chế này Định dạng và bắt giữ lưu lượng + Định dạng: được sử dụng để giới hạn tiềm năng băng thông của luồng. Điều này được sử dụng rất nhiều lần để ngăn chặn vấn đề tràn luồng. Có thể tăng hoặc giảm tốc độ của lưu lượng đến để phù hợp với hiện trạng của mạng. + Bắt giữ: cũng tương tự như định dạng, nó chỉ khác là nếu lưu lượng vượt quá tốc độ cấu hình thì nó không dược đưa vào bộ đêm và có thể bị loại bỏ. 1.1.3 Các tham số của QoS Latency : Độ trễ khi truyền một gói tin qua mạng Loss : Độ mất gói Jitter : Giá thay đổi của gói tin Throughput: Thông lượng của mạng Availabily : Độ khả dụng của mạng. 1.1.3.1 Latency Trễ và latency thuộc cùng một nhóm chỉ số thời gian để truyền tải một bit qua mạng từ nguồn tới đích. Hay nói theo cách khác thì latency là thời gian mà mạng lưu giữ gói tin khi truyền nó. Hệ thống có thể chỉ là thiết bị đơn như một Router, hay là tập hợp các router và các đường truyền. Trễ được tạo ra do khoảng cách truyền, các lỗi, lỗi khôi phục, tắc nghẽn, khả năng xử lý của mạng bao gồm truyền dẫn và các nhân tố khác. Tóm lại latency đầu cuối là sự kết hợp của trễ truyền dẫn thông qua mỗi kết nối và trễ xử lý tại mỗi router. Có nhiều dịch vụ, đặc biệt là dịch vụ thời gian thực như truyền thông thoại bị ảnh hưởng rất nhiều bởi trễ. Truyền thông tương tác gặp khó khăn khi độ trễ vượt quá 100-150 ms vì khi trễ vượt quá 200 ms, người sử dụng sẽ thấy ngắt quãng và đánh giá chất lượng thoại ở mức thấp. Có rất nhiều thành phần gây trễ trong mạng cần được tìm hiểu: trễ đóng gói, trễ hàng đợi và trễ lan truyền. Trễ đóng gói: Là lượng thời gian thực hiện mã hoá /giải mã để chuyển đỏi hai chiều giữa tương tự và số, thời gian thực hiện đóng gói và mở gói (xử lý tín hiệu số thành gói và ngược lại). Trễ lan truyền: Là lượng thời gian để thông tin truyền trên liên kết là dây đồng, sợi quang hay không dây. Nó cũng là hàm của tốc độ ánh sáng. Trễ hàng đợi: Được áp đặt vào các gói ở các điểm nghẽn trong lúc nó phải chờ đợi cho tới khi được xử lý trong khi những gói khác được chuyển qua chuyển mạch hay dây dẫn. Hay nói cách khác đây là thời gian gói tin chờ trong hàng đợi để đợi đến lượt mình được xử lý. Hình 1.3: Mô tả latency qua máy đo 1.1.3.2 Mất gói(loss) Khi các gói truyền trong mạng không đến được phía thu, ta gọi đó là hiện tượng mất gói. Đây cũng là một tham số quan trọng của QoS. Nó thường xảy ra khi xuất hiện tắc nghẽn trên đường truyền các gói, làm cho bộ đệm của router bị tràn. Việc mất gói này gây ra mất mát thông tin phía thu, tạo ra trễ khi phải truyền lại các gói bị mất hay truyền thông tin thông báo, điều này làm giảm giá trị của các ứng dụng đa phương tiện và thậm chí gây tắc nghẽn trong mạng. Thường thì độ mất gói ảnh hưởng nhiều tới dịch vụ IP telephony/VoIP hơn là các dịch vụ dữ liệu. Do trong khi truyền thoại thì việc mất nhiều bit hay gói gây ra hiện tượng nhảy thoại gây khó chịu cho người sử dụng. Trong truyền dữ liệu việc mất nhiều bit hay gói gây ra hiện tượng không đều nhất thời trên màn hình song hình ảnh (video) sẽ nhanh chóng được xử lý như trước. Tuy nhiên nếu việc mất gói xảy ra theo dây truyền thì chất lượng của việc truyền dẫn sẽ xuống cấp. Tỉ lệ mất gói nhỏ hơn 5% cho chất lượng tối thiểu và nhỏ hơn 1% cho chất lượng liên đài. 1.1.3.3 Jitter Jitter là sự khác biệt về trễ của các gói khác nhau cùng trong một dòng lưu lượng. Biến động trễ có tần số cao gọi là jitter còn biến động trễ có tần số thấp gọi là wander. Jitter chủ yếu là do thời gian xếp hàng của các gói liên tiếp trong trong một luồng và là vấn đề quan trọng nhất của QoS. Các loại lưu lượng thời gian thực (như thoại) thường chịu được jitter. Khác biệt trong thời gian đến của gói gây ra sự lên xưống của thoại. Tất cả các hệ thống truyền tải đều có jitter. Khi jitter nằm trong khoảng dung sai được định nghĩa trước thì nó không ảnh hưởng tới chất lượng dịch vụ. Khi jitter quá nhiều thì có thể được xử lý bằng bộ đệm, song nó lại làm tăng trễ bộ đệm. Jitter phải nhỏ hơn 60 ms (cho chất lượng trung bình) 20 ms cho chất lượng trung kế. Hình 1.4 : Mô tả hiện tượng jitter qua máy đo 1.1.3.4 Throughput (khả năng thông qua của mạng) Là tốc độ luồng thông tin qua mạng (tính bằng KB/s; MB/s…). Bình thường trong môi trường mạng LAN băng thông càng lớn càng tốt. Đối với từng loại mạng khác nhau cho phép tốc độ luồng thông qua và kích thước gói tin khác nhau. 1.1.3.5 Availability Là tỉ lệ thời gian mạng hoạt động. Độ khả dụng đạt được thông qua sự kết hợp của độ tin cậy thiết bị với khả năng sống của mạng. Độ khả dụng là một tính toán xác suất 1.1.4 Các mức QoS Nói đến các mức dịch vụ là nói đến khả năng thực tế của QoS đầu cuối. Điều này có nghĩa là khả năng của mạng để cung cấp các dịch vụ cần thiết bởi lưu lượng mạng đặc biệt từ đầu cuối tới đầu cuối hoặc từ biên tới biên.Các dịch vụ này khác nhau theo các tham số của QoS như: băng thông trễ, jitter… Các mức dịch vụ: Dịch vụ best effort: là kết nối cơ sở không đảm bảo,nó được đặc trưng bởi sự sắp xếp vào hàng đợi FIFO,và không có sự khác nhau giữa các luồng Dịch vụ phân biệt (QoS mềm): một số loại lưu lượng được đối xử tốt hơn bình thường(tốc độ xử lý nhanh hơn,băng thông trung bình lớn hơn,tốc độ mất gói trung bình nhỏ). Đây là sự ưu tiên thống kê, được cung cấp bởi việc phân loại lưu lượng và các công cụ như: PQ,CQ, WFQ, WRED Best effort Differentiated Quaranteed Solved-IP internet Ubiquitous connectivity Best effort (IP, IPX, apple talk) Differentiated (first,bussiness, coach class) Guaranteed (banwidth, delay, jitter) Some traffic is more important than the rest Certain applications require specific network resource The network Dịch vụ đảm bảo(QoS cứng): đây chỉ thuần tuý là sự đặt trước tài nguyên mạng cho các dịch vụ đặc biệt. Được cung cấp thông qua QoS với các công cụ: RSVP,CBWFQ Hình 1.5: Ba mức dịch vụ của QoS đầu cuối 1.1.4.1 Các dịch vụ phân biệt a. Các thuật ngữ: Từ các năm về trước,nền công nghiệp đã chuyển hướng sang kiểu dịch vụ phân biệt để cung cấp các cách đối xử với lớp dịch vụ của luồng IP. Dịch vụ phân biệt được xem như là sự phát triển của việc sử dụng các trường TOS trong các gói IP. Dịch vụ phân biệt là một kiểu CoS (lớp dịch vụ) nhằm nâng cao chất lượng của các dịch vụ best effort trong mạng Nó phân biệt lưu lượng bởi người sử dụng, các yêu cầu dịch vụ và các tiêu chuẩn khác nhau, sau đó nó đánh dấu các gói do vậy mà các node mạng có thể cung cấp các mức dịch vụ khác nhau thông qua hàng đợi ưu tiên hoặc phân phối băng tần, hay bằng việc chọn lựa các router chuyên dụng cho các luồng lưu lượng đặc biệt. Hệ thống quản lý hoạt động điều khiển việc phân phối dịch vụ.kiểu dịch vụ best effort truyền thống của Internet không thể phân biệt giữa các luồng được tạo ra bởi các Host khác nhau. Khi các luồng thay đổi thì mạng cung cấp dịch vụ tốt nhất mà nó có thể nhưng không có sự điều khiển để bảo tồn các mức dịch vụ cao hơn cho một số luồng này mà không phải là các luồng khác. Dịch vụ Diff-Serv đã làm gì để cung cấp các mức dịch vụ tốt hơn trong môi trường best effort. Dịch vu Diff-Serv mang đến cách tiếp cận không trạng thái điều này tối thiểu hoá sự cần thiết của các node trong mạng Internet để nhớ bất kì điều gì về các luồng. Nó không tốt trong việc cung cấp QoS như trong cách tiếp cận có trạng thái nhưng nó thực tế hơn khi truyền trên mạng Internet. Các thiết bị Diff-Serv tại biên của mạng đánh dấu các gói theo một cách nhờ đó có thể mô tả mức dịch vụ mà chúng nhận. Các thành phần của mạng đáp lại các đánh dấu một cách đơn giản mà không cần thương lượng đường dẫn hay nhớ các thông tin trạng thái cho mỗi luồng. Thêm vào đó các ứng dụng không cần yêu cầu mức dịch vụ đặc biệt hay cung cấp tính năng thông báo về hành trình của luồng. Một số đặc điểm của Diff-Serv: Diff-Serv định nghĩa trường DS mới trong tiêu đề của gói tin IP thay thế cho trường TOS. Các bit mẫu trong trường chỉ ra loại dịch vụ và cách cư xử tiếp theo trong các node mạng. Gồm hai trường DSCP (điểm mã dịch vụ phân biệt) và bit CU chỉ thị trạng thái sử dụng. 6 bit trong trường DSCP có thể định nghĩa lên đến 64 loại dịch vụ mạng phân biệt. PBH (cách cư xử trên từng chặng) đề cập đến cách cư sử hướng đi ngoại lệ của các gói qua mạng Diff-Serv. Giá trị của trường DSCP chỉ thị PHB sử dụng. PHB có thể thoả mãn các yêu cầu băng thông đặc biệt (ví dụ như hỗ trợ các dịch vụ thoại thời gian thực) hoặc cung cấp một vài dịch vụ ưu tiên.Các đặc tính của dịch vụ có thể thiết kế để cải thiện khả năng thông qua, giảm độ trễ, jitter, và độ mất gói. Các dịch vụ phân biệt có thể cung cấp các loại yêu cầu ứng dụng khác nhau và cho phép các nhà cung cấp dịch vụ đưa ra các giá dịch vụ theo đặc tính của chúng Các dịch vụ Diff-Serv được thiết kế để làm việc bên trong một vùng hay đầu cuối qua mạng Internet Các luật lệ mà xác định dịch vụ là một bộ các lược đồ quản lý trên cơ sở các chính sách b. Kiến trúc mạng Diff-Serv: Mạng Diff-Serv bao gồm rất nhiều thành phần mạng và một vài thuật ngữ đặc biệt. Tất cả các thành phần này và các cách cư xử liên quan được thiết kế để tách riêng quản lý lưu lượng và tính năng cung cấp dịch vụ từ các chức năng định hướng được thực hiện bên trong các node mạng lõi. Hình 1.6 : Mô tả các thuật ngữ trong mô hình mạng Diff Serv Các tính năng nổi bật nhất của các mạng Diff-Serv là các miền DS và các node biên DS. Các miền DS có thể là các mạng Intranet riêng, nhưng điển hình là các mạng cung cấp dịch vụ tự trị có riêng các chính sách cung cấp dịch vụ và các nhận dạng PHB. Các node bên trong DS biên dịch các giá trị DSCP và các gói hướng đi. Chúng có thể thực hiện một số chức năng điều phối lưu lượng và có thể đánh dấu lại các gói. Các miền DS kết nối với các miền khác thông qua các đường biên. Một vùng DS là một tập các miền DS liền kề cung cấp các dịch vụ phân biệt liên vùng. Các node đường biên DS tồn tại ở biên của mạng DS cũng giống như các node lối vào và lối ra. Các node lối vào là quan trọng nhất do nó có nhiệm vụ phân loại và đưa lưu lượng vào trong mạng. Thiết lập các bit trong trường IP của các gói tại các biên của mạng. Sử dụng các bit này để quyết định xem các gói được truyền đi như thế nào bởi các node điều phối các gói được đánh dấu sao cho phù hợp với các yêu cầu hoặc luật lệ của dịch vụ. Các yêu cầu hoặc luật lệ của mỗi dịch vụ phải được thiết lập thông qua cơ chế chính sách quản trị. Một node mạng cung cấp các dịch vụ phân biệt bao gồm bộ phân loại cho phép lựa chọn các gói dựa trên trường DS trong phần tiêu đề của gói tin đi cùng với nó là cơ cấu quản lý hàng đợi và lập lịch cho các gói cho phép chuyển các gói theo các cách cư xử khác nhau tuỳ theo trường DS. Mô hình bao gồm : DS byte : byte xác định trường DS trong trường TOS của IPv4 và trường TC trong IPv6. Các trường này hi vọng các gói tin được mong đợi nhận được thuộc lớp dịch vụ nào. Các thiết bị biên : nằm tại lối vào hay lối ra của mạng nhằm cung cấp DiffServ Các thiết bị bên trong mạng Quản lý cưỡng bức : các công cụ và nhà quản trị mạng giám sát và đo kiểm đảm bảo SLA giữa các mạng và người dùng. Phân loại đa byte Chính sách Đánh dấu gói Hàng đợi, quản lý, lập lịch Phân loại DS byte Hàng đợi, quản lý, lập lịch Router biên Router lõi Hình 1.7 : Mô hình DiffServ tại biên và lõi của mạng b.1 Cách cư xử từng chặng (PHB) và các điểm mã (codepoints) PHB được coi là cách phân bố tài nguyên trên cơ sở từng chặng. Trong chuẩn RFC2473 một tập cách cư xử DS là tập hợp các gói có cùng giá trị DSCP khi qua một liên kết. Khi tập cách cư xử này đến một node mạng thì node này sẽ đưa ra DSCP cho các PHB tương ứng,và việc này sẽ chỉ ra node làm thế nào phân phối tài nguyên cho tập các cư xử. Các tính năng của PHB: Một PHB sẽ đảm bảo việc phân phối băng tần tối thiểu qua kết nốicho một tập cư xử. PHB cũng tương tự như việc biết trước các chức năng thêm vào để có thể chia xẻ bất kì một băng thông kết nối vào với các tập cư xử khác. Một PHB có thể có độ ưu tiên tài nguyên (bộ đệm,băng thông) hơn các PHB khác. Một PHB có độ trễ thấp, và các tham số mất gói. Một PHB được thực hiện cùng với quản lí hàng đợi và cơ chế lập lịch. Các router kiểm tra các trường DSCP, phân loại nó theo các quá trình đánh dấu và sau đó chuyển gói tới các hàng đợi tương ứng. Một kết nối đầu ra đa hàng đợi với các mức độ ưu tiên khác nhau. Kĩ thuật lập lịch được sử dụng để chuyển các gói ra khỏi hàng đợi và chuyển tới chặng kế tiếp. Các PHB được chỉ thị bởi các giá trị đặc biệt trong trường DSCP. Mặc dù mỗi định nghĩa của PHB đã cung cấp các hiểu biết về một DSCP nhưng DS vẫn cho phép đa giá trị DSCP được xắp xếp vào cùng PHB. RFC cung cấp việc lắp đặt các DSCP: Pool DSCP* Usage 1 xxxxx0 Assigned by IANA 2 xxxx11 Experimental/local use 3 xxxx01 Experimental/local/IANA Bít được đánh dấu có thể là bit 1 hoặc bit 0. Trường DSCP trong trường DS có khả năng phân biệt 64 điểm mã riêng biệt. Không gian điểm mã chia ra thành 3 vùng cho mục đích quản trị và ấn định điểm mã. Pool 1 có 32 điểm mã dược dành trước cho các PHB được định nghĩa rõ ràng. Pool 2 dùng cho các ứng dụng nội hạt (EXP/LU). Pool 3 cũng tương tự như pool 2, nó được sử dụng khi các giá trị của pool 1 đã cạn kiệt. 1.1.4.2 Dịch vụ tích hợp (Integrated Service) a. Khái niệm Mục đích của bất kì mạng nào là tối đa hoá hiệu năng của các ứng dụng hay nói cách khác là phải thoả mãn được các yêu cầu dịch vụ. Để có thể hỗ trợ được các ứng dụng mới như: voice, video thì mạng phải hỗ trợ được các ứng dụng đa phương tiện mới bằng việc đảm bảo được các yêu cầu của dịch vụ. Nếu mạng chỉ cung cấp được một lớp dịch vụ best effort thì thật khó để đáp ứng được các yêu cầu của các dịch vụ, do đo mạng phải cung cấp được đa lớp dịch vụ thì mới hỗ trợ được các dịch vụ này tốt được. Việc trộn giữa các lớp dịch vụ với các ứng dụng phải dựa trên yêu cầu của dịch vụ. Nếu mạng hoàn toàn lựa chọn một lớp dịch vụ để phụ thuộc ứng dụng thì ta chỉ cần hỗ trợ một lớp dịch vụ giới hạn. Để có các ứng dụng yêu cầu dịch vụ mà nó thực hiện một cách rõ ràng thì mạng phải có lựa chọn được lớp dịch vụ. Ngoài ra việc quyết định xem trong mạng có hỗ trợ điều khiển cấp phép hay không cũng là một câu hỏi khó. Nếu không có chỉ định cấp phép thì chúng không thể phân định rõ được các dịch vụ và mạng không thể chỉ rõ được các yêu cầu ứng dụng được cung cấp. Điều khiển cấp phép được yêu cầu hiệu năng của các dịch vụ thời gian thực phải được sử dụng tối đa bằng việc loại bỏ đi các yêu cầu cũ của luồng lưu lượng mới. Do đó các dịch vụ Internet mở rộng phải phục vụ được các ứng dụng nhạy với độ trễ bằng việc cung cấp đa lớp dịch vụ và việc đảm bảo các tham số bởi điều khiển cấp phép. Đứng trước nhu cầu ngày càng tăng trong việc cung cấp các dịch vụ thời gian thực (thoại, video) va băng thông cao (đa phương tiện) dịch vụ tích hợp IntServ đã ra đời. Đây là sự phát triển của mạng IP nhằm đồng thời cung cấp dịch vụ truyền thống nỗ lực tối đa và các dịch vụ thời gian thực. Các lý do thúc đẩy mô hình này: Dịch vụ nỗ lực tối đa không còn đủ tốt nữa, ngày càng có nhiều ứng dụng khác nhau có những yêu cầu khác nhau về đặc tính lưu lượng được triển khai, đồng thời người sử dụng ngày càng yêu cầu cao hơn về chất lượng dịch vụ. Các ứng dụng đa phương tiện cả gói ngày càng xuất hiện nhiều : mạng IP phải có khả năng hỗ trợ không chỉ đơn dịch vụ mà phải hỗ trợ tích hợp đa dịch vụ của nhiều loại lưu lượng khác nhau. Tối ưu hoá hiệu suất sử dụng mạng và tài nguyên mạng : tài nguyên mạng sẽ được dự trữ cho lưu lượng có độ ưu tiên cao, phần còn lại dành cho số liệu nỗ lực tối đa. Cung cấp dịch vụ tốt nhất : mô hình IntServ cho phép nhà cung cấp mạng cung cấp được dịch vụ tốt nhất khác biệt với các nhà cung cấp khác. a1. Các yêu cầu của kiểu mạng tích hợp: Tài nguyên phải được quản lý rõ ràng để thoả mãn các yêu cầu của dịch vụ Dịch vụ đảm bảo cho dịch vụ thời gian thực không thể thực hiện được mà không có sự đặt trước. Mặc dù có các ứng dụng có thể thích nghi động với sự thay đổi của mạng thì vẫn phải thiết lập biên cho độ trễ đầu cuối. Việc chia xẻ tài nguyên thống kê giữa lưu lượng có tính thời gian thực với lưu lượng phi thời gian thực cùng được thực hiện thông qua cơ sở hạn tầng của mạng thời gian thực. Nói cách khác thì mạng Internet được sử dụng như cơ sở hạ tầng cho cho việc truyền dẫn cả các dịch vụ có tính thời gian thực lẫn phi thời gian thực. a2. Các yêu cầu QoS đối với các dịch vụ IS: Kiểu dịch vụ mạng lõi liên quan phần lớn tới thời gian truyền gói. Hiệu năng dịch vụ phụ thuộc vào độ trễ thấp biến đổi trong khoảng rộng. Các ứng dụng thời gian thực là một loại ứng dụng yêu cầu thời gian khắt khe, chỉ cần gói thời gian thực đến muộn hơn thời gian cho phép là gói đó không còn giá trị và có thể bị loại bỏ. Còn các ứng dụng đàn hồi thì luôn chờ cho các gói đến. Các ứng dụng thời gian thực: Chia các ứng dụng thời gian thực thành 2 nhóm: + Ứng dụng thời gian thực có độ trễ không chấp nhận : có hiệu năng cao nếu đưa ra đường biên trễ cao hơn đáng tin cậy. Để hỗ trợ các ứng dụng thời gian thực khắt khe này thì phải đảm bảo một đường biên trễ đáng tin cậy. + Ứng dụng thời gian thực tương thích trễ (có độ trễ chấp nhận được): không yêu cầu một đường biên trễ đáng tin cậy. Nó có thể chỉnh sửa để phù hợp với sự thay đổi của độ trễ.Các ứng dụng này được gọi là các ứng dụng tương thích. Dựa trên các ứng dụng này ta có thể chia ra thành 2 loại: - Dịch vụ được đảm bảo: đưa ra các dịch vụ có đường biên trễ đáng tin cậy cao trong các độ trễ. Dịch vụ này không chỉ cung cấp đảm bảo cho độ trễ đầu cuối mà còn cả băng thông. Để mô tả một luồng sử dụng thuật toán gáo rò.Dựa vào việc mô tả các luông mạng có thể tính toán các tham số thay đổi mô tả cách nó xử lý như thế nào đối với một luòng, và phối hợp các tham số, tính toán được giá trị trễ lớn nhất của một gói. Độ trễ của một gói bao gồm hai thành phần: trễ cố định và trễ hàng đợi. Trễ cố định là chức năng của đường được chọn bao gồm cả trễ truyền dẫn, nó được quyết định dựa vào cơ cấu thiết lập. Trễ hàng đợi được quyết định bởi các dịch vụ đảm bảo, nó là một chức năng của hai tham số: tốc độ gáo rò và tốc độ dữ liệu mà các ứng dụng yêu cầu. Dịch vụ đảm bảo không điều khiển trễ trung bình hay trễ nhỏ nhất của datagram mà chỉ điều khiển trễ hàng đợi. Dịch vu này đảm bảo rằng gói tin sẽ đến trong thời gian truyền yêu cầu và không bị loại bỏ khi hàng đợi bị đầy, cung cấp các lưu lượng của luồng giới hạn bởi các tham sô lưu lượng trên lý thuyết. Một đặc điểm của dịch vụ này là không tối thiểu hoá trễ jitter nhưng điều khiển trễ hàng đợi lớn nhất. Từ khi đường biên trễ được đảm bảo thì độ yêu cầu về độ trễ đủ thoả mãn cả những hàng đợi dài nhất. - Dịch vụ tải được điều khiển: cung cấp đọ tin cậy công bằng cho mọi độ trễ tuy nhiên không hoàn toàn là tin cậy. Các dịch vụ này không cố gắng giới hạn độ trễ của mỗi gói, nhưng lại quan tâm tới sự phân bố trễ. Nó cung cấp hiệu năng tốt hơn so với các dịch vụ best effort. Nó gần giống như hoạt động đầu cuối được cung cấp cho các dịch vụ best effort trong trường hợp dưới mức phi tải. Lý thuyết cho rằng bên dưới điều kiện phi tải thì tỉ lệ các gói được truyền đến phía đầu cuối bên kia là rất cao, và độ trễ truyền dẫn thì không chênh lệch nhiều so với độ trễ truyền nhỏ nhất. Dịch vụ tải điều khiển này có mục đích hỗ trợ cho các lớp dịch vụ thời gian thực tương thích với trễ. Các dịch vụ này làm việc tốt trong môi trường phi tải nhưng bị suy thoái nhanh chóng dưới điều kiện tràn tải. Mạng phải đảm bảo rằng tài nguyên băng thông và tiến trình xử lý gói phải có giá trị để xử lý các mức dịch vụ yêu cầu. Các dịch vụ tải được điều khiển không bắt buộc sử dụng các giá trị tham số cho mục đích đặc biệt như: độ trễ, độ mất gói. Việc chấp nhận dịch vụ tải được điều khiển chỉ đơn thuần là một cam kết để cung cấp các luồng có dịch vụ gần như tương đương với việc cung cấp cho lưu lượng không điều khiển được bên dưới điều kiện có tải nhẹ. Luồng dịch vụ tải được điều khiển có thể có ít hoặc không có trễ hàng đợi gói trung bình. Các ứng dụng đàn hồi: Các ứng dụng đàn hồi luôn luôn chờ các gói đến. Đặc điểm chính của các ứng dụng này là chúng sử dụng dữ liệu ngay lập tức chứ không để chờ trong bộ đệm,và luôn chờ gói đến để xử lý chứ không bắt đầu quá trình khi không có gói. Nhìn chung đối với việc phân phối trễ được đưa ra thì các ứng dụng này phụ thuộc nhiều vào độ trễ trung bình b.Mô hình dịch vụ IntSer Giao thức thiết lập : setup cho phép máy chủ và các router dự trữ động tài nguyên trong mạng để xử lý các yêu cầu của các luồng lưu lượng riêng. Đặc tính luồng : xác định chất lượng dịch vụ QoS sẽ cung cấp cho các luồng riêng biệt. Điều khiển lưu lượng : trong các thiết bị mạng (máy chủ, router, chuyển mạch..) có thành phần điều khiển và quản lý tài nguyên mạng cần thiết để hỗ trợ QoS theo yêu cầu. Các thành phần điều khiển lưu lượng này có thể được khai báo bởi giao thức báo hiệu như RSVP hay nhân công. Thành phần này bao gồm : Điều khiển chấp nhận : xác định thiết bị mạng có khả năng hỗ trợ QoS theo yêu cầu hay không Thiết bị phân loại : nhận dạng và lựa chọn lớp dịch vụ dựa trên nội dung của một số trường trong nhất định trong phần mào đầu của gói tin ứng dụng Phân loại Setup Lập lịch Setup Giao thức định tuyến/ database Phân loại Lập lịch điều khiển chấp nhận Các bản tin setup đặt trước IP Data Data Thiết lập lập lịch : cung cấp các mức chất lượng dịch vụ QoS trên kênh ra của thiết bị mạng. Hình 1. 8 : Mô hình dịch vụ tích hợp 1.1.4.3 Các dịch vụ Best effort Đây là kiểu mạng hiện hành đang được sử dụng. Hầu hết các ứng dụng dữ liệu đều được vận hành theo cách này. Chúng đợi dữ liệu đến và xử lý chúng càng sớm càng tốt ngay khi nhận được. Lớp dịch vụ này sẽ hỗ trợ thêm cho lớp lưu lượng thời gian thực. Các ứng dụng có thể lựa chọn sử dụng một trong các lớp dịch vụ đó, và khi chúng thấy không thể chấp nhận được độ trễ đó thì có thể sử dụng một trong các lớp dịch vụ khác. Lớp dịch vụ best effort thì không có TSpec hoặc RSpec, không có đảm bảo từ mạng và mạng không thực hiện bất kì điều khiển cấp phép nào. Các mạng kiểu này không cung cấp bất kì một tính năng đặc biệt nào để khôi phục lại các gói bị mất hoặc bị hỏng. Các dịch vụ được cung cấp bởi các hệ thống đầu cuối. Trong chồng giao thức TCP/IP thì TCP cung cấp các dịch vụ đảm bảo trong khi IP cung cấp kiểu truyền Best effort (không có đảm bảo), nó sẽ cố gắng truyền các gói đến đích nhưng không có chức năng khôi phục lại các gói bị mất hay truyền sai. Bộ giao thức Internet trước đây chỉ bao gồm giao thức TCP/IP. Trong quá trình phát triển thì các nhà thiết kế đã nhận ra tầm quan trọng của thời gian truyền hơn là độ tin cậy truyền. Nói cách khác là quan tâm tới tốc độ hơn là việc khối phục các gói. Trong kiểu truyền voice, video thời gian thực thì một số góí bị mất có thể bỏ qua được bởi việc khôi phục lại có thể tạo ra phần tiêu đề quá lớn làm giảm hiệu năng của mạng. Để cung cấp loại lưu lượng thì TCP đã được tổ chức lại trong TCP, IP, UDP. Các dịch vụ chuyển gói và đánh địa chỉ cơ bản trong lớp mạng được thực hiện bởi IP. TCP,UDP nằm ở lớp truyền tải, phía trên của IP. Tất cả đều sử dụng dịch vụ của IP, UDP là một phiên bản của TCP chấp nhận các dịch vụ Best effort của IP. Các ứng dụng có thể sử dụng UDP khi không cần các dịch vụ của TCP. Đối với các dịch vụ Best effort việc loại bỏ các gói có thể chấp nhân được do việc khôi phục được xử lý bởi các dịch vụ khác. Trong lớp vật lý hoặc lớp mạng các Frame có thể bị loại bỏ, trong lớp mạng các router bị tắc nghẽn có thể loại bỏ các gói. TCP là một dịch vụ truyền dữ liệu tin cậy được các hệ thống đầu cuối sử dụng để khôi phục lại các gói đã bị loại bỏ trong mạng trong trường hợp có tắc nghẽn xảy ra, hay bị loại bỏ bởi chính nó khi bộ đệm bị đầy. Trong mạng các gói cũng có thể bị loại bỏ nhằm mục đích báo hiệu tắc nghẽn cho phía người gửi biết. Khi có gói bị mất trong mạng thì phía thu sẽ gửi bản tin thông báo không nhận được gói đó cho phía gửi biết để gửi lại gói. Cơ chế này gọi là cơ chế điều khiển tắc nghẽn, cơ chế điều khiển luồng. 1.2 Điều khiển tắc nghẽn 1.2.1 Khái niệm Trong các mạng chuyển mạch gói, các gói tin đi vào và đi ra các bộ đệm, hàng đợi hay thiết bị chuyển mạch giống như khi nó được chuyển qua mạng. Một đặc điểm quan trọng của mạng là các gói tin đến dưới dạng bó từ một hoặc nhiều nguồn khác nhau. Các bộ đệm sẽ giúp các router thu hút các bó cho đến khi chúng nhận được. Khi các bó đến vượt quá kích thước bộ đệm thì các gói đến sau sẽ bị loại bỏ. Việc tăng bộ đệm không phải là giải pháp do nếu kích thước bộ đệm quá lớn thì sẽ tạo ra trễ lớn. Tắc nghẽn xảy ra khi lưu lượng từ nhiều tuyến đổ dồn về một tuyến và tuyến này không có khả năng xử lý hết được. Tắc nghẽn cũng xảy ra ngay bên trong bản thân router tại mạng lõi của mạng khi các node nhận được nhiều lưu lượng hơn so với thiết kế của nó. Khi mạng xảy ra tắc nghẽn nếu không được xử lý kịp thời sẽ gây ra các hậu quả nghiêm trọng: các gói tin không được xử lý, không chuyển được đến đầu cuối người nhận sẽ ùn tắc trong mạng,mạng không hoạt động được trong thời gian dài sẽ khong thể truyền tải được dữ liệu,các thành phần có thể bị hư hỏng. Do đó vần đề quan trọng cần phải là phải điều khiển đuợc tắc nghẽn trong mạng. Đó có thể hành động điều khiển ngay khi có tắc nghẽn để phòng tránh tăc nghẽn và cũng có thể là điều khiển tắc nghẽn khi nó đã xảy ra. Các tính năng của điều khiển tắc nghẽn cho phép điều khiển bằng việc sắp xếp lại các gói được gửi ra giao diện trên cơ sở ấn định các độ ưu tiên cho các gói. Quản lý các gói yêu cầu phải đưa ra các loại hàng đợi, ấn đinh các gói vào hàng đợi bằng việc phân lớp các gói, sau đó lập lịch các gói và đưa ra đường truyền. Tính năng quản lý hàng đợi trong QoS cung cấp 4 loại giao thức hàng đợi khác nhau, chúng sắp xếp các loại lưu lượng có mức độ khác nhau được gửi đi. Trong các chu kỳ của lưu lượng nếu không có tắc nghẽn thì các gói sẽ được gửi đi với tốc độ như khi nó đến, nếu xảy ra tắc nghẽn thì các gói sẽ đến với tốc độ lớn hơn tốc độ truyền nó ở giao diện đầu ra. Nếu ta dùng các chức năng quản lý tắc nghẽn thì các gói bị ứ đọng tại giao diện sẽ được sắp xếp vào hàng đợi để gửi đi cho đến khi giao diện rỗng. Sau đó được lập lịch để gửi đi tuỳ theo độ ưu tiên được ấn định cho từng gói và cơ cấu hàng đợi được thiết kế cho từng giao diện. Router thực hiện trình tự truyền dẫn của các gói bằng việc điều khiển xem gói nào được đặt trong hàng đợi nào và hàng đợi đó được phục vụ như thế nào với sự ảnh hưởng của hàng đợi khác. Trong các mạng hỗn tạp bao gồm nhiều các giao thức khác nhau được sử dụng bởi nhiều ứng dụng thì điều qua trọng là phải ưu tiên hoá các lưu lượng để có thể vừa truyền được các lưu lượng yêu cầu tính thời gian thực cao vừa truyền được các lưu lượng không yêu cầu thời gian thực. Các loại lưu lượng khác nhau cùng chia xẻ một đường truyền dữ liệu có thể ảnh hưởng lẫn nhau khi chúng cố gắng thể hiện các ứng dụng của mình. Nếu mạng được thiết kế để hỗ trợ các loại lưu lượng khác nhau cùng chia xẻ một đường truyền dữ liệu giữa các router thì có thể sử dụng các kĩ thuật điều khiển tắc nghẽn để chắc chắn rằng mọi đối xử với các gói khác nhau là công bằng. Một số lưu ý trong quản lý tắc nghẽn: Sự ưu tiên lưu lượng đặc biệt quan trọng đối với các ứng dụng nhạy với độ trễ và dựa trên cơ sở giao dịch tương quan,tuy nhiên việc sử dụng hàng đợi WFQ đảm bảo rằng tất cả lưu lượng đều được đối xử như nhau Sự ưu tiên được sử dụng hiệu quả nhất trong các kết nối WAN nơi mà sự phối hợp giữa lưu lượng dạng bó và các luồng dữ liệu có tốc độ thấp hơn có thể gây ra tắc nghẽn tạm thời. Tuỳ thuộc vào kích thước gói trung bình mà sự ưu tiên cũng hiệu quả hơn khi được gửi tới các kết nối có tốc độ bằng luồng T1/E1 hoắc thấp hơn. 1.2.2 Các kỹ thuật được sử dụng trong quản lý tắc nghẽn Điều khiển luồng phía đầu cuối: đây không phải lược đồ điều khiển tắc nghẽn nhưng cũng là cách để tránh trường hợp phía phát gửi quá nhiều lưu lượng vượt quá cả không gian bộ đệm phía thu. Điều khiển tắc nghẽn mạng: trong lược đồ này, các hệ thống đầu cuối giảm tốc độ của luồng lưu lượng để tránh tắc nghẽn trong mạng, cơ chế này tương tự như điều khiển luồng đầu cuối, nhưng mục đích chính là để giảm tắc nghẽn trong mạng chứ không phải phía thu. Tránh tắc nghẽn trên cơ sở mạng: trong lược đồ này, router sẽ cố gắng dò tìm ra tắc nghẽn khi nó có khả năng xảy ra, và cố gắng giảm tốc độ của luồng đầu vào trước khi hàng đợi hàng đợi đầy. Phân phối tài nguyên: kỹ thuật bao gồm tiến trình lập lịch có sử dụng các mạch vật lý hoặc các nguồn tài nguyên khác. Một mạch ảo được xây dựng qua nhiều chuyển mạch cùng với băng thông đảm bảo cũng là một loại phân phối tài nguyên. Kỹ thuật này rất khó nhưng nó có khả năng loại trừ tắc nghẽn trong mạng bằng việc khoá các lưu lượng vượt quá khả năng của mạng. Một giải pháp quan trọng nhất trong điều khiển tắc nghẽn đó là sử dụng hàng đợi. Các bộ đệm trong các thiết bị mạng được quản lý bởi rất nhiều kỹ thuật hàng đợi. Nói đúng ra quản lý hàng đợi có thể tối thiểu hoá việc mất gói trong mạng và tắc nghẽn xảy ra cũng như làcải thiện được hiệu năng của mạng. Một kỹ thuật hàng đợi cơ bản nhất là FIFO, các gói được xử lý theo trật tự mà chúng đến hàng đợi, còn hàng đợi ưu tiên sử dụng cấu trúc đa hàng đợi với các mức ưu tiên khác nhau sẽ ưu tiên xử lý các gói quan trọng nhất và truyền tới các node kế tiếp. Một kỹ thuật hàng đợi quan trọng nữa là tự ấn định các luồng cho chính bản thân các hàng đợi. Với các luồng khác nhau thì độ ưu tiên cũng được khác nhau, và mỗi luồng đều được xử lý để chắc chắn rằng chúng không làm tràn hàng đợi. Việc tách rời các hàng đợi theo cách này đảm bảo rằng các hàng đợi sẽ chỉ chứa các gói từ một nguồn đơn lẻ. 1.2.3 Điều khiển tắc nghẽn và tránh tắc nghẽn trong mạng TCP Trong những năm 1980 Internet dễ xảy ra hiện tượng “sụp đổ tắc nghẽn”,do có quá ít chức năng điều khiển quản lý mạng. Các kết nối đơn lẻ sử dụng điều khiển luồng giữa người gửi và người nhận để tránh phía gửi làm tràn lưu lượng tại phía nhận. Nhưng việc điều khiển luồng trong thời điểm đó mới chỉ tránh tràn lụt lưu lượng tại các bộ đệm phía thu chứ chưa giải quyết được tại các bộ đệm phía trong các node mạng. Tuy nhiên lưu lưọng sử dụng trên mạng Internet ngày đó chưa lớn và nó bao gồm một số lượng các kết nối tốc độ chậm do đó vấn đề tắc nghẽn không quan trọng như ngày nay. Sau những năm 1980 Van Jacopson đã phát triển các cơ chế điều khiển tắc nghẽn,tạo ra các đáp ứng TCP để hạn chế tắc nghẽn trong mạng. Nền tảng cơ bản là loại bỏ các gói sẽ làm cho các host ngừng lại hoặc chậm dần. Thông thường khi một host nhận một gói hoặc một tập các gói thì nó sẽ gửi một ACK(acknowlegement) cho phía phát để thông báo là đã nhận được gói tin. Cơ chế cửa sổ cho phép host nhận đa gói tin mà chỉ dùng một ACK.Việc phía gửi không nhận được các ACK chứng tỏ rằng phái thu bị tràn bộ đệm hoặc mạng bị nghẽn do đó phía phát phải dừng việc chuyển gói hoặc giảm tốc độ. Một chiến lược được đưa ra là “Giảm theo cấp số nhân, tăng theo cấp số cộng” để điều chỉnh số lượng các gói đến trongcùng một thời điểm. Nếu vẽ lược đồ về luồng dữ liệu ta sẽ thấy số lượng các gói tăng lên cho đến khi có tắc nghẽn xuất hiện trong mạng (tăng theo cấp sô cộng) và khi gói bắt đầu bị loại bỏ thì ta giảm nhanh các gói truyền cho đến khi việc truyền gói bắt đầu dừng (giảm theo cấp số nhân). Kích thước cửa sổ sẽ lần lượt giảm một nửa khi có tắc nghẽn xảy ra. Các host sẽ tìm ra tốc độ truyền dẫn tối ưu bằng việc thường xuyên kiểm tra mạng với tốc độ cao hơn. Thỉnh thoảng tốc độ truyền cao hơn này được chấp nhận nhưng khi mạng bận thì các gói bắt đầu bị loại bỏ và host lại quay trở lại tốc độ ban đầu. Lược đồ này coi mạng như một hộp đen loại bỏ các gói khi có tắc nghẽn. Do đó điều khiển tắc nghẽn được thực hiện bởi các hệ thống đầu cuối và chúng coi việc loại bỏ các gói là để chỉ thị tắc nghẽn. Phía người gửi sẽ truyền một số lượng lớn các file để đẩy lên tốc độ cao hơn cho tới khi nó đạt được tất cả băng thông. Các host khác có thể gặp vài vấn đề khi chuyến gói qua mạng. Các host bị túm lấy băng thông thì chỉ truyền tải được rất ít lưu lượng quan trọng. Tất nhiên, mạng có thể sử dụng role tích cực trong điều khiển tắc nghẽn. Cơ chế điều khiển và tránh tắc nghẽn có thể chia ra thành các quá trình: Khôi phục tắc nghẽn: hoàn trả lại trạng thái hoạt động của mạng khi yêu cầu vượt quá khả năng. Đoán trước được tắc nghẽn xảy ra và có thể phòng tránh được không cho tác nghẽn có thể xảy ra. Ngày nay tránh tắc nghẽn là công cụ cải thiện hiệu năng và QoS trong mạng Internet. Chuẩn RFC 2309 (giới thiệu quản lý hàng đợi và tránh tắc nghẽn trong Internet) đưa ra cơ chế tránh tắc nghẽn dựa trên cơ cấu router. Cơ chế này chia ra thành các thuật toán quản lý hàng đợi và thuật toán lập lịch. Mục đích quan trọng là tối thiểu số lượng các gói bị loại bỏ. Nếu một host truyền tại tốc độ cao hơn và mạng bị nghẽn thì số lượng các gói bị mất sẽ tăng. RFC 2309 chỉ ra rằng thà chấp nhận các luồng dạng bó đến làm tràn hàng đợi còn hơn là cố gắng duy trì trạng thái không đầy của hàng đợi. TCP có xử lý điều khiển tắc nghẽn, UDP được điển hình sử dụng cho các luồng video và audio thời gian thực bởi vì nó không cần khôi phục lại các gói bị mất.UDP là giao thức truyền tải không đảm bảo do nó không truyền lại các báo hiệu ngược trở lại nguồn. Các luồng UDP không thể được điều khiển bởi cách điều khiển tắc nghẽn như trong TCP truyền thống. Trong chuẩn RFC 2581 giới thiệu 4 thuật toán cho điều khiển tắc nghẽn: khởi đầu chậm,truyền lại nhanh,khôi phục nhanh,tránh tắc nghẽn. Điều khiển tắc nghẽn khởi đầu chậm: Khởi đầu chậm làm giảm ảnh hưởng của bó khi một host đầu tiên được truyền. Nó yêu cầu một host khởi đầu việc truyền dẫn của nó chậm hơn, sau đó nó sẽ xử lý các điểm có tắc nghẽn xảy ra. Một host lúc đầu không biết có bao nhiêu gói được gửi do đó nó sẽ sử dụng cách khởi đầu chậm để định giá dung lượng của mạng. Một host bắt đầu việc truyền dẫn bằng cách gửi hai gói tin tới phía thu. Khi phía thu nhận được các segment thì nó sẽ gửi phản hồi lại phía nhận một ACK để xác nhận. Phía phát sẽ tăng số gói gửi theo cơ số hai, tức là sẽ gửi 4 gói. Việc này sẽ tiếp tục tại phía phát cho đến khi không nhận được phản hồi ACK. Việc chỉ thị này cho thấy khả năng xử lý lưu lượng của mạng hoặc khả năng xử lý lưu lượng tới của phía thu. Khởi đầu chậm không có khả năng ngăn chặn tắc nghẽn mà nó chỉ giúp cho các host tránh được trạng thái tắc nghẽn tạm thời. Nếu một host gửi quá nhiều gói thì nó sẽ gây ra nghẽn mạng, tràn bộ đệm và các gói sẽ bị loại bỏ. Nhưng trong một số ứng dụng mới như: thoại qua IP thì không thể chấp nhận được trễ gây ra bởi việc khởi đầu chậm, do đó trong một số trường hợp thì mạng sẽ không sử dụng kiểu này Khôi phục và truyền lại nhanh: Truyền lại và khôi phục lại nhanh là các thuật toán được thiết kế để tối thiểu hoá việc loại bỏ gói khi truyến trong mạng. Cơ chế truyền lại nhanh suy luận từ cơ chế truyền TCP. Phía thu sẽ gửi các báo hiệu tới phía gửi rằng nó nhân được các gói không theo trật tự. Kĩ thuật này sẽ phải gửi rất nhiều bản sao ACK tới phía phát. Đây là cách để chỉ thị các gói bị mất. Thay cho việc chờ đợi phản hồi ACK cho đến khi hết thời gian thì nguồn gửi sẽ tự phát lại gói khi nhận được 3 bản sao ACK. Việc này xảy ra trước khi thời gian hết hạn do đó chúng cải thiện được khả năng thông qua của mạng. Ví dụ khi một host nhận được gói thứ 5 và 7(mà không nhận được gói thứ 6) thì nó sẽ gửi phản hồi ACK cho gói thứ 5 khi nó nhận được gói thứ 7. Khôi phục nhanh là cơ chế thay thế cho kiểu khởi đầu chậm khi truyền lại nhanh được sử dụng. Các ACK vẫn tiếp tục được truyền để chỉ thị có bị mất gói hay không cho tới khi phía nguồn nhận được ACK có số thứ tự cao hơn gói bị mất. Trong trường hợp đó có nghĩa là có một gói đơn bị mất và mạng không bị nghẽn hoàn toàn. Do đó phía phát không cần thiết phải quay trở lại khởi động chậm ngay lập tức mà chỉ cần giảm tốc độ truyền xuống bằng một nửa so với tốc độ ban đầu. Tránh tắc nghẽn bằng cách sử dụng quản lý hàng đợi tích cực Việc loại bỏ gói là hoàn toàn không hiệu quả. Nếu một host bị ngập tràn và tức nghẽn xảy ra thì sẽ có rất nhiều gói bị mất. Do đó việc loại bỏ tắc nghẽn sắp xảy đến và quản lý tắc nghẽn tích cực là điều rất cần thiết. Để thực hiện điều này ta sử dụng quản lý hàng đợi tích cực, và lập lịch. Quản lý hàng đợi là một kĩ thuật mà các router loại bỏ gói một cách tích cực từ ngay trong hàng đợi để tránh tràn hàng đợi,và giảm tốc độ. Trong quản lý hàng đợi ta sử dụng thuật toán RED (phát hiện sớm ngẫu nhiên) để thực hiện quản lý hàng đợi. 1.3 Tổng kết chương Trong chương 1 đã xem xét được vấn đề về khái niệm chất lượng dịch vụ QoS và các tham số của QoS trong mạng IP. Việc cải htiện chất lượng dịch vụ đáp ứng các yêu cầu về chất lượng của khách hàng là vấn đề làm đau đầu các nhà cung cấp dịch vụ. Chương 1 giới thiệu hai kiểu trúc mạng cho phép cải thiện chất lượng dịch vụ : kiến trúc mạng kiểu dịch vụ phân biệt (DiffServ) và kiến trúc mạng dịch vụ tích hợp (IntServ). Đồng thời trong chương này còn giới thiệu sơ lược về các phương pháp điều khiển tắc nghẽn trong mạng IP. CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC CQS TRONG ROUTER Bất kì một mạng nào cũng đều được xây dựng dựa trên sự phân cấp các thành phần mạng. Bất kì một đường dẫn nào từ điểm này tới điểm khác đều là chuỗi móc nối các đường dẫn ngắn nhất tại cùng một mức. Tại lớp IP các router hoạt động như điểm chuyển mạch cho các liên kết, các gói IP truyền giữa các hop. Mỗi liên kết có thể là một hop IP đơn, hoặc được tạo nên từ nhiều hop hay node. Để đảm bảo QoS trong mạng thì bản thân mỗi Router phải có khả năng quản lý được lưu lượng qua nó. Chuẩn ARPA đầu tiên coi các host, node như các bộ xử lý bản tin Internet (IMP-internet message processor). Phiên bản đầu tiên của giao thức Internet gồm hai thành phần: IMP-IMP và Host-IMP. Trong suốt những năm 1970 các node cũng được xem như các cổng (Gateway). Một số các giao thức định tuyến ngày nay vẫn gọi là giao thức cổng trong (IGP-interior gateway protocol) và cổng ngoài (EGP-exterior gateway protocol). ISO thì coi các host như các hệ thống đầu cuối còn các node thì như các hệ thống trung gian. Khi các gói đi trong mạng thì tuỳ thuộc vào địa chỉ đích của các gói được lưu giữ trong phần tiêu đề của gói mà các gói sẽ được định tuyến tới các host kế tiếp. Việc định tuyến này được thực hiện bởi các router: Định tuyến dựa trên địa chỉ IP đích được lưu trữ bên trong phần tiêu đề của gói tin. Phân mảng các gói tin khi cần thiết: Nếu kích thước của gói tin vượt quá so với MTU (maximum transfer unit-kích thước truyền tối đa) của mạng thì các gói tin sẽ được phân chia ra thành các gói nhỏ rồi mới truyền. 2.1 Cấu trúc Router 2.1.1 Cấu trúc router Mục đích của Router là để chuyển các gói tin IP trong mạng tuỳ theo địa chỉ IP trong phần tiêu đề của gói. Đây cũng là yêu cầu cung cấp các tính năng để các router định tuyến và truyền các gói tốt hơn. Cấu trúc router gồm các khối chung: Giao diện ghép kênh. Bộ chuyển gói Bộ quản lý Local statistics, masseges from other Router Local updates massegé to other Router Management Engine Forwarding Engine Local statistics, masseges from other Router Local updates massegé to other Router Management Engine Forwarding Engine In put Out put In put Output Hình 2.1: Cấu trúc chung của Router trong mạng best effort Các giao diện đầu vào chấp nhận các gói đến từ các router khác và (trên cơ sở địa chỉ đích IP) sẽ hướng các gói tới hop tiếp theo qua giao diện đầu ra. Khi các router nhận thấy có dấu hiệu tắc nghẽn trong mạng thì các gói có thể bị loại bỏ hoặc đánh dấu trong nó. Việc lựa chọn đầu ra phản hồi tắc nghẽn của bộ chuyển gói được điều khiển bởi khối quản lý. Các router này chỉ có một bộ CPU trung tâm đơn xử lý toàn bộ việc quản lý và chức năng hướng các gói. Các router bây giờ hướng đến kiến trúc phân tán nhằm loại bỏ hoặc hạn chế tắc nghẽn nút cổ chai. IP header IP payload Switch-fabric Classification Queue Schedula Policing,Marking Forwarding table Jjjjjj FIB FIB In put Out put FIB Khi QoS càng ngày càng trở nên quan trọng thì quá trình xử lý chuyển gói được thiết kế lại. Hình 2.2: Tiến trình xảy ra trong bộ chuyển gói Nhìn chung một gói được chuyển qua 3 tầng: Tầng phân loại và bảng FIB Quá trình bắt giữ và đánh dấu Hàng đợi và lập lịch. Tầng phân loại thiết lập ngữ cảnh cho các gói lần lượt đến xử lý bởi các router. Hầu hết các ngữ cảnh này dùng để thiết lập các đặc tính xử lý theo thời gian như: bắt giữ, hàng đợi, đánh dấu, lập lịch, một số ngữ cảnh dùng để chỉnh sửa các yêu cầu truyền gói. Để giải quyết tắc nghẽn ta có thể sử dụng kiến trúc CQS tại tất các điểm tắc nghẽn thậm chí bên trong mạng hay bên trong router. Tất nhiên tại mỗi router cũng có thể xảy ra tắc nghẽn bên trong do đó nó cũng được cung cấp các hàng đợi và lập lịch khác nhau tại các điểm. 2.1.2 Chức năng của router Do router có nhiệm vụ đinh tuyến và truyền các gói tin trong mạng sao cho đảm bảo nhất nên các router có hỗ trợ các chức năng sau: Làm giao diện của mạng(bao gồm cả phân mảnh nếu cần thiết) Chuyển gói tới các router kế tiếp tuỳ theo thông tin trong bản định tuyến. Tạo bảng đinh tuyến và thường xuyên cập nhật nó. Xử lý giao thức Internet. Điều khiển tắc nghẽn và điều khiển cấp phép. Bảo mật mạng và điều khiển truy nhập. Lắp đặt các cấu hình và điều hành và quản trị mạng. a. Giao diện mạng Chức năng làm việc liên mạng và giao diện mạng cho các loại dịch vụ khác nhau (ví dụ: làm giao diện lớp vật lý và lớp liên kết dữ liệu giữa LAN và WAN) Biên dịch địa chỉ khi cần thiết Phân mảnh hoặc tập hợp các gói khi cần thiết Hỗ trợ các giao thức PPP(point-point protocol) b. Định hướng các gói theo bảng định tuyến Một router luôn hỗ trợ khả năng định tuyến và truyền các gói Có khả năng định tuyến các gói tin tới đích cuối cùng dựa trên các địa chỉ router đích đã được chỉ thị trong phần header gói tin. Tạo và duy trì bản định tuyến cho mục đích truyền gói tới chặng kế tiếp. Bảng đinh tuyến thừa nhận tất cả các địa chỉ Broadcast (255.255.255.255), địa chỉ multicast, unicast, và các tuyến mặc định cho các khả năng có thể xảy ra của địa chỉ. Địa chỉ defaul thường được mặc đinh bởi giá trị 0.0.0.0. Địa chỉ đích được so sánh với các thực thể trong bảng định tuyến. Bảng định tuyến sẽ tìm ra node kế tiếp để truyền gói ngắn nhất. c. Duy trì và cập nhật bảng định tuyến Các thực thể trong bảng định tuyến của router được xây dựng trên cơ sở định tuyến tĩnh (được cập nhật bằng nhân công) hoặc định tuyến động (được cập nhận tự động bằng các giao thức định tuyến) Trong trường hợp định tuyến động, cấu hình mạng được thay đổi. Có thể loại bỏ hoặc thêm vào các địa chỉ mới được điều hành bằng giao thức định tuyến (ví dụ: địa chỉ của mạng con hoặc thiết bị được thêm vào hoặc loại bỏ từ mạng nội hạt) Thông thường các router phải hỗ trợ được ít nhất một giao thức cổng bên trong (IGP)cho việc định tuyến thay đổi giữa các router trong các mạng khác nhau kế cận. Các IGP hay sử dụng là: RIP(Routing Information Protocol), OSPF(Open Shortest Path First) Các router tại các đường biên trao đổi thông tin với các mạng khác qua các cổng bên ngoài (EGP), thường sử dụng giao thức BGP4 Router hỗ trợ định tuyến động sử dụng các trọng số định tuyến, thuật toán định tuyến, chính sách định tuyến để phân tích các thông tin nhận được và quyết đinh xem tuyến kế tiếp nào được chuyển gói đến. Địa chỉ IP hoặc giải địa chỉ IP trong bảng định tuyến thường xuyên được cập nhật. d. Hỗ trợ giao thức Internet và các giao thức khác Tất cả các router đều hỗ trợ các giao thức IP và ICMP(Internet Control Message Protocol). IP cho phép xử lý và định hướng các gói tin, ICMP thực hiện điều khiển truyền tin. Mỗi gói tin nhận được phải được kiểm tra lại. Dãy checksum trong phần tiêu đề gói tin được kiểm tra đầu tiên sau đó tới các trường còn lại trong phần tiêu đề. Các gói có thời gian truyền vượt quá thời gian truyền cho phép hay có địa chỉ IP đích không đúng sẽ bị loại bỏ, thông báo bởi các gói ICMP được truyền về nguồn. Các router nguồn hay các host nguồn nên tìm ra các khối truyền dẫn theo đường truyền lớn nhất (PMTU-Path Maximum Transmission Unit). Bằng cách này có thể gửi các gói có kích thước < kích thước của PMTU. Trong trường hợp định tuyến nguồn địa chỉ IP đích xuất hiện trong tiêu đề trong tiêu đề của gói tin không phải là địa chỉ đích cuối cùng của gói thì lúc này các hop tiếp theo được chỉ định bởi router trên cơ sở địa chỉ đích được chỉ định. Nhìn chung các giao thức lớp truyền tải không cần hỗ trợ bởi các router trung gian ngoại trừ trường hợp yêu cấu có quản lý mạng bên trong. Các router Multicast, unicast phải hỗ trợ IGMP cho việc cập nhật danh sách địa chỉ multicast. e. Điều khiển cấp phép và điều khiển tắc nghẽn Có một số router có chức năng điều khiển cấp phép cho mạng bằng việc giới hạn số lưu lượng dữ liệu được phép vào mạng. Hành động này sẽ giảm tối đa tắc nghẽn trong mạng. Một số router thực hiện điều khiển tắc nghẽn bằng việc sử dụng cơ chế truyền ưu tiên dựa vào các trường TOS, DS, IP precedence trong phần tiêu đề gói tin. Đây cũng là chức năng của cấu trúc CQS. Có router hỗ trợ giao thức RSVP (giao thức đặt trước tài nguyên) tại thời điểm mà host yêu cầu kết nối được thiết lập hoặc ấn định băng thông sử dụng (trong các ứng dụng thời gian thực) Router có thiết lập cơ chế CQS f. Bảo mật và điều khiển truy cập trong router Hầu hết các router cung cấp chức năng điều khiển truy cập dựa trên quá trình lọc gói và danh sách điều khiển truy cập (ACL-Acess Control List). Một bộ lọc hoặc danh sách điều khiển truy cập sẽ kiểm tra địa chỉ IP nguồn, và chỉ có các gói tin được định hướng từ các nguồn đó mới được truyền tới đích. Điều nàycung cấp tính bảo mật cho gói tin. Các router không trong suốt có thể biên dịch địa chỉ mạng nhờ NAT (Net Address Translation). Các router biên dịch địa chỉ mạng Internet công cộng thành địa chỉ mạng riêng. Một số loại router hoạt động như các Proxy. Một proxy hoạt động như mọt cổng giao tiếp giữa các host bên ngoài với các client hoặc server bên trong mạng. Các host bên ngoài không thể truyền trực tiếp gói tin từ ngoài tới các server hay client bên trong được mà phải đướcự cho phép của các Proxy. Một proxy biên dịch các yêu cầu của giao thức lớp cao hơn của host bên ngoài và quyết định yêu cầu nào sẽ được xử lý và yêu cầu nào không được chấp nhận. Sau đó proxy sẽ chuyển các yêu cầu này tới các client và server thực sự. Có router tích hợp cả chức năng bảo mật bằng tường lửa. g. Lắp đặt cấu hình, quản trị mạng và giám sát Các router được cấu tạo để có thể điều chỉnh trạng thái của mạng. Trạng thái mạng thường được báo cáo tới các trạm điều khiển quản lý mạng từ xa bằng các thực thể quản lý: MIB và SNMP (Simple Net Management Protocol) Sử dụng BOOTP (Boot strap Protocol) hoặc TFTP (Trivial File Transfer Protocol) để tải các file cấu hình và thiết lập mạng. Các router thường được sử dụng như các server địa chỉ, phân phối cho các thiết bị host khi chúng sử dụng giao thức BOOTP, DHCP 2.2 Cấu trúc CQS Cấu tạo của các router kiểu cũ không còn phù hợp với sự phát triển của mạng, nó không cho phép giải quyết được tắc nghẽn, hoạt động không hiệu quả khi luồng lưu lượng trong mạng quá lớn và có tốc độ không cố định. Do đó một cấu trúc router mới được đưa vào sử dụng, đó là router có tích hợp cấu trúc CQS. Schedule port m Queue Queue Queue Queue Cl assify Port 1 Port n Kiến trúc này được lắp đặt trong mỗi router cho phép đảm bảo QoS trong mạng, thoả mãn các yêu cầu của mạng và người sử dụng các luồng thuộc các lớp dịch vụ khác nhau. Hình 2.3: Kiến trúc CQS trong router 2.2.1 Phân loại (Classification) Việc truyền trên mạng Internet ngày nay ngày càng phức tạp, do nó phải truyển tải quá nhiều loại lưu lượng với các đặc tính khác nhau, yêu cầu các cách thức truyền tải khác nhau. Việc truyền tải lưu lượng,điều khiển truy nhập, và các dịch vụ khác nhau đòi hỏi có sự phân biệt các gói dựa trên cơ sở đa trường trong tiêu đề của mỗi gói, được gọi là phân loại gói tin. Mạng sẽ đặt ra các mức ưu tiên cho các gói, dựa vào mức ưu tiên này để điều khiển mạng khi có tắc nghẽn xảy ra. Gói nào có độ ưu tiên cao hơn sẽ được ưu tiên truyền trước, các gói có độ ưu tiên thấp hơn có thể bị loại bỏ khi có tắc nghẽn xảy ra. Cơ chế phân loại các gói của một router có ảnh hưởng trực tiếp tới việc phân chia các loại lớp dịch vụ của lưu lượng IP. Trên thực tế thì ngữ cảnh các gói phụ thuộc vào bản thân thông tin chứa trong các gói đồng thời thông tin cấu hình được gửi từ giao diện đến của nó. Việc phân loại gói tin cũng là hình thức của cơ chế truyền gói dựa theo các mức ưu tiên. Để phân loại lớp các dịch vụ chủ yếu dựa vào thông tin bên trong phần header của gói. Nếu thiết lập a bit trong phần header của gói để làm bit phân loại thì ta sẽ phân loại được 2ª gói. Các thông tin phân loại được dặt trong trường TOS của IPv4, TC của IPv6, và trường DS. Việc phân loại gói tin có hiệu lực do được hỗ trợ bởi một số tính năng khác của các dịch vụ mạng Internet: điều khiển truy cập, phân biệt dịch vụ, cân bằng tải, định dạng lưu lượng…Mỗi dịch vụ yêu cầu các thiết bị Internet phải phân loại các gói vào trong các luồng khác nhau và thực hiện các hành động phù hợp với các gói trong các luồng đó. Các luồng này được chỉ định bởi một bộ phân loại chứa tập hợp các luật lệ. Việc phân loại các gói tin dựa vào các nhãn QoS trong phần tiêu đề của gói tin. Các trường này đi kèm theo các giao thức: Trường TOS (trong phần Header của gói tin Ipv4) Trường Precedence (trong phần header của Ipv4) Trường T (throughput), D (delay), R (reliability) (trong IPv4) DS (trong different service) TC-traffic class (trong Ipv6) Flow label (trong IPv6 và MPLS) User priority field (định nghĩa bởi IEEE 802-1p trong việc ưu tiên dữ liệu giữa các cầu LAN ảo và VLAN) 2.2.1.1 Trường TOS (IPv4), TC (IPv6) Các gói IPv4 luôn chứa 1 octet TOS cho phép phân loại gói từng chặng 3 bit 4 bit 1 bit Precedence T D R 0 0 Hình 2.4 : Trường TOS của IPv4 3 bit Precedence: thực hiện quyền đến trước của gói. 4 bit TOS : mô tả loại dịch vụ truyền hoặc định tuyến. 1000 : Trễ tối thiểu 0100 : Lưu lượng tối đa 0010 : Độ tin cậy tối đa 0001 : Giá trị tối thiểu 0000 : Dịch vụ bình thường Trường precedence tận dụng 3 bit precedence trong trường TOS của phần tiêu đề của IPv4 để phân biệt lớp dịch vụ cho mỗi gói. Ta có thể phân chia lưu lượng thành 6 lớp dựa vào 3 bit trên (2 lớp được sử dụng cho các mạng nội hạt). 3 bít này tạo thành 8 mức ưu tiên từ 0 đến 7 cho các gói IP (hai mức 6 và 7 được dùng để dự trũ và không bị thiết lập bởi nhà quản trị mạng). Việc phân loại dựa trên trường Precedence phụ thuộc vào độ ưu tiên về mặt thời gian giữa 8 mức của quyền đến trước. Lưu lượng được chỉ định có thể được đánh dấu bằng cách thiết lập trường này, do đó nó chỉ được phân loại chỉ 1 lần cho mỗi luồng lưu lượng. Bảng 2.1: Trường IP precedence định nghĩa độ ưu tiên cho tiến trình xử lý và truyền gói tin IP precedence Meaning 7 (111) 6 (110) 5 (101) 4 (100) 3 (011) 2 (010) 1 (001) 0 (000) Network control Internet control CRITIC/ECP(critical exception) Flash override Flash Immediate Priority Routine Mức độ ưu tiên cao nhất là 7 được dùng cho các gói điều khiển mạng, do đó các gói liên qua tới thiết lập cấu hình mạng và điều khiển mạng có độ ưu tiên cao khi có tắc nghẽn xảy ra. Các gói có độ ưu tiên thấp nhất là các gói “Routine”. Ít được quan tâm hơn là các gói có độ ưu tiên được định nghĩa bởi các bit trong trường T, D, R. 4 bit của trường TOS được xem như khoá phân loại để tra cứu FIB theo yêu cầu về độ trễ, băng thông, độ tin cậy, giá(cost) của các gói được định tuyến dọc theo tuyến. 11 trường hợp còn lại không được định nghĩa. Bảng 2.2: Ý nghĩa các bit trong trường D, T, R TOS bit Meaning Bit 0 Bit 1 D bit(TOS bit 3) T bit(TOS bit 4) R bit(TOS bit 5) TOS bit 6 TOS bit 7 Delay Throughput Realibility Unused Unused Normal delay Normal throughput Normal realibility Set bit 0 Set bit 0 Low delay High throughput High realibility Not use Not use Tương tự với trường TC trong IPv6 cũng được dùng để phân loại. 2.2.1.2 Trường DS (Diffirentiated field) Trường TOS chỉ dành cho xử lý các loại lưu lượng tiêu biểu, và nó chỉ giành 50% bit có mặt cho quá trình định tuyến trên cơ sở QoS. DSCP (6 bit) CU(1 bit) Hình 2.5: Các bit trong trường DS của tiêu đề gói tin DSCP (differentiated services code point): cho phép phân loại 64 luồng. CU (Currently unused) Mỗi luồng lưu lượng có các trạng thái đặc trưng, các đặc tính để phân biệt các luồng lưu lượng được gọi là tập hợp cách cư xử của luồng (BA-behavior aggregate). Phân tích các DSCP giúp cho các router của các dịch vụ phân biệt nhận biết các gói để gửi các nhóm PHB tương đương với nó. PHB là tài nguyên mạng được ấn định cho các luồng lưu lượng khác nhau. Bảng 2.3: Các DSCP và PHB Loại PHB 3 bít đầu tiên của DSCP 2 bít sau của DSCP Hoạt động của PHB Default PHB Assured forwarding PHB Expected forwarding (EF)PHB Net control traffic 000 001 class 1 010 class 2 011 class 3 100 class 4 101 11x 000 010LDP(low drop priority) 100MDP(medium drop priority) 110HDP(high drop priority) 110 xxx RFC 1812 RFC 2597 RFC 2598 Highest Pr Default PHB (DSCP=000000) được định nghĩa bởi RFC 1812 Assured forwarding được thiết kế đặc biệt nhằm mục đích cho phép nhà cung cấp dịch vụ Internet ISP có thể phân chia khách hàng ra thành nhiều lớp dịch vụ khác nhau. Đối với mỗi lớp dịch vụ khác nhau sẽ được ấn định các tài nguyên khác nhau, và độ ưu tiên khác nhau tuỳ thuộc vào giá trị thanh toán dịchvụ của khách hàng. Ngoài ra bên trong mỗi lớp dịch vụ còn có thể được phân chia nhỏ thành các luồng riêng tuỳ thuộc vào mức ưu tiên mà mỗi luồng có cách đối xử khác nhau (luồng có mức ưu tiên LDP,MDP,HDP). Tại thời điểm có tắc nghẽn xảy ra luồng có độ ưu tiên thấp sẽ bị loại bỏ đầu tiên. Expected Forwarding PHB: Được chỉ định sử dụng cho các lưu lượng thời gian thực (Ví dụ dùng trong báo hiệu video chất lượng cao). Mạng phải thoả mãn: + Tỉ lệ mất gói nhỏ (phải có rất ít gói bị định tuyến nhầm và loại bỏ gói có tắc nghẽn) + Độ trễ thấp (độ trễ phải tối thiểu) + Jitter nhỏ + Băng thông phải được đảm bảo Do đó EF PHB chủ yếu dựa trên các yêu cầu của chất lượng dịch vụ như: tỉ lệ mất gói, độ trễ, jitter, băng thông. 2.2.1.3 Phân loại đa trường MF Việc sử dụng DS để phân loại 64 mức là quá ít trong tương lai, bên cạnh đó router không biết rõ về địa chỉ đầu cũng như địa chỉ đích của gói. Để thoả mãn các yêu cầu trên ta dùng phân loại dựa trên đa trường MF. Điều này yêu cầu MF phải bao trùm địa chỉ nguồn, địa chỉ đích, trường giao thức, số cổng nguồn, đích. Phân loại trong IPv4 Các trường sau phải được kiểm tra khi gói đi qua router: Protocol, address, port number (104 bit). Hạn chế của phân loại đa trường là chỉ phân loại gói tin Ipv4 mang số cổng TCP/UDP trong fragment đầu. Do đó bộ phân loại MF tìm kiếm số cổng TCP/UDP cụ thể để bỏ đi các Fragment kế sau của cùng một gói (trừ khi bộ phân loại có sự tương quan giữa các fragment tiếp sau với các fragment đầu mang số cổng). Thực chất byte TOS/DS luôn được mang trong mỗi fragment. Version IHL Type of service Total length Identification Flags Fragment offset Time to live Protocol Header checksum Source address Destination address Option Padding Source port Destination port Hình 2.6: Phần header của IPv4 Phân loại trong IPv6 Sử dụng 288 bit của trường: Source addr, destination addr, và TC làm đa trường. Thực chất chỉ dùng trường Flowlable và Source addr (148 bit). Cũng giống như trong IPv4 thì số hoán vị đưa ra cho mỗi router tăng theo hướng mạng lõi, và giảm theo mạng biên. Version Traffic class Flow label Payload length Next header hop limit Option Source address(128 bit) Destination address(128 bit) Hình 2.7: Phần header của Ipv6 2.2.1.4 Hoạt động của tầng phân loại Các gói được truyền trong mạng, cũng có nghĩa là chúng được truyền giữa các host, hoặc các router. Các thiết bị trong mạng sẽ nhận các lưu lượng từ đường biên đầu vào, chuyển vào trong mạng, sau đó đưa chúng tới đường biên mạng đầu ra. Các lưu lượng này có thể được đóng thành các gói có kích thước khôgn đổi (dạng tế bào) hoặc thành các gói có kích thước thay đổi phù hợp với MTU của mạng. Do đó các thiết bị mạng phải cắt các gói ra thành từng gói có cấu trúc tế bào hoặc cấu trúc khung. Các thông tin truyền gói (còn gọi là header của gói tin) và phần tải trọng (payload) của gói được lưu giữ trong các cấu trúc đó. Khi các gói đến giao diện đầu vào của một router thì router sẽ so sánh phần thông tin trong phần header của gói tin với các thông tin trong bảng FIB. Tại đây các gói sẽ được phân loại dựa theo thông tin trong các trường đã nêu phần trước để thực hiện các xử lý phù hợp: như định hướng các gói tới chặng tiếp theo, bắt giữ, hay dánh dấu các gói để trong trường hợp có xảy ra tắc nghẽn thì sẽ loại bỏ các gói có độ ưu tiên thấp hơn. Các gói sau đó được đưa tới các hàng đợi để chờ gửi tới đầu ra tương ứng. 2.2.2 Quản lý hàng đợi (Queue management) 2.2.2.1 Thế nào là quản lý hàng đợi Các router chính trong mạng Internet được cấu hình có nhiều hàng đợi với kích thước lớn, do đó các gói truyền trong mạng sẽ phải mất một thời gian dài để truyền trong hàng đợi. Trễ hàng đợi thậm chí còn lâu hơn cả trễ truyền trong mạng. Đối với các hàng đợi quá dài, khi xảy ra tắc nghẽn thì chính sách “loại bỏ phần đuôi” được sử dụng nhiều. Điều này có nghĩa là bất kì gói nào đến trong điều kiện hàng đợi bị đầy đều bị loại bỏ trước khi vào được hàng đợi. Vấn đề đặt ra là làm thế nào khi có tắc nghẽn xảy ra. Để giải quyết vấn đề này ta sử dụng các thuật toán quản lý hàng đợi và lập lịch. Nói đơn giản thuật toán quản lý hàng đợi được sử dụng để quản lý chiều dài của hàng đợi các gói bằng cách loại bỏ các gói khi cần thiết Quản lý hàng đợi bao gồm các hoạt động: Thêm gói vào hàng đợi theo ngữ cảnh của gói khi hàng đợi chưa đầy. Loại bỏ gói nếu hàng đợi đã đầy. Xoá bỏ gói khi được yêu cầu bởi bộ lập lịch. Thường xuyên quản lý độ chiếm giữ của hàng đợi: Loại bỏ gói khi hàng đợi đã đầy. Đánh dấu các gói khi hàng đợi chuẩn bị đầy. 2.2.2.2 Sự cần thiết của quản lý hàng đợi Mục đích chính của hàng đợi là điều khiển lưu lượng, chống tắc nghẽn trong mạng, đặc biệt là tại các nút cổ chai. Kĩ thuật quản lý hàng đợi trước đây là thiết lập một kích thước hàng đợi lớn nhất cho mỗi hàng đợi, các gói sẽ được đưa vào trong hàng đợi cho đến khi hàng đợi đầy sau đó nếu còn có gói đến thì sẽ loại bỏ các gói mới tới này. Khi số lượng các gói trong hàng đợi giảm do được truyền tới chặng tiếp theo thì lúc đó hàng đợi mới nhận tiếp các gói tới. Đây cũng chính là kĩ thuật “loại bỏ phần đuôi” (drop tail). Tuy nhiên cách này có 2 hạn chế: Kĩ thuật này chỉ cho phép các gói từ một kết nối đơn hoặc một vài luồng đủ để chiếm dụng không gian hàng đợi, ngăn chặn không cho các kết nối khác cùng đến một hàng đợi. Kĩ thuật này là kết quả của quá trình đồng bộ hoặc có hiệu quả định thời. Thường thì các luồng lưu lượng đến hàng đợi dưới dạng bó. Khi hàng đợi đầy thì bất kì luồng nào đến cũng đều bị loại bỏ cho tới khi số gói trong hàng đợi giảm xuống. Kĩ thuật này sẽ loại bỏ các bó thông tin chứ không phải chỉ là các gói, do đó việc mất mát thông tin là rất lớn. Quản lý hàng đợi có các tính năng sau: Giảm số lượng các gói bị loại bỏ trong hàng đợi Các gói thường đến mạng dưới dạng bó, và có chủng loại rất phong phú, tốc độ không cố định. Nếu ta đặt kích thước hàng đợi cố định thì không linh hoạt với từng loại lưu lượng khác nhau: như nếu kích thước hàng đợi quá bé thì hàng đợi rất dễ bị tràn và việc loại bỏ gói sẽ thường xuyên xảy ra, còn nếu kích thước hàng đợi quá lớn sẽ gây lãng phí tài nguyên. Quản lý hàng đợi giữ kích thước trung bình của hàng đợi nhỏ cung cấp khả năng cao hơn. Ngoài ra quản lý hàng đợi cho phép loại bỏ tắc nghẽn bằng việc loại bỏ gói tin chứ không loại bỏ cả bó thông tin điều này sẽ hạn chế được số lượng các gói bị loại bỏ. Cung cấp các dịch vụ tương tác có độ trễ thấp Do quản lý hàng đợi giữ kích thước trung bình của hàng đợi nhỏ nên giảm độ trễ trong các luồng. Điều này rất quan trong các ứng dụng tương tác: truyền web, lưu lượng telnet hay các phiên audio-video tương tác. Các phương pháp đưa ra để quản lý hàng đợi là các thuật toán RED, hàng đợi cân bằng có trọng số (WFQ),hàng đợi ưu tiên (PQ),… 2.2.3 Lập lịch (Schedular) Bộ lập lịch sẽ quyết định xem gói nào được đưa ra giao diện đầu ra nào, sau đó hướng nó tới hop tiếo theo. Các router truyền thống chỉ có một hàng đợi đơn cho một đầu ra cố định do vậy bộ lập lịch của nó rất đơn giản. Nó sẽ tìm cách kéo gói ra khỏi hàng đợi nhanh như là tốc độ truyền nó. Còn tại các router có hỗ trợ kiến trúc CQS thì mỗi giao diện có tầng lập lịch để cùng chia sẻ khả năng của giao diện đầu ra có cùng các hàng đợi liên quan. Quá trình lập lịch này giúp cho các gói từ nhiều hàng đợi ra cùng một giao diện đầu ra không phải tranh chấp đầu ra, tránh được tắc nghẽn tại đầu ra. Các thuật toán lập lịch có thể đơn giản hoặc cũng rất phức tạp, điều này tuỳ thuộc vào loại lưu lượng mà mạng truyền tải. Ta xét sơ lược các bộ lập lịch sau: 2.2.3.1 Tiến trình lập lịch đơn giản Ưu tiên chặt (strict priority): Quá trình lập lịch này làm việc dựa trên các mức ưu tiên của các hàng đợi. Hàng đợi có mức ưu tiên cao nhất sẽ được truyền trước, chỉ khi các gói trong hàng đợi này được truyền hết (hàng đơi rỗng) thì các hàng đợi có mức ưu tiên thấp hơn mới được bắt đầu truyền. Quá tình này cứ tiếp diễn cho tới khi lặp lại một chu kì mới. Ví dụ: Có 4 hàng đợi đang được điều khiển bởi bộ lập lịch. Queue 3 Queue 2 Queue 1 Schedular Queue 4 . Hình 2.8 : Ví dụ bộ lập lịch gồm 4 hàng đợi Giả sử hàng đợi thứ nhất có độ ưu tiên cao nhất, tiếp theo là các hàng đợi thứ 2, 3, 4 có độ ưu tiên thấp hơn. Bộ lập lịch sẽ ưu tiên chuyển các gói của hàng đợi thứ nhất đầu tiên cho tới khi hàng đợi này hoàn toàn rỗng. Tiếp theo các gói trong hàng đợi thứ hai sẽ được chuyển ra ngoài cho tới khi nó cũng hoàn toàn rỗng. Quá trình này cũng được thực hiện với các hàng đợi 3, 4. Các hàng đợi khác phải chờ hàng đợi 1 xử lý xong mới được truyền gói theo điều khiển của bộ lập lịch. Thuật toán này rất đơn giản, tuy nhiên nó có nhiều nhược điểm. Bộ lập lịch chỉ xử lý các hàng đợi có độ ưu tiên cao, còn lại là “bỏ đói” các hàng đợi có độ ưu tiên thấp, nó gây lãng phí băng thông và tạo ra trễ lớn cho các lưu lượng có độ ưu tiên thấp do các hàng đợi có độ ưu tiên thấp phải chờ đợi để tới lượt mình thì mới được truyền. Giải quyết vấn đề này thì mạng phải có cơ chế định dạng lưu lượng để có thể hạn chế một phần lưu lượng tới hàng đợi có độ ưu tiên cao trong một thời gian dài để dành băng thông cho các hàng đợi có độ ưu tiên thấp hơn. Tuy nhiên cũng phải thừa nhận rằng cách này rất phù hợp với các lớp lưu lượng yêu cầu độ trễ nhỏ. Do nếu một lớp lưu lượng X yêu cầu trễ đầu cuối thấp thì nó sẽ luôn được gán vào các hàng đợi có mức ưu tiên cao nhất tại mỗi hop để chúng luôn được ưu tiên truyền trước. Tuy nhiên khi gói tin thuộc lớp X đến mà bộ lập lịch đang rỗi thì nó sẽ được xử lý ngay lập tức, còn nếu hàng đợi đang bận truyền các gói khác thì gói tin lớp X phải chờ cho các gói kia truyền hết. Độ trễ đầu cuối phụ thuộc nhiều vào tốc độ của kết nối và MTU cho mỗi kết nối. Round Robin (RR): Thuật toán RR cho phép giải quyết vấn đề bỏ đói các hàng đợi có độ ưu tiên thấp bằng cách truyền các gói tin theo vòng tròn. Mỗi gói từ các hàng đợi sẽ được truyền lần lượt từ hàng đợi này tới hàng đợi khác, hết một chu kì các hàng đợi thì lại quay về hàng đợi đầu tiên và bắt đầu một chu kì mới. Như trong ví dụ trên các gói sẽ được truyền theo trật tự 1,2,3,4 1,2,3,4….một cách đều đặn. Nếu có hàng đợi nào rỗng thì nó sẽ bỏ qua hàng đợi đó mà truyền hàng đợi tiếp theo. Cách này có độ trễ không phụ thuộc vào độ ưu tiên cao hay thấp của các hàng đợi mà độ trễ phụ thuộc vào tốc độ đường truyền và số lượng các gói bên trong hàng đợi bhiều hay ít. 2.2.3.2 Các bộ lập lịch tương thích Đối với các loại lưu lượng phức tạp hơn ta thường sử dụng bộ lập lịch tương thích. Để hỗ trợ cho QoS mạng chia ra thêm hai cấu trúc dịch vụ: Dịch vụ phân biệt (DS) dùng trong mạng lõi, và dịch vụ tích hợp (IS) dùng trong mạng biên. Bộ lập lịch cũng có nhiều loại phù hợp với các loại dịch vụ này: đối với dịch vụ DS ta có thể sử dụng bộ lập lịch RR tường minh, RR có trọng số, hay hàng đợi trên cơ sở lớp (CBQ), hàng đợi cân bằng có trọng số (WFQ)… Thuật toán lập lịch Round Robin tường minh (DRR) là sự mở rộng của thuật toán RR. DRR sẽ theo dõi số lượng byte được gửi trong một hàng đợi và so sánh với số lượng các byte phải truyền trên đường truyền để chỉnh sửa khoảng thời gian truyền giữa các dịch vụ bằng cách thay đổi tốc độ bit truyền trong mỗi hàng đợi. DRR ấn định cho mỗi hàng đợi một tham số Qn không đổi (bước lượng tử) và tham số Dn thay đổi (lượng mất mát). Bước lượng tử Qn phản ánh số byte trung bình mỗi vòng mong muốn hàng đợi truyền.Giá trị Dn bắt đầu từ 0 và sẽ thiết lập về 0 khi hàng đợi rỗng. Khi bộ lập lịch nhảy sang hàng đợi mới thì nó sẽ thiết lập giá trị đếm Bsent phản ánh sô byte đã được truyền ở hàng đợi trước đó. Các gói sẽ được truyền từ hàng đợi thứ N nếu thoả mãn 2 điều kiện sau: + Hàng đợi có gói để truyền + Giá trị Qn+Dn phải lớn hơn hoặc bằng Bsent +số byte trong gói kế tiếp của hàng đợi. Nếu hàng đợi rỗng thì Dn được lập về 0. Còn nếu bộ lập lịch dừng trước khi hàng đợi rỗng thì sẽ tồn tại một giá trị Dn mới có giá trị trong khoảng (Bsent; Qn+Dn). Lúc này giá trị Dn sẽ được thiết lập từ Qn+Dn- Bsent và bộ lập lịch sẽ chuyển tới hàng đợi tiếp theo. Đối với mỗi hàng đợi giá trị Qn+Dn thể hiện số lượng gói tối đa có thể truyền trong suốt một chu kì. 2.3 Hoạt động của các router biên và router lõi trong mạng Chức năng chính của các router có cấu trúc CQS như đã nói ở trên. Nhưng trong một mạng các router có vị trí khác nhau sẽ đảm nhiệm các chức năng khác nhau. Các router nằm tại đường biên của mạng sẽ xử lý một phần lưu lượng đi vào mạng để giảm nhẹ gánh nặng phục vụ cho router lõi, còn router lõi nhiệm vụ chủ yếu là định tuyến gói tin, xử lý lưu lượng bên trong lõi của mạng. Ta xét hoạt động của các router trong mạng Diff-serv. Do diff-serv được sử dụng trong mạng lõi, phần mạng phức tạp và phải xử lý rất nhiều lưu lượng đến nên việc tìm hiểu hoạt động của các router trong mạng lõi là rất quan trọng. Một hệ thống dựa trên cơ sở mạng có các yêu cầu dịch vụ phân biệt mà cung cấp các định tuyến có QoS hạn chế. Hệ thống cho phép đưa ra các độ ưu tiên với các loại đặc trưng của dịch vụ hoặc người sử dụng và các ứng dụng trong mạng. Để thực hiện được điều này tất cả các hệ thống trong mạng phải được cấu hình, quản lý và điều khiển bởi các phương tiện được định nghĩa trước bởi các nhà quản trị mạng. Ứng dụng của các chính sách phụ thuộc vào nhiều yếu tố như các mức ưu tiên của dịch vụ và người sử dụng, độ hiệu quả của tài nguyên, QoS yêu cầu cho dịch vụ đặc thù. Để cung cấp được các ứng dụng thoả mãn được các yêu cầu của khách hàng về chất lượng dịch vụ thì việc đầu tiên phải hiểu và cung cấp được đặc trưng cho các thành phần trong mạng và các kết nối của nó một cách tự động, cùng với các thông tin ứng dụng và sự vận hành của người sử dụng trong mạng. Các thành phần trong mạng có thể kể đến là các bộ giám sát, các router (router biên và router lõi), …Tiến trình giám sát các sự kiện khác nhau trong mạng ví dụ như cảnh báo khi có một hệ thống mạng bị lỗi hay khi có quá nhiều gói đến vượt quá khả năng cho phép của router. Nói một cách khác thì tiến trình giám sát lựa chọn thông tin từ các router biên router lõi, các kết nối thiết lập trước. Sự lựa chọn các router cho chuyển mạch gói phụ thuộc vào các kĩ thuật sử dụng trong mạng. Kĩ thuật IP dựa trên cơ sở hai nguyên lý: các gói được truyền không có ưu tiên sử dụng nguyên lý best effort và có thể chỉ sử dụng đường truyền ngắn nhất trong mạng để truyền gói tin đến đích. Một kĩ thuật thông minh hơn là phân loại gói tin theo các mức độ ưu tiên của luồng lưu lượng, số lượng các đường dẫn có thể sử dụng được quyết định bởi cấu trúc của các trung kế giữa các vùng của router. Do đó cấu trúc này có thể đánh giá trực tiếp mạng phân cấp, hay hỗn hợp, hay bằng phẳng (flat). Flat có nghĩa rằng các gói có thể được định tuyến trực tiếp giữa các router biên và phân cấp có nghĩa là các gói được chuyển qua các router lõi tương ứng. Các loại router riêng thể hiện các chức năng khác nhau để quyết định lượng lưu lượng tại mức cao sẽ lớn hơn lưu lượng ở mức thấp. Chức năng của router truy nhập là chấp nhận lưu lượng luồng lên từ mạng chấp nhận kết nối và chuyển nó tới router biên liên quan. Do đó các router truy nhập được kết nối tới vùng router biên liên quan. Các router biên sau khi sử lý một phần lưu lượng sẽ chuyển lưu lượng tới router lõi để các router này thực hiện nốt các chức năng tuyền tải lưu lượng còn lại. MF Classifier MF Shapper Meter BA Classifier Traffic Control SNAT Routing DNAT Routing BA Policer BA Marker Enqueuing HTB Schedular Exit Hình 2.9 : Quá trình xử lý gói tin qua router biên và router lõi 2.3.1 Router biên (edge router) Một luồng dữ liệu muốn đi từ mạng này tới mạng khác thì trước tiên nó phải được đi qua các router đặt ở đường biên mạng (router biên), router biên quyết định xem gói nào nhận được đảm bảo, các gói này không bị loại bỏ. Khi các thiết bị truy nhập thu thập và phân phối các luồng dữ liệu từ phía đầu phát khách hàng, router biên sẽ truyền tải các dịch vụ phân biệt trên cơ sở các đặc điểm của lưu lượng. Các router hiệu năng cao cho phép thực hiện thực hiện các chính sách quản lý mạng đã được định nghĩa bởi các luồng lưu lượng được phân loại, băng thông phân bố, thiết lập các độ ưu tiên hàng đợi và đánh dấu các tuyến tối ưu. Router biên truyền thông với các router lõi trong cùng một mạng hoặc với các router biên ở các mạng khác. Ngoài ra router biên còn có khả năng định tuyến lưu lượng tĩnh và liên kết hoặc kết nối tới một hoặc nhiều router lõi. Các tuyến giữa router biên và các router lõi liên quan có thể rất nhiều. Kiến trúc mạng logic cơ bản có thể là mạng sao (star), ring hoặc chain. Mạng mesh cũng được thể hiện trong cấu trúc này. Nhìn chung về cấu trúc router biên cũng tương tự như cấu trúc chung của router đã nói ở trên. Chỉ có hoạt động hơi khác so với router lõi. Router biên hoạt động theo chế độ phân tải còn router lõi hoạt động theo chế độ tập trung tải packet Meter Classifier Marker Shaper / Dropper Hình 2.10: Sơ đồ xử lý gói tin trong router biên Bộ phân loại tiêu chuẩn: lựa chọn các gói trên cơ sở giá trị điểm mã DS. Các gói được lựa chộn sau đó sẽ được truyền tương ứng hoặc tuỳ thuộc vào việc điều phối lưu lượng nếu cần thiết. Phân loại đa trường: Bộ phân loại này lựa chọn các gói trên cơ sở nội dung của một số trường tiêu đề điển hình, là sự phối hợp của địa chỉ nguồn, địa chỉ đích, trường DS, trường giao thức ID, trường số cổng nguồn, cổng đích. Bộ đánh dấu: thực thể này có thể thiết lập giá trị của trường DSCP. Hệ thống hoạt động và định giá băng tần: Các thiết bi nay đựoc cấu hình với các chính sách hoạt động.Chúng lưu giữ sự phân phối lưu lượng hiện tại của các lưu lượng được đánh dấu và biên dịch các yêu cầu mới để đánh dấu lưu lượng. Bộ điều phối lượng: thực thể này có nhiệm vụ đo đạc, đánh dấu, loại bỏ và định dạng lưu lượng. Bộ điều phối lưu lượng có thể đánh dấu lại lưu lượng hoặc có thể loại bỏ, định dạng các gói để thay đổi các tham số tạm thời của luồng và gắn cho nó một tiểu sử lưu lưọng Bộ đo: đo tốc độ của luồng lưu lượng được lựa chọn bởi bộ phân loại.Việc đo này được sử dụng bởi các thành phàn trên hoặc được dùng cho mục đích đếm và đo. Bộ bắt giữ: Định giá kết quả đo được tạo ra từ bộ đo và sử dụng chúng để làm cho các profile lưu lượng trên cơ sở các chính sách có hiệu lực. Bộ loại bỏ gói: loại bỏ một số hoặc tất cả các gói trong luồng lưu lượng nhằm mục đích đưa luồng lưu lượng vào profile lưu lượng. Tiến trình này gọi là bắt giữ các luồng. Định dạng: Trễ các gói bên trong luồng lưu lượng để nó tuân theo một số profile lưu lượng được định dạng. Một bộ định dạng có thể loại bỏ các gói nếu không gian bộ đệm không còn đủ chỗ để chứa các gói có độ trễ. Các bộ điều phối lưu lượng thường được lắp đặt bên trong các node DS đầu vào và các node đường biên đầu ra, nó cũng được lắp đặt bên trong một node ở trong một miền DS. Các node đầu vào của một miền nguồn là node đầu tiên đánh dấu các gói. Các node đầu ra sẽ chuyển các gói tới miền DS khác và có thể đánh dấu lại các gói nếu cần thiết. Các luật điều phối lưu lượng này nằm trong TCA (traffic conditioning agreement) và được áp đặt bởi các bộ phân phối lưu lượng. Các luật TCA được kết nối tới các SLA (service level agreement) được tạo ra giữa khách hàng và nhà cung cấp dịch vụ. Các thoả thuận này sẽ chỉ định loại dịch vụ khách hàng sẽ nhận. Điều này có nghĩa là các miền DS bên trong một vùng bao gồm các ISP ngang hàng với các cái khác và thiết lập các SLA ngang hàng. DS thể hiện phân phối lưu lượng để chắc chắn rằng việc đưa lưu lượng và bên trong miền DS sẽ phù hợp với các luật lệ trong TCA, phù hợp với các chính sách cung cấp dịch vụ của miền. Bộ phân loại lưu lượng hướng các gói để phù hợp với các thành phần điều phối lưu lượng. Các bộ điều phối lưu lượng sử dụng các prifile lưu lượng để chỉ định ra điều kiện của lưu lượng như thế nào. Một profile lưu lưọng định nghĩa các luật lệ cho quá trình chỉ định các gói dù ở trong hay ở ngoài một profile. Các gói bên ngoài profile có thể được xếp hàng cho đến khi chúng ở trong profle (được định dạng), bị loại bỏ (bắt giữ), được đánh dấu bằng điểm mã mới (được đánh dấu lại). Các gói bên profle có thể được sắp xếp lại dưới mức cho phép. Bộ đo sẽ đo các luồng lưu lượng và trạng thái của bộ đo có hiệu lực đối với các gói được đánh dấu, loại bỏ và đinh dạng. Hình dưới mô tả các gói khi đi vào bộ phân loại. Bộ đo sẽ đo luồng lưu lượng và chuyển thông tin tới các thành phần khởi sự một quá trình tương ứng. Bộ đánh dấu sẽ thiết lập giá trị DSCP của gói. Thiết lập các bit trong trường IP của các gói tại các biên của mạng.Sử dụng các bit này để quyết định xem các gói được truyền đi như thế nào bởi các node ,điều phối các gói được đánh dấu sao cho phù hợp với các yêucầu hoặc luật lệ của dịch vụ. Các yêu cầu hoặc luật lệ của mỗi dịch vụ phải được thiết lập thông qua cơ chế chính sách quản trị. Router biên có rất nhiều chức năng, và các chức năng này phụ thuộc vào từng loại router khác nhau. Router biên gồm 3 loại cơ bản: Router chặng đầu tiên (first hop router): đây là router gần với trạm host gửi gói tin nhất. Các gói được phân loại và được đánh dấu tuỳ thuộc vào profile SLS được ấn định cho kết nối. Nó là đáp ứng của việc thiết lập một cam kết về lưu lượng và băng thông mà người sử dụng và nhà cung cấp dịch vụ đưa ra. Router đầu vào: Nó được lắp đặt tại điểm đầu vào của miền DS và nó đảm nhiệm chức năng phân loại tất cả các gói đến trên cơ sở trường DS. Router đầu ra : được lắp đặt tại điểm đầu ra của các mạng DS để điều khiển lưu lượng. Nó cũng đảm nhiệm chức năng phân loại lưu lượng dựa trên trường DS. 2.3.2 Router lõi (core router) Router lõi xử lý lưu lượng trong nội mạng, không liên quan gì tới các mạng khác. Router lõi phải xử lý một số lượng lưu lượng lớn bên trong một mạng, và chức năng của chúng là thêm vào các luồng thông tin và thực hiện việc phân loại, gửi ngược trở lại các gói tin. Do đó các vung lắp đặt router lõi thường lớn và có dạng lưới. Thông thường các node mạng lắp đặt các vùng router lõi cùng các server để cung cấp các dịch vụ Internet (email server, web server, RADIUS, DNS…). Thêm vào các vùng router lõi cũng thường là các điểm trung tâm cho các các kết nối tới các mạng IP khác (do đó nó còn được gọi là các điểm liên tổng đài (IxPs) hay các NAP công cộng). Trong mạng quốc gia lớn các router lõi còn có thể được phân nhỏ ra thành các sub-router và các router lõi transit. Việc giám sát router lõi bao gồm 4 tham số cơ bản dùng để định nghĩa một lớp dịch vụ: băng thông, trễ, jitter, và độ mất gói. Để chuyển tải các lưu lượng hỗn hợp của các loại dịch vụ khác nhau, ví dụ cho loại dịch vụ X được định nghĩa mức chất lượng dịch vụ của mỗi luồng lưu lượng và thực hiện điều khiển QoS để thể hiện mức chất lượng đó (điều khiển hàng đợi đa lớp). Quá trình bắt giữ lưu lượng sẽ giám sát lưu lượng đi vào trong router biên ở mỗi luồng lưu lượng được phân loại bởi việc phối hợp của địa chỉ nguồn và địa chỉ đích ,các đường MPLS, thông tin trong trường DS của header gói tin được dùng để định hướng, giám sát gói tin. Khi gói tin đi vào trong router lõi, nó sẽ sử dụng các thông tin đánh dấu trước đó để thực hiện các đảm bảo liên quan, sau đó được đưa vào hàng đợi tuỳ theo từng lớp chất lượng dịch vụ hay độ ưu tiên của loại dịch vụ mà luồng lưu lượng đó truyền tải. Tại đây các gói tin sẽ được định hướng truyền, thời điểm truyền gói tin sẽ do bộ lập lịch quyết định tuỳ thuộc vào trường ưu tiên trong phần header của gói. Gói tin có độ ưu tiên thấp có thể bị loại bỏ khi có tắc nghẽn xảy ra trong mạng. Router sử dụng nhiều thuật toán, cách thức quản lý để đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng: như các thuật toán quản lý hàng đợi, thuật toán lập lịch … Các router lõi là các router tốc độ cao được ứng dụng trong phần lõi và phần xương sống của mạng IP. Dữ liệu truyền qua các bộ xử lý trung tâm có tốc độ lên tới hàng trăm Gbps. kiến trúc mạng của các router lõi có dạng lưới hoặc liên lưới ngay cả khi kiến trúc của router biên hay router truy nhập có dạng star hay double star. Nhìn chung hoạt động của router có hai chức năng chính: định tuyến và chuyển gói. Trong suốt quá trình định tuyến router thu thập và xử lý thông tin trong cấu hình mạng và thiết lập ra bảng định tuyến. Bảng này chứa các thông tin được yêu cầu để định hướng và truyền lại gói. Tại các khoảng thời gian 30 đến 60 phút các router sẽ kết nối tới tổng đài và update các bảng định tuyến. Trong suốt quá trình định tuyến các router sẽ định tuyến dữ liệu tới cổng vào đi ra đầu ra tương ứng được chỉ định trong bảng định tuyến. Tuỳ thuộc vào loại lưu lượng có độ ưu tiên khác nhau mà các luồng thông tin được đưa ào hàng đợi khác nhau và được lập lịch đưa ra sớm hay muộn. Để chuyển các gói thì đầu tiên các gói phải được đóng gói và địa chỉ hướng chuyển phải được thiết lập trước khi một gói đi vào hàng đợi đầu ra tương ứng. Cuối cùng khi các gói ở đầu ra lại đước đóng gói thêm một lần nữa. Để tránh tắc nghẽn trong mạng các gói sẽ được chớ trong hàng đợi để chờ xử lý. Trong các mạng DS thì các trường precedence của gói sẽ được đọc ra và các gói dữ liệu sẽ tham gia vào hàng đợi được phân theo độ ưu tiên tại các cổng đầu ra tuỳ thuộc vào lớp lưu lượng của nó. Các có chế hàng đợi dựa trên giao thức RSVP như: hàng đợi có độ trễ thấp (LLQ) hay hàng đợi cân bằng có trọng số (WFQ) cũng phục vụ mục đích ưu tiên hoá các gói trong hàng đợi tối thiểu hoá độ trễ truyền dẫn và thời gian xử lý. Tất cả các hệ thống router yêu cầu 3 thành phần cơ bản để thực hiện 2 chức năng trên: Phần mềm định tuyến (được thiết lập và update trong bảng định tuyến) Các thành phần cho xử lý và định hướng lại các gói (phân loại, bộ lọc, hàng đợi , đánh địa chỉ cho các gói) Các card đầu vào và đầu ra, bao gồm cả backplane. Các card và các giao diện được liên kết nối qua backplane trên cơ sở bus hoặc kiến trúc chuyển mạch. Tóm lại các router là thành phần có bản của mạng, để mạng hoạt động hiệu quả hơn thì ta cần quan tâm nhiều hơn đến khả năng làm việc của các router, do đó các nhà kĩ thuật đang tìm mọi cách để nâng cao khả năng hoạt động và chức năng của router. Có rất nhiều thế hệ router mới ra đời cho phép xử lý các lường lưu lượng đa dạng nhanh hơn và đảm bảo chấ lượng dịch vụ tốt hơn.Việc thiết kế phân phối lưu lượng và điều khiển luồng và cung cấp các tính năng mạng để thoả mãn các yêu cầu về dữ liệu và lưu lượng đa phương tiện trong các loại ứng dụng khác nhau. Việc cung cấp mạng thích hợp có vai trò quan trọng trong việc cung cấp chất lượng dịch vụ QoS cho các yêu cầu của khách hàng bởi nhà cung cấp dịch vụ. Mục đích thiết kế thành phần các router biên là để giám sát mạng tránh các vi phạm cam kết mức dịch vụ (SLA) và việc ăn trộm băng thông. Người sử dụng có thể đưa vào lưu lượng không hợp lệ hoặc vượt quá mức cho phép từ các điểm truy nhập khác nhau gây ảnh hưởng tới chất lượng dịch vụ trong mạng. Do đó lưu lượng ban đầu vào mạng được giám sát điều khiển bởi router lõi. Bộ phân phối và các thành phần điều khiển luồng sẽ giảm bớt tắc nghẽn và việc phân phối không công bằng các tài nguyên mạng. Các router biên sẽ chia sẻ các thông tin tắc nghẽn với các router luồng trên để giữ lại các tài nguyên bị lãng phí trong các miền đường xuống. Việc đánh giá khả năng hoạt động và mở rộng của router biên thông qua các yếu tố: Đối với các router lõi phải ấn định tốc độ tối ưu cho mỗi luồng lưu lượng và trọng số cho các hàng đợi để tối đa hoá lợi nhuận cho các nhà cung cấp dịch vụ của miền mạng. Việc cung cấp phù hợp là rất cần thiết để cung cấp các đường biên cam kết mức dịch vụ như trễ ,khả năng thông qua và độ mất gói cho mỗi người sử dụng. Để chắc chắn rằng tất cả các luồng đều nhận được sự chia sẻ của SLA, thì các luồng của một vùng mạng cần được giám sát để tránh các SLA vi phạm và băng thông bị đánh cắp. Chúng ta cần định nghĩa và phát triển độ thông qua, và độ trễ, độ mất gói và bảo mật giống như các tham số của QoS được thiết kế cho lược đồ giám sát SLA biên –biên để phát hiện các vi phạm dịch vụ. Các bộ điều phối lưu lượng tại router biên được xây dựng cơ chế đánh dấu thông minh và định dạng các gói dựa trên các tham số lớp và tuân theo trạng thái của mạng. Các bộ điều phối sẽ sử dụng các đặc điểm luồng để cung cấp các cách sử dụng tài nguyên tốt hơn và củng cố chất lượng dịch vụ mức ứng dụng. Các router biên được thiết kế để phát hiện và điều chỉnh các luồng không thuận lợi gây ra các hiệu năng thấp cho các luồng tương thích như TCP (những luồng được đối xử lại trong suốt thời điểm tắc nghẽn). Các router biên đầu vào sẽ nhân bản thông tin tắc nghẽn tới các router đầu của miền mạng luồng hướng lên trước đó để giảm sự lãng phí tài nguyên tại mạng đường xuống để từ chối không nhận các gói. Các router biên mở rộng và tương thích được sử dụng để cung cấp khả năng thông qua cao, độ trễ thấp và độ mất gói cho các ứng dụng đa phương tiện hiện hành như IP Telephony, phân phối các dịch vụ media thông qua Internet. Qua sử dụng mô phỏng có thể đánh giá router biên cho các ứng dụng dữ liệu mở rộng như FTP và các ứng dụng nhạy với độ trễ như Telnet và lưu lượng WWW. 2.4 Tổng kết chương Chương 2 giới thiệu chung về cấu trúc và các tính năng của router. Router là một thiết bị mạng quan trọng tại lớp Internet trong mô hình TCP/IP, chức năng chính của router là định tuyến và chuyển gói tin đến chặng tiếp theo. Chương này cũng giới thiệu về cấu trúc CQS trong router. Cấu trúc này cho phép xử lý các gói tin tại lớp Internet, cải thiện chất lượng dịch vụ và điều khiển tắc nghẽn. CHƯƠNG 3: QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI VÀ CÁC THUẬT TOÁN 3.1 Các kĩ thuật hàng đợi 3.1.1 Giới thiệu hàng đợi trong Router Lý thuyết hàng đợi nảy sinh một cách tự nhiên trong việc nghiên cứu các chuyển mạch kênh, và chuyển mạch gói. Trong các mạng chuyển mạch kênh, cuộc gọi đến chuyển mạch ngẫu nhiên, mỗi cuộc gọi sẽ giữ kênh trong một khoảng thời gian ngẫu nhiên nào đó. Trong mạng chuyển mạch gói, các gói tin với các chiều dài khác nhau đi qua mạng, tài nguyên mạng (các chuyển mạch,kết nối sẽ được chia sẻ cho các gói). Các bản tin được định tuyến đến các node tiếp theo. Thời gian sử dụng bộ đệm (trễ hàng đợi) là một vấn đề quan trọng trong truyền dẫn thông tin. Thời gian này phụ thuộc vào các thời gian xử lý, độ dài bản tin hay thời gian chờ xử lý khi chưa có tài nguyên sử dụng. Trong các ứng dụng tương tác và thời gian thực thì thời gian trả lời trung bình được xem như một tiêu chuẩn quan trọng còn trong các ứng dụng khác thì thông lượng lại là điều quan trọng nhất. Việc mô tả hàng đợi theo lý thuyết toán học rất phức tạp nên ta chỉ mô tả chúng theo mô hình đơn giản được sử dụng trong các mạng IP: Server Queue Dispatching discipline departures w=items wait Tw=wait time q= items in queuing system Tq = queuing time Ts= service time P= utilization arrivals λ =arrival rate Hình 3.1: Mô hình hàng đợi đơn giản trong mạng Tin tức (có thể là gói tin hay bản tin) đến hệ thống để yêu cầu phục vụ. Nếu server rỗi thì gói tin sẽ được phục vụ ngay lập tức, ngược lại chúng sẽ được lưu giữ trong các hàng đợi. Khi rời khỏi hàng đợi các gói sẽ được xử lý. Các tham số cơ bản liên quan tới hàng đợi: Bảng 3.1 : Bảng các tham số cơ bản của hàng đợi Tham số Kí hiệu Chú thích Tốc độ đến TB λ Thời gian gói tin đến hệ thống hàng đợi với vận tốc λ trên một đơn vị thời gian(s) Tốc độ rời khỏi TB μ Các gói tin rời khỏi hệ thống với tốc độ μ trên một đơn vị thời gian Hiệu suất sử dụng dịch vụ p Là khoảng thời gian server bận do phải xử lý lý,đo bằng P= λ /μ Độ dài TB Lw Là số gói nằm trong hàng đợi trung bình tại tất cả các thời điểm t Thời gian đợi TB Tw Có hai định nghĩa: Thứ nhất: được tính bằng tất cả thời gian gói tin đến xử lý (bao gồm cả các gói không phải chờ trong hàng đợi) Thứ hai: chỉ tính TB thời gian các gói tin phải chờ trong hàng đợi Thời gian phục vụ TB Ts Thời gian TB giữa thời điểm gửi gói tới server và thời điểm rời khỏi server Độ dài hàng đợi TB Lq Số gói trung bình trong hệ thống, bao gồm các gói đang được sử dụng và các gói đang chờ trong hàng đợi. Thời gian xếp hàng TB Tq Thời gian các gói ở trong hệ thống. Các gói đến hàng đợi với tốc độ thay đổi λ và đây là một quá trình poisson, thời giạ phục vụ có phân bố mũ tốc độ μ (thực chất là thời gian trung bình mà các gói tin rời khỏi hàng đợi). Khi các gói đến hệ thống tăng thì hiệu suất sử dụng hệ thống cũng tăng, dẫn tới tắc nghẽn có khả năng xảy ra. Với p =1 thì các server bão hoà do đó tốc lớn nhất theo lý thuyết mà hệ thống có thể xử lý được là: λmax= 1/Ts Tại λmax thì kích thước hàng đợi rất dài không thể kiểm soát được. Trong thực tế thời gian trả lời và những yêu cầu kích thước hàng đợi giới hạn tốc độ đầu vào của thông tin là 70-90% so với λmax theo lý thuyết. Tại các router và chuyển mạch trong phần lõi của kiến trúc các dịch vụ phân biệt của mạng Internet có các thuật toán lập lịch và quản lý hàng đợi. Ngày nay kiến trúc dịch vụ phân biệt bao gồm hàng đợi cân bằng có trọng số (WFQ) cùng kĩ thuật tách sớm có trọng số (WRED). Các kĩ thuật trên được sử dụng trong mạng Internet làm nhiệm vụ điều khiển tắc nghẽn và điều khiển luồng lưu lượng trong mạng. Điều khiển tắc nghẽn là vấn đề quan trọng cần giải quyết trong việc truyền tin trong mạng. Nó sử dụng hai cơ chế độc lập: Cơ chế điều khiển vòng kín (Closed Loop control): điều khiển việc truy