Luận văn Giải pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ trên mạng IP, đánh giá và so sánh hiệu quả đảm bảo QOS của diffserv và intserv

2 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN THỊ PHƯƠNG NHUNG GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRÊN MẠNG IP, ĐÁNH GIÁ VÀ SO SÁNH HIỆU QUẢ ĐẢM BẢO QoS CỦA DIFFSERV VÀ INTSERV LUẬN VĂN THẠC SĨ 3 Hà Nội – 2010 4 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN THỊ PHƯƠNG NHUNG GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRÊN MẠNG IP, ĐÁNH GIÁ VÀ SO SÁNH HIỆU QUẢ ĐẢM BẢO QoS CỦA DIFFSERV VÀ INTSERV Ngành: Công Nghệ Thông Tin Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và Mạng máy tính Mã số: 60.48.15 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Hồ Sĩ Đàm Hà Nội – 2010 5 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn này là trung thực. Những tư liệu được sử dụng trong luận văn có nguồn gốc và trích dẫn rõ ràng, đầy đủ. Hà nội, tháng 9 năm 2010 Nguyễn Thị Phương Nhung 6 LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và chân thành tới thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Hồ Sĩ Đàm người đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn tôi trong suốt quá trình làm luận văn. Sự giúp đỡ quý báu của thầy giáo đã tạo điều kiện về mặt khoa học và là nguồn động viên tinh thần rất lớn giúp tôi hoàn thành luận văn của mình. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ths Lê Đình Thanh, người đã tận tình giúp đỡ, hỗ trợ và đóng góp quý báu cho tôi thực hiện các mô phỏng kiểm chứng. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo đã giảng dạy và truyền thụ kiến thức cho tôi trong quá trình học tập tại trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội. Cuối cùng, con xin được bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới bậc sinh thành, người đã dưỡng dục và động viên con trong suốt cuộc đời. Tôi cảm ơn chồng và người thân trong gia đình đã là nguồn động viên tinh thần rất lớn đối với tôi. NGUYỄN THỊ PHƯƠNG NHUNG 7 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................2 LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................6 MỤC LỤC...................................................................................................................7 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT...........................................................9 DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................11 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ....................................................................................12 MỞ ĐẦU...................................................................................................................15 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ.........................................17 1.1 CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ (QoS) VÀ CÁC THAM SỐ QoS .............................17 1.1.1 Giới thiệu chung về QoS ...........................................................................17 1.1.2 Các thành phần thực hiện QoS ..................................................................21 1.1.3 Các tham số QoS đặc trưng.......................................................................24 1.2 CÁC YÊU CẦU ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ ...................................26 1.3 CÁC VẤN ĐỀ ĐẢM BẢO QoS .........................................................................27 1.3.1 Cung cấp QoS ...........................................................................................28 1.3.2 Điều khiển QoS.........................................................................................28 1.3.3 Quản lý QoS .............................................................................................29 Chương 2 ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ CHO MẠNG IP .........................30 2.1 GIAO THỨC LIÊN MẠNG (IP – INTERNET PROTOCOL) .............................30 2.1.1 Phần tiêu đề gói IP ....................................................................................31 2.1.2 Địa chỉ IP..................................................................................................32 2.1.3 Các giao thức định tuyến...........................................................................33 2.1.4 Các cơ chế truyền tải.................................................................................34 2.2 TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ CHO MẠNG IP (QoS IP)..............34 2.2.1 Lịch sử phát triển các mô hình QoS IP ......................................................34 2.2.2 Các tham số cơ bản ảnh hưởng tới QoS IP thực tế.....................................36 2.3 CÁC CHỨC NĂNG CHUNG CỦA QoS IP .......................................................39 2.4 CÁC KỸ THUẬT ĐẢM BẢO QoS IP................................................................42 2.4.1 Kỹ thuật đo lưu lượng và màu hóa lưu lượng ............................................42 2.4.2 Kỹ thuật quản lý hàng đợi tích cực............................................................46 2.4.3 Kỹ thuật lập lịch cho gói tin ......................................................................47 2.4.4 Kỹ thuật cắt lưu lượng ..............................................................................50 2.5 KẾT LUẬN ........................................................................................................52 Chương 3: MỘT SỐ MÔ HÌNH ĐẢM BẢO QoS IP ................................................53 3.1 MÔ HÌNH DỊCH VỤ TÍCH HỢP - INTSERV .....................................................53 8 3.1.1 Giới thiệu chung .......................................................................................53 3.1.2 Giao thức dành trước tài nguyên RSVP.......................................................57 3.2 MÔ HÌNH DỊCH VỤ PHÂN BIỆT - DIFFSERV ..................................................64 3.2.1 Tổng quan về mô hình DiffServ..................................................................64 3.2.2 Miền dịch vụ phân biệt và điểm mã dịch vụ phân biệt .................................66 3.2.4 Xử lý gói tin trong DiffServ ........................................................................68 3.3 KHUYẾN NGHỊ TRIỂN KHAI QoS TRÊN MẠNG IP ........................................73 3.4 KẾT LUẬN ........................................................................................................73 Chương 4 ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH ĐẢM BẢO QoS IP QUA MÔ PHỎNG ............74 4.1 ĐÁNH GIÁ CHUNG...........................................................................................74 4.2 MÔ PHỎNG VÀ KIỂM TRA QoS .....................................................................75 4.2.1 Tổng quan chương trình mô phỏng mạng NS2 ..........................................75 4.2.2 Mô phỏng mô hình DiffServ .....................................................................79 KẾT LUẬN ...............................................................................................................88 TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................89 9 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt AF AL AQM ATM ACS AF BA BB BE B-ISDN CBR CBS CIR CoS CR DiffServ DLL DS DSCP ECN EF ER ETSI FIFO FLOWSPEC FQ FSI GoS GS IETF IntServ IPLR IPTD IPER ISO Assured Forwarding Application Layer Active Queue Management Asychronous Transfer Mode Access Control System Assured Forward Behavior Aggressive Bandwith Broker Best-Effort Broadband ISDN Constant Bit Rate Committed Burst Size Committed Information Rate Class of Service Core Router Differentiated Services Data Link Layer Differentiated Server Differentiated Services Code Point Explicit Congestion Notification Expedited Forwarding Edge Router European Telecommunications Standards Institute First In First Out Flow Specification Fair Queueing Flow State Information Grade of Sevice Guaranteed Service Internet Engineering Task Force Intergrated Service IP Loss Rate IP Packet Transfer Delay IP Error Rate International Standard Organization Chuyển tiếp đảm bảo Tầng ứng dụng Quản lý hàng đợi tích cực Chế độ truyền tải không đồng bộ Hệ thống điều khiển truy nhập Chuyển tiếp đảm bảo Kết hợp hành vi Phân bổ băng thông Cố gắng tối đa Mạng tích hợp đa dịch vụ băng rộng Tốc độ bit cố định Kích thước bùng nổ cam kết Tốc độ thông tin cam kết Lớp dịch vụ Bộ định tuyến lõi Dịch vụ phân biệt Tầng liên kết dữ liệu Server phân biệt Điểm mã dịch vụ phân biệt Thông báo tắc nghẽn tường minh Chuyển tiếp nhanh Bộ định tuyến biên Viện tiêu chuẩn viễn thông châu Âu Vào trước ra trước Đặc tả luồng Hàng đợi công bằng Thông tin trạng thái luồng Cấp độ dịch vụ Dịch vụ đảm bảo Uỷ ban thực thi kỹ thuật Internet Dịch vụ tích hợp Tỷ lệ mất gói IP Trễ truyền tải gói tin IP Tỷ lệ lỗi gói tin IP Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế 10 IPv4 IPv6 ITU-T MF MPLS NL NNI NP PBS PHB PIR PQ QoS RA RED RFC RSVP SACP SE SLA SNMP srTCM TCA TL ToS trTCM UBR UNI VBR VoIP VPN WF WFQ WRED WRR Internet Protocol version 4 Internet Protocol version 6 International Telecommunication Union Multi Fields MultiProtocol Label Switching Network Layer Network Node Interface Net Performance Packet Burst Size Per-Hop forwarding Behaviour Peak Information Rate Priority Queueing Quality of Service Resource Allocation Random Early Detection and Discard Request For Comments Resource Reservation Protocol Simple Acceptance Control Protocol Shared Explicit Service Level Argreement Simple Network Management Protocol Single rate Three Color Marker Traffic Conditioning Agreement Transmission Layer Type of Service Two rate Three Color Marker Undefined Bit rate User Network Interface Variable Bit Rate Voice over IP Virtual Private Network Wildcard Filter Weighted Fair Queueing Weighted Random Early Discarding Weighted Round Robin Giao thức Internet phiên bản 4 Giao thức Internet phiên bản 6 Hiệp hội viễn thông quốc tế Đa trường Chuyển mạch nhãn đa giao thức Tầng mạng Giao diện nút mạng Hiệu năng mạng Kích thước bùng nổ gói Hành vi chuyển tiếp theo từng chặng Tốc độ thông tin đỉnh Hàng đợi ưu tiên Chất lượng dịch vụ Cấp phát tài nguyên Phát hiện và loại bỏ sớm ngẫu nhiên Các yêu cầu cần trả lời Giao thức dành trước tài nguyên Giao thức điều khiển chấp nhận đơn giản Chia sẻ tường minh Thoả thuận mức dịch vụ Giao thức quản lý mạng đơn giản Bộ đánh dấu 3 màu tốc độ đơn Thoả thuận điều kiện lưu lượng Tầng truyền dẫn Kiểu dịch vụ Bộ đánh dấu 3 màu hai tốc độ Tốc độ bit không xác định Giao diện người dùng mạng Tốc độ bit thay đổi Thoại qua IP Mạng riêng ảo Bộ lọc Wildcard Hàng đợi công bằng theo trọng số Loại bỏ sớm ngẫu nhiên theo trọng số Quay vòng theo trọng số 11 DANH MỤC CÁC BẢNG Tên bảng Trang Bảng 1.1. Các đặc tính phân lớp QoS cho mạng IP theo ITU-T .................................26 Bảng 1.2. Phân lớp QoS theo quan điểm của ETSI ....................................................26 Bảng 1.3. Các vùng dịch vụ của B-ISDN ...................................................................27 Bảng 1.4. Phân vùng dịch vụ theo diễn đàn ATM ......................................................27 Bảng 3.1: Các kiểu dành trước tài nguyên..................................................................58 Bảng 3.2. Các bit sử dụng cho điều khiển chia sẻ......................................................61 Bảng 3.3. Các bít sử dụng cho điều khiển lựa chọn máy gửi .....................................61 Bảng 3.4. Các tham số của các đối tượng CL khác nhau ............................................63 Bảng 3.5. Các tham số của dịch vụ cam kết Rspec ....................................................63 Bảng 3.6. Các khối điểm mã dịch vụ phân biệt DSCP...............................................67 Bảng 3.7. Chi tiết các phân lớp chuyển tiếp đảm bảo AF PHB ..................................70 Bảng 4.1. So sánh mô hình IntServ và DiffServ .........................................................75 12 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Tên hình Trang Hình 1.1. Mô hình QoS tổng quát .............................................................................17 Hình 1.2. Kiến trúc cơ bản của QoS ..........................................................................18 Hình 1.3. Các mức của chất lượng dịch vụ đầu cuối-đầu cuối ...................................19 Hình 1.4. Các đặc điểm cơ bản của chất lượng dịch vụ .............................................20 Hình 1.5. Hàng đợi vào trước ra trước trong router ...................................................22 Hình 1.6. Classify, Queue và Schedule trong router ..................................................23 Hình 1.7. Cơ chế traffic shaping trong router ............................................................23 Hình 1.8. Các thành phần trong cơ cấu đảm bảo chất lượng dịch vụ ..........................28 Hình 2.1. Chồng giao thức TCP/IP ............................................................................30 Hình 2.2. Khuôn dạng phần tiêu đề gói IP..................................................................31 Hình 2.3. Các lớp địa chỉ IP .......................................................................................33 Hình 2.4. Các bước phát triển của mô hình QoS [12]. ................................................34 Hình 2.5. Dịch vụ Intserv và dịch vụ Diffserv [19]. ...................................................35 Hình 2.6. Băng thông khả dụng..................................................................................37 Hình 2.7. Trễ tích lũy từ đầu cuối tới đầu cuối ...........................................................38 Hình 2.8. Trễ xử lý và hàng đợi .................................................................................38 Hình 2.9. Mất gói vì hiện tượng tràn bộ đệm đầu ra ...................................................39 Hình 2.10. Các chức năng đảm bảo QoS của bộ định tuyến IP ...................................40 Hình 2.11. Phương pháp phân loại gói đa trường chức năng ......................................40 Hình 2.12. Phương pháp phân loại gói theo kết hợp hành vi ......................................41 Hình 2.13. Khoảng thời gian CBS trong CIR của tốc độ lưu lượng đầu vào đơn ........43 Hình 2.14. Chế độ mù màu srTCM với gáo C và gáo E..............................................43 Hình 2.15. Chế độ hoạt động rõ màu srTCM .............................................................44 Hình 2.16. Gáo rò C, P và chế độ hoạt động mù màu của trTCM ...............................45 Hình 2.17. Chế độ hoạt động rõ màu của trTCM........................................................45 Hình 2.18. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của RED ........................................................46 Hình 2.19. Hoạt động thông báo tắc nghẽn tường minh ECN.....................................47 Hình 2.20. Hàng đợi ưu tiên PQ.................................................................................48 Hình 2.21. Hàng đợi cân bằng FQ..............................................................................49 Hình 2.22. Hàng đợi quay vòng theo trọng số WRR ..................................................49 Hình 2.23: Chia cắt lưu lượng thuần ..........................................................................51 Hình 2.24: Chia cắt lưu lượng bùng nổ kiểu gáo rò....................................................51 Hình 3.1. Mô hình dịch vụ tích hợp IntServ ..............................................................54 13 Hình 3.2. Cấu trúc mạng IntServ...............................................................................58 Hình 3.3. Khuôn dạng bản tin RSVP và tiêu đề chung RSVP ...................................59 Hình 3.4. Khuôn dạng bản tin đối tượng RSVP.........................................................60 Hình 3.5. Khuôn dạng đối tượng kiểu .......................................................................60 Hình 3.6. Cấu trúc bản tin Path và Resv trong RSVP .................................................61 Hình 3.7. Tổng quan mô hình DiffServ.....................................................................64 Hình 3.8. Mô hình DiffServ tại biên và lõi của mạng ................................................65 Hình 3.9. Mô hình các bước dịch vụ phân biệt DiffServ ...........................................66 Hình 3.10. Miền dịch vụ phân biệt DS ......................................................................67 Hình 3.11. Cấu trúc của trường phân biệt dịch vụ DS ................................................67 Hình 3.12. Hoạt động của BB ...................................................................................68 Hình 3.13. Xử lý chuyển tiếp nhanh EF PHB............................................................69 Hình 3.14. Các phân lớp AF PHB .............................................................................70 Hình 3.15. Cấu trúc của byte TOS ............................................................................71 Hình 4.1. Mô hình NS2 đơn giản ...............................................................................76 Hình 4.2. Tương ứng C++ và Otcl .............................................................................76 Hình 4.3. Kiến trúc của NS ........................................................................................77 Hình 4.4. Sơ đồ hoạt động của NS2 ...........................................................................77 Hình 4.5. Các trường của tệp bám vết .......................................................................78 Hình 4.6. Mô hình khảo sát ........................................................................................85 Hình 4.7. Đồ thị mô tả mất gói trong khoảng thời gian 120s ......................................86 Hình 4.8. Đồ thị mô tả thông lượng trong khoảng thời gian 120s ..... Error! Bookmark not defined. Hình 4.9. Độ trễ hàng đợi của lớp lưu lượng ................Error! Bookmark not defined. 14 15 MỞ ĐẦU 1. CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Ngày nay, với sự bùng nổ của Internet, việc kết nối và sử dụng Internet ngày càng đa dạng, phong phú, chính vì vậy tầm quan trọng của việc đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) ngày càng tăng. Với sự ra đời của các nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP), việc ổn định “chất lượng của Internet” cần phải được đảm bảo. Điều đó có nghĩa là các nhà cung cấp Internet tạo ra cho người dùng những dịch vụ đa dạng, phong phú và cốt yếu là phải đảm bảo chất lượng dịch vụ đó. Mạng Internet hiện nay cung cấp dịch vụ trên cơ sở phục vụ theo khả năng tối đa (best - effort), tức là không có bất cứ một cam kết nào được đưa ra từ phía nhà khai thác về chất lượng dịch vụ. Thay vào đó, tùy thuộc vào trạng thái cụ thể của mạng, mạng chủ sẽ thực hiện những khả năng tốt nhất của mình để phục vụ lưu lượng cho dịch vụ [9]. Đây là nguyên nhân chủ yếu thúc đẩy nghiên cứu mạnh mẽ về QoS trên nền mạng IP trong những năm gần đây. Chất lượng dịch vụ là một thành phần quan trọng của các mạng gói đa dịch vụ. Vấn đề chất lượng dịch vụ và đánh giá chất lượng dịch vụ luôn là vấn đề đóng vai trò quan trọng đối với tất cả các loại hình dịch vụ viễn thông. Mỗi loại hình dịch vụ sẽ quan tâm tới QoS ở những khía cạnh khác nhau. Việc tích hợp nhiều ứng dụng với các yêu cầu về QoS khác nhau đòi hỏi phải có một mô hình đảm bảo QoS cho các dịch vụ này. Hướng tiếp cận QoS theo mô hình IntServ và DiffServ rất phù hợp với mạng gói IP [18]. Công nghệ IP và các ứng dụng của nó đã và đang tạo ra nhiều cơ hội và thách thức mới cho các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông. Từ tính cấp thiết nêu trên, chúng tôi chọn đề tài “Giải pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) trên mạng IP, đánh giá và so sánh hiệu quả đảm bảo QoS của DiffServ và IntServ”. Luận văn sẽ đi sâu tìm hiểu những kiến thức cơ bản về chất lượng dịch vụ trên nền mạng IP như đặc điểm kỹ thuật, phân tích và đánh giá chất lượng cho mạng IP qua mô hình IntServ và DiffServ; việc triển khai, hỗ trợ chất lượng dịch vụ trên nền mạng IP. 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Luận văn tập trung nghiên cứu những vấn đề sau: - Tập trung nghiên cứu về đảm bảo chất lượng dịch vụ trên mạng IP. - Phân tích, đánh giá hai mô hình IntServ và Diffserv đối với QoS IP. - Sử dụng công cụ NS2 mô phỏng mô hình đảm bảo QoS: IntServ và DiffServ, từ đó đưa ra giải pháp cho việc đảm bảo chất lượng dịch vụ trên nền mạng IP. 16 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đề tài tập trung nghiên cứu lý thuyết về đảm bảo chất lượng dịch vụ. Các mô hình và cơ chế đảm bảo QoS trên nền mạng IP. Đánh giá và so sánh hiệu năng của 2 mô hình Intserv và DiffServ qua việc sử dụng công cụ mô phỏng NS2. 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Thực hiện nghiên cứu lý thuyết về các kiến trúc QoS. Phân tích và đánh giá qua mô phỏng. 5. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn gồm 4 chương: Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ Các vấn đề và yêu cầu đảm bảo chất lượng dịch vụ: a) Khái niệm về QoS và những yếu tố liên quan: tham số và phương thức đánh giá chất lượng dịch vụ mạng. b) Với các dịch vụ trên nền mạng IP, những tham số đặc trưng khách quan được chuẩn hóa qua các tham số như tỷ lệ mất gói, độ trễ gói, độ biến thiên trễ,... c) Các thông số QoS: Khi xem xét đến đảm bảo chất lượng cho một dịch vụ trên nền mạng IP, cần định nghĩa cụ thể tập hợp những tham số QoS khách quan phải được quan tâm cùng với mô hình phù hợp cho sự ràng buộc của các tham số đó. Chương 2 ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ CHO MẠNG IP  Khái quát về mạng IP, các loại mạng, các giao thức liên mạng và định tuyến, các cơ chế truyền tải trong mạng IP. Nghiên cứu các yếu tố chính có ảnh hưởng tới mạng IP.  Tìm hiểu lịch sử phát triển QoS IP cùng với các tham số ảnh hưởng trực tiếp tới QoS IP trên thực tế.  Các kỹ thuật và công nghệ đảm bảo QoS IP: quản lý hàng đợi, lưu lượng, lập lịch cho gói tin. Chương 3 MỘT SỐ MÔ HÌNH ĐẢM BẢO QoS IP  Đi sâu nghiên cứu mô hình hỗ trợ chất lượng dịch vụ trong mạng IP, so sánh lợi thế của mỗi mô hình dịch vụ đối với mạng IP.  Nghiên cứu và rút ra những giải pháp của hai mô hình IntServ và DiffServ. Chương 4 ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH ĐẢM BẢO QoS IP QUA MÔ PHỎNG  Đánh giá chung về DiffServ và IntServ, rút ra ưu – nhược điểm của hai mô hình trong thực tế  Luận văn thực hiện mô phỏng bằng NS2 nhằm đánh giá mô hình đảm bảo QoS trên mạng IP. 17 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ 1.1 CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ (QoS) VÀ CÁC THAM SỐ QoS 1.1.1 Giới thiệu chung về QoS Chất lượng dịch vụ (Quality of Service – QoS) là một khái niệm rộng và được tiếp cận theo nhiều hướng khác nhau, QoS liên quan tới khả năng cung cấp các dịch vụ tốt hơn của một mạng đối với một lưu lượng mạng đã chọn với những công nghệ khác nhau bao gồm Frame Relay, ATM, Ethernet và các mạng 802.1, SONET, IP. Chất lượng được định nghĩa trong ISO 9000 là “cấp độ của một tập các đặc tính vốn có đáp ứng đầy đủ các yêu cầu”. Theo khuyến nghị E800 ITU-T, chất lượng dịch vụ là “Một tập các khía cạnh của hiệu năng dịch vụ nhằm xác định cấp độ thỏa mãn của người sử dụng đối với dịch vụ”. Trong khi IETF [ETSI - TR102] nhìn nhận QoS là khả năng phân biệt luồng lưu lượng để mạng có các ứng xử phân biệt đối với các kiểu luồng lưu lượng, QoS bao trùm cả phân loại hóa dịch vụ và hiệu năng tổng thể của mạng cho mỗi loại dịch vụ [10]. Cho đến nay vẫn chưa thực sự có một khái niệm hoàn chỉnh về chất lượng dịch vụ, mặc dù vậy ta có thể hiểu chất lượng dịch vụ là điều kiện để việc cung cấp dịch vụ truyền dữ liệu trên mạng phù hợp với các ứng dụng và đảm bảo sự nhận biết của người dùng. Chất lượng dịch vụ bao gồm tập hợp các tiêu chí đặc trưng cho yêu cầu của từng loại lưu lượng cụ thể trên mạng như độ trễ, jitter (sự thay đổi độ trễ), tỉ lệ mất gói,…[16]. Các tiêu chí trên có liên quan chặt chẽ tới băng thông dành cho lưu lượng đó . Hình vẽ sau đây biểu diễn một mô hình QoS tổng quát: Hình 1.1. Mô hình QoS tổng quát Trong hình vẽ, NP (Net Performance) là năng lực và hiệu quả của một mạng cụ thể. Nó bao gồm khả năng ứng xử, tính hiệu quả của mạng và chất lượng phục vụ mà mạng cung cấp. AP (Access Point) là điểm truy nhập mạng. 18 Việc thực hiện đảm bảo chất lượng dịch vụ bao gồm ba thành tố cơ bản sau:  Các cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ tại các nút mạng: thuật toán hàng đợi (queuing), cơ chế định hình lưu lượng (traffic shapping), các cơ chế tối ưu hóa đường truyền, các thuật toán dự đoán và tránh tắc nghẽn…  Phương thức báo hiệu QoS giữa các nút mạng để phối hợp hoạt động đảm bảo chất lượng dịch vụ từ đầu cuối tới đầu cuối  Chính sách QoS và các chức năng tính cước, quản lý để điều khiển và phân phát QoS cho các lưu lượng đi qua mạng Hình 1.2. Kiến trúc cơ bản của QoS Xét từ đầu cuối đến đầu cuối, chất lượng dịch vụ được chia ra một số loại sau:  Best-Effort Service: Mô hình dịch vụ “tối đa”, có nghĩa là mạng sẽ khai thác hết khả năng trong giới hạn cho phép, nhưng không đảm bảo độ trễ và mất mát dữ liệu. Vì vậy, khi có nhiều luồng lưu lượng truyền đi trong mạng và vượt quá khả năng của mạng, dịch vụ không bị từ chối nhưng chất lượng dịch vụ giảm: thời gian trễ tăng, tốc độ giảm và mất dữ liệu. Với Best-Effort, dữ liệu đi vào mạng đều tuân theo quy tắc FIFO. Không có sự đối xử nào của QoS đối với dữ liệu.  Differrentiated Service (còn gọi là soft QoS): Một vài dòng lưu lượng của dịch vụ được ưu tiên hơn những dòng lưu lượng còn lại (ví dụ như cam kết các dịch vụ khác nhau như thoại, video sẽ có băng thông ổn định, được xử lý nhanh hơn, tỉ lệ mất gói ít hơn, …).  Guaranteed Service (còn gọi là hard QoS): dữ liệu đi vào mạng được phân loại thành các lớp khác nhau để phân loại cách đối xử của mạng đối với dữ liệu. Thực hiện thông qua các tool QoS là PQ, CQ, WFQ và WRED. Dịch vụ được đảm bảo tuyệt đối về tài nguyên mạng dành cho nó, với điều khoản cụ thể như băng thông, trễ, mất gói… 19 Hình 1.3. Các mức của chất lượng dịch vụ đầu cuối-đầu cuối Tính chất chung của chất lượng dịch vụ: “Hiệu ứng chung của đặc tính chất lượng dịch vụ là xác định mức độ hài lòng của người sử dụng đối với dịch vụ”. Ngoài ra, QoS còn là “khả năng của mạng đảm bảo và duy trì các mức thực hiện nhất định cho mỗi ứng dụng theo như các yêu cầu đã được chỉ rõ của mỗi người sử dụng”. Từ đó, chất lượng dịch vụ QoS có thể được đánh giá theo hai cách: đánh giá chủ quan và đánh giá khách quan. Đối với người sử dụng dịch vụ, chất lượng dịch vụ phần lớn được đánh giá một cách chủ quan. Ví dụ, khi truy cập một trang Web, yếu tố đầu tiên để người sử dụng đánh giá chất lượng dịch vụ truy cập là khả năng truy nhập thành công trang Web đó. Một yếu tố cũng không thể thiếu là đánh giá mức độ truy nhập nhanh hay chậm qua xem xét thời gian cần thiết để tải các dữ liệu từ trang Web. Từ ý kiến đó, người sử dụng sẽ công nhận dịch vụ truy cập Internet là tốt nếu khả năng truy nhập cao (sự gián đoạn là hạn hữu và vận tốc truyền tải dữ liệu nhanh). Dựa trên những đánh giá chủ quan, QoS được coi là mức độ chấp nhận dịch vụ của người sử dụng và thường được đánh giá trên thang điểm đánh giá trung bình MoS (Mean of Score), MoS dao động từ mức (1-tồi) đến mức (5- xuất sắc). QoS cần được cung cấp cho mỗi ứng dụng để người sử dụng có thể chạy ứng dụng đó và mức QoS mà ứng dụng đòi hỏi được xác định bởi người sử dụng. Từ MoS, các nhà cung cấp dịch vụ đưa ra mức chất lượng dịch vụ phù hợp cho dịch vụ của mình. Điều cơ bản chung của cách đánh giá chủ quan là với người sử dụng, sự đánh giá phụ thuộc vào dịch vụ cụ thể họ đang dùng. Vì những đánh giá này mang tính chủ quan nên chúng không được biểu hóa một cách thống nhất và rành mạch. Từ khía cạnh dịch vụ mạng, QoS liên quan tới năng lực cung cấp các yêu cầu chất lượng dịch vụ cho người sử dụng. Có hai kiểu năng lực mạng để cung cấp chất lượng dịch vụ trong mạng chuyển mạch gói. a. Mạng chuyển mạch gói phải có khả năng phân biệt các lớp dịch vụ. b. Một khi mạng có các lớp dịch vụ khác nhau, mạng phải có cơ chế ứng xử khác nhau 20 với các lớp bằng cách cung cấp các đảm bảo tài nguyên và phân biệt dịch vụ trong mạng. Hình 1.4. Các đặc điểm cơ bản của chất lượng dịch vụ Phương pháp cơ bản để xác định chất lượng dịch vụ mạng là quá trình phân tích lưu lượng và các điều kiện của mạng, thông qua các bài toán được mô hình hóa hoặc đo kiểm trực tiếp các thông số mạng để đánh giá tiêu chuẩn khách quan. Nhìn từ khía cạnh mạng, một khung làm việc chung của kiến trúc QoS gồm có:  Phương pháp để yêu cầu và nhận các mức của dịch vụ qua các hình thức thỏa thuận mức dịch vụ SLA (Service Level Agreements). Các thỏa thuận SLA gồm các tham số QoS như băng thông, độ trễ, ...là một hình thức giao kèo dịch vụ giữa khách hàng và nhà cung cấp dịch vụ. Khách hàng cần SLA để hiểu các ứng dụng của họ nhận được mức dịch vụ như thế nào, còn các nhà cung cấp dịch vụ cần SLA để hướng lưu lượng đầu vào của người sử dụng tới mạng phù hợp.  Báo hiệu, phân phối bộ đệm và quản lý bộ đệm cho phép đáp ứng yêu cầu mức dịch vụ thông qua các giao thức dành trước tài nguyên cho ứng dụng.  Điều khiển những ứng dụng có sai lệch trong việc thiết lập các mức dịch vụ, thông qua quá trình phân loại loại lưu lượng, hướng tới chính sách quản lý và thực thi đối với từng luồng lưu lượng nhằm xác định kỹ thuật điều khiển lưu lượng phù hợp. Phương pháp sắp xếp cho luồng lưu lượng qua mạng trong một chừng mực có thể đảm bảo thỏa thuận các mức dịch vụ sử dụng, bằng các phương pháp định tuyến trên nền tảng QoS. Mức độ chấp nhận dịch vụ Kiểm tra MOS – E Mode 1. Khả năng phân lớp dịch vụ 2. Khả năng cung cấp dịch vụ theo lớp Các tham số mạng:  Mất gói  Độ trễ  Trượt thời gian  Khả năng tắc nghẽn Người sử dụng đầu cuối Mạng chuyển mạch gói Người sử dụng đầu cuối QoS QoS  Phân tích  Mô hình hóa và mô phỏng  Đo kiểm 21  Phương pháp tránh tắc nghẽn, quản lý tắc nghẽn, hàng đợi, và thiết lập để ngăn chặn các điều kiện sự cố mạng gây ra những hậu quả bất lợi ảnh hưởng tới mức dịch vụ. Quản lý tắc nghẽn không phải là cơ chế phòng ngừa, nhưng là một cơ chế tác động ngược khi các điều kiện tắc nghẽn phát sinh trong mạng. Phát hiện và loại bỏ sớm ngẫu nghiên RED (Random Early Detection and Discard) là một trong các kỹ thuật để ngăn ngừa tắc nghẽn.  Chính sách quản lý cho phép thực hiện các luật áp dụng cho các gói tin qua mạng trên nền chính sách chung. Mỗi lớp lưu lượng có một giới hạn nhất định số các gói tin được chấp nhận trong một khoảng thời gian nhất định. Chính sách quản lý liên quan tới các hoạt động của thiết bị xử lý gói tin và hiện trạng của mạng từ đó quyết định hình thức thỏa thuận mức dịch vụ. Tiếp cận theo mô hình phân lớp trong mô hình tham chiếu hệ thống mở OSI (Open System Interconnection) là cách tiếp cận khác về QoS được nhìn nhận từ phía mạng, QoS được đánh giá trong một số tầng:  Tầng ứng dụng AL (Application Layer): QoS được nhận thức là “mức độ dịch vụ”.  Tầng truyền tải TL (Transport Layer): QoS được thực hiện bởi kiến trúc logic của mạng, các cơ chế định tuyến và báo hiệu.  Tầng mạng NL (Network layer): QoS thể hiện qua cac tham số lớp mạng: Tỷ lệ lỗi, giá trị trung bình, giá trị lớn nhất của các tham số như băng thông, độ trễ và độ tin cậy của luồng lưu lượng.  Lớp liên kết dữ liệu DLL (Data link Layer): QoS được thể hiện qua các tham số truyền dẫn, tỷ lệ lỗi thông tin, các hiện tượng tắc nghẽn và hỏng hóc của các tuyến liên kết. Từ mô hình trên chúng ta nhận thấy, chất lượng dịch vụ tại các tầng cao của mô hình hướng về người sử dụng (liên quan tới giao thức và phần mềm điều khiển), trong khi các tầng thấp hướng về các đặc tính của hệ thống mạng truyền thông (như cấu trúc mạng, tài nguyên sử dụng trong các nút và liên kết). 1.1.2 Các thành phần thực hiện QoS Mục đích chính của QoS là cung cấp thứ tự ưu tiên các dịch vụ giao nhận thông tin tin cậy cho những lớp hay loại lưu lượng nào đó bao gồm: cấp băng thông, điều khiển rung pha và trễ (cần thiết đối với các ứng dụng thời gian thực và lưu lượng tương tác), cung cấp sự ưu tiên cho một hay nhiều luồng mà không làm cho các luồng khác bị lỗi... Vấn đề trước tiên phải quan tâm là quá trình lưu và chuyển gói tại các nút mạng diễn ra như thế nào, do tuyến đường mà gói đi qua để đến đích là một chuỗi các nút và liên kết mạng. 22 1.1.2.1 Thực hiện QoS tại các nút mạng Quyết định chuyển gói dựa trên địa chỉ đích của mỗi gói và thông tin trong bảng định tuyến của router. Những router cần cho mạng có đảm bảo chất lượng dịch vụ không thì cần phải quan tâm thời điểm gửi gói. Trong phần lớn các mạng, lưu lượng đến theo từng đợt thay đổi thất thường. Trường hợp hay xảy ra là nhiều đợt gói tin đến từ các tuyến vào khác nhau và cùng một tuyến ra (bản thân tuyến ra chỉ có dung lượng hữu hạn) làm cho router nhận được số gói vượt quá khả năng phân phát tức thời của nó. Để đối phó với trường hợp này, tất cả các router đều có các bộ đệm bên trong (các hàng đợi – queues) để lưu trữ những gói thừa cho đến khi chúng có thể được chuyển. Khi đó các gói này sẽ chịu thêm độ trễ, hay router chịu một sự ứ nghẽn nhất thời. Trễ của gói từ nguồn tới đích bao gồm nhiều thành phần nhưng trễ do bộ đệm kể trên rất thất thường, nó thay đổi ngay cả giữa các gói tới cùng một đích. Mặt khác, gói đến sẽ bị hủy nếu hết dung lượng bộ đệm và tỷ lệ mất gói là một yếu tố không kiểm soát được. Với các hàng đợi FIFO sẽ không có các cơ chế phân tách các loại lưu lượng khác nhau, lưu lượng này sẽ ảnh hưởng tới chất lượng dịch vụ của lưu lượng kia khi vượt qua cùng một hàng đợi. Hình 1.5. Hàng đợi vào trước ra trước trong router Thay vì chỉ có một hàng đợi phục vụ cho mọi loại lưu lượng, người ta đưa ra cơ chế CQS (Classification-Queuing-Scheduling): sử dụng nhiều hàng đợi (với dung lượng và chính sách hủy gói khác nhau) phù hợp với yêu cầu chất lượng dịch vụ của từng lớp lưu lượng cần phục vụ. Classification thực hiện phân loại gói và chỉ định hàng đợi phù hợp cho từng gói. Các hàng đợi vẫn phải chia sẻ cùng một dung lượng tuyến ra (Output link) hữu hạn, cần một cơ chế đặt lịch phục vụ (Scheduling) từng hàng đợi. Các router như vậy được gọi là có kiến trúc CQS. Hàng đợi FIFO Cổng ra M Cổng 1 Cổng n Chiều dài L gói 23 Phân loại (Classify) Hình 1.6. Classify, Queue và Schedule trong router Kiến trúc CQS cho phép chia tách, không cho các loại lưu lượng ảnh hưởng lẫn nhau, thực hiện ưu tiên với các loại lưu lượng cần chất lượng dịch vụ cao. Thực tế cần đặt ra những giới hạn để các loại lưu lượng không được ưu tiên vẫn có được chất lượng dịch vụ tối thiểu cũng như đảm bảo băng thông cho những loại được ưu tiên. Một chức năng trong kiến trúc CQS là đặt ra các giới hạn băng thông cho một lớp lưu lượng (được gọi là định hình lưu lượng (traffic shaping)). Nó kết hợp với chức năng lập lịch (scheduling) để quy định mức tần suất phục vụ với từng hàng đợi hoặc khoảng thời gian giữa hai lần lấy gói ra ở cùng một hàng đợi. Định hình lưu lượng cung cấp một cơ chế điều khiển lưu lượng tại một giao diện cụ thể. Nó giới hạn lưu lượng thông tin đi ra khỏi giao diện để tránh làm mạng bị tắc nghẽn bằng các ràng buộc tốc độ thông tin đi ra ở một tốc độ bit cụ thể đối với từng loại lưu lượng tránh trường hợp tốc độ bit tăng đột ngột. Hình 1.7. Cơ chế traffic shaping trong router Khi có quá nhiều gói đến trong một khoảng thời gian ngắn thì hủy gói là không tránh khỏi. Việc hủy gói phải tuân theo một số chính sách (policy). Giống như định Hàng được định hình Cổng ra M Cổng 1 Hàng đợi Schedule Gói đến 1 2 3 4 ít nhất T giây giữa hai lần Gói đi 1 2 3 4 Hàng đợi Cổng ra M Cổng 1 Cổng N Hàng đợi Hàng đợi Schedule 24 hình lưu lượng, policing cũng là công cụ giới hạn tốc độ bit (rate-limiting tool) do đó tạm dịch là kiểm soát lưu lượng. Chính sách hủy gói có thể đơn giản như hủy những gói mới đến khi không còn chỗ trong hàng đợi. 1.1.2.2 Báo hiệu QoS Báo hiệu QoS cung cấp một cơ chế cho phép trạm cuối hoặc phần tử mạng đưa ra yêu cầu về QoS với mạng. Báo hiệu thực sự cần thiết để phối hợp giữa các nút mạng với các kỹ thuật xử lý lưu lượng nhằm đảm bảo chất lượng dịch vụ “end to end”. Trong mạng IP chất lượng dịch vụ từ đầu cuối tới đầu cuối được xây dựng từ chất lượng dịch vụ trên một chuỗi các chặng mà lưu lượng đi qua. Báo hiệu điều khiển QoS rất cần thiết cho việc sử dụng các cơ chế xử lý lưu lượng . Có 2 phương pháp hay dùng cho báo hiệu QoS là: Sử dụng quyền ưu tiên IP (IP precendence) và sử dụng giao thức báo hiệu RSVP ( Resource Reservation Protocol). Chi tiết về hai phương pháp báo hiệu sẽ được trình bày trong các chương sau. 1.1.3 Các tham số QoS đặc trưng Yêu cầu chất lượng dịch vụ của các ứng dụng khác nhau có thể biểu diễn bằng một tập các tham số QoS đo được bao gồm băng thông, độ trễ, rung pha, xác xuất mất gói. Các tham số sử dụng để tính toán QoS tùy thuộc vào kiểu mạng: Ví dụ thoại và các ứng dụng multimedia rất nhạy cảm với trễ và rung pha; với mạng IP các tham số thường được sử dụng là băng thông, độ trễ và độ tin cậy; trong khi đó mạng không dây thường sử dụng các tham số như băng thông, nhiễu, suy hao và độ tin cậy. Chúng ta sẽ xem xét các tham số đo tổng quát trong khung làm việc chung của QoS: (i) Băng thông Băng thông biểu thị tốc độ truyền dữ liệu cực đại có thể đạt được giữa hai điểm kết nối, được tính theo (bit/s). Có thể giải thích cụ thể như sau: Biểu diễn mô hình trạng thái QoS của mạng dưới dạng một đồ thị G(V,E) (trong đó: V là các nút, E là các liên kết). Lưu lượng vào qua nút Vi và ra khỏi mạng nút Vj. Mỗi liên kết (i, j) có 2 đặc tính: C(i, j) là dung lượng liên kết, f(i,j) là lưu lượng thực tế. Gọi R(i, j) = C(i, j) – f(i, j) là băng thông dư. Khi đó, nếu một kết nối yêu cầu băng thông là Dk thì một kết nối được gọi là khả dụng khi và chỉ khi R(i,j) ≥ Dk. Một kết nối mới có thể được chấp nhận nếu tồn tại ít nhất một đường dẫn khả dụng giữa 2 nút Vi và Vj. (ii) Độ trễ Trễ là khoảng thời gian một bản tin chiếm khi truyền từ điểm này đến điểm khác. Trễ tổng thể (còn gọi là trễ tích lũy) là thời gian trễ từ đầu cuối phát tới đầu cuối thu tín hiệu. Các thành phần trong tuyến kết nối gây ra trễ như thiết bị phát, truyền dẫn, thiết bị chuyển mạch và định tuyến. Trễ bao gồm một số thành phần như: 25  Trễ hàng đợi: là thời gian tiêu tốn trong hàng đợi để thực hiện quyết định định tuyến trong bộ định tuyến hay là thời gian một gói phải trải qua trong một hàng đợi khi nó phải đợi để được truyền đi trong một liên kết khác.  Trễ lan truyền: là thời gian cần thiết để môi trường vật lý truyền dữ liệu. Ví dụ trễ lan truyền trong các truyền dẫn quang thường nhỏ hơn môi trường vô tuyến.  Trễ chuyển tiếp: là thời gian cần thiết để thực hiện quyết định trong bộ định tuyến hay thời gian được yêu cầu để xử lý các gói đã đến trong một nút. Ví dụ, thời gian để kiểm tra tiêu đề gói và xác định nút tiếp theo để gửi đi.  Trễ truyền dẫn: là thời gian sử dụng để truyền tất cả các bit trong gói qua liên kết, trễ truyền dẫn được xác định trên thực tế của băng thông liên kết. Thành phần có thể được quản lý là trễ hàng đợi. Gói có ưu tiên cao hơn sẽ được đưa ra để truyền trước và kỹ thuật hàng đợi như RED được áp dụng. (iii) Biến thiên trễ (Jitter) Biến thiên trễ là sự khác biệt về trễ của các gói khác nhau cùng trong một luồng lưu lượng. Biến thiên trễ chủ yếu do sự sai khác về thời gian xếp hàng của các gói liên tiếp trong một luồng gây ra và là một trong những vấn đề quan trọng của QoS. Khi biến thiên nằm vào khoảng dung sai định nghĩa trước thì nó không ảnh hưởng tới chất lượng dịch vụ, ngược lại, nếu biến thiên trễ quá lớn sẽ làm cho kết nối mạng bị đứt quãng. Trong một số ứng dụng, như ứng dụng thời gian thực không thể chấp nhận rung pha, biến thiên trễ lớn có thể được xử lý bằng bộ đệm, song nó lại làm tăng trễ. (iv) Độ tin cậy Độ tin cậy xác định độ ổn định của hệ thống, đồng nghĩa với độ khả dụng của hệ thống. Độ khả dụng của mạng càng cao nghĩa là độ tin cậy của mạng và độ ổn định của hệ thống càng lớn. Độ khả dụng của mạng thường được tính trên cơ sở thời gian ngừng hoạt động và tổng số thời gian hoạt động. (v) Mất gói Mất gói tin là trường hợp khi gói tin không tới được đích của nó trước thời gian timeout của bộ thu. Trong mạng TCP/IP mất gói xảy ra do mạng bị nghẽn liên tục hoặc xảy ra trên chính các trường chuyển mạch gói, đây là nguyên nhân gây ra sự tràn bộ nhớ hoặc loại bỏ gói tin bởi các phương tiện quản lí lưu lượng. Từng gói bị mất không thường xuyên cũng khiến kết nối gặp khó khăn. Xác xuất mất gói là giá trị được nhân lên từ xác xuất mất gói được kỳ vọng ở mỗi một trong các nút trung gian giữa một cặp nguồn và đích. Xác xuất 26 mất gói là một đại lượng quan trọng của QoS với các ứng dụng dữ liệu hay các dịch vụ thời gian thực. 1.2 CÁC YÊU CẦU ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ Để nhận biết các yêu cầu về chất lượng dịch vụ, hệ thống thường nhận biết qua các lớp dịch vụ. Theo quan điểm của ITU-T, khuyến nghị I-1541 các lớp dịch vụ được chia thành các vùng như sau: Bảng 1.1. Các đặc tính phân lớp QoS cho mạng IP theo ITU-T Lớp QoS Các đặc tính QoS 0 Thời gian thực, nhạy cảm với jitter, tương tác cao 1 Thời gian thực, nhạy cảm với jitter, tương tác 2 Dữ liệu chuyển giao, tương tác cao 3 Dữ liệu chuyển giao, tương tác 4 Tổn hao thấp 5 Các ứng dụng nguyên thủy của mạng IP ngầm định Theo quan điểm này, các tham số thời gian thực và tương tác cao được đặt lên hàng đầu đối với mạng IP. Trong khi đó, mạng IP nguyên thủy không hỗ trợ QoS cho các dịch vụ thời gian thực. Trong dự án TIPHON, ETSI đề xuất phân lớp QoS như sau: Bảng 1.2. Phân lớp QoS theo quan điểm của ETSI Lớp QoS Thành phần Các đặc tính QoS Hội thoại thời gian thực (thoại, video, hội nghị). Thoại, audio, video, đa phương tiện Nhạy cảm với trễ và biến động trễ, có giới hạn lỗi và tổn thất, tốc độ bít thay đổi và cố định Luồng thời gian thực (quảng bá) Audio, video, đa phương tiện Trễ và biến động trễ có dung sai nhất định, dung sai nhỏ đối với lỗi và tổn thất, tốc độ bít thay đổi. Tương tác cận thời gian thực (web browsing) Dữ liệu Nhạy cảm với trễ, biến động trễ và tổn thất, tốc độ bít thay đổi. Phi thời gian thực (Email) Dữ liệu Không nhạy cảm với trễ và biến động trễ, nhạy cảm với lỗi, nỗ lực tối đa. Hướng tiếp cận của ETSI tập trung vào các dịch vụ thường sử dụng trên mạng IP để phân ra các loại dịch vụ yêu cầu thời gian thực và không yêu cầu thời gian thực. Đối với các yêu cầu thời gian thực, ETSI-TR102 phân biệt dịch vụ qua các độ nhạy cảm với các tham số QoS: Trễ, biến động trễ, tổn thất gói và đặc tính tốc độ bít. 27 Đối với mạng tích hợp đa dịch vụ băng rộng B-ISDN, ITU-T định nghĩa các vùng dịch vụ, theo hướng liên quan tới công nghệ lõi của B-ISDN là công nghệ ATM theo bảng dưới đây: Bảng 1.3. Các vùng dịch vụ của B-ISDN Vùng dịch vụ Các ứng dụng Hội thoại Thoại, video hội nghị, truyền thông đa phương tiện tốc độ cao (truyền file, âm thanh, hình ảnh). Bản tin Email, chat Khôi phục Truyền video, ảnh tĩnh, âm thanh và dữ liệu Phân bổ Phân bổ nội dung video, quảng bá TV Theo các phân vùng dịch vụ của B-ISDN, diễn đàn ATM đưa ra các phân lớp dịch vụ ATM với các đặc tính ứng dụng và đặc tính QoS như sau: Bảng 1.4. Phân vùng dịch vụ theo diễn đàn ATM Vùng dịch vụ ATM Ứng dụng Các đặc tính QoS Tốc độ bit cố định (CBR) Mô phỏng kênh Biến động trễ tế bào thấp, tổn thất thấp Tốc độ bit thay đổi – thời gian thực (rt – VBR) Video theo yêu cầu Biến động trễ bình thường, tổn thất thấp Tốc độ bit thay đổi – phi thời gian thực (nrt – VBR) Lưu lượng gói Tổn thất bình thường Tốc độ bit khả dụng (ABR) Tương thích tốc độ nguồn Tổn thất thấp Tốc độ bit không định nghĩa (UBR) Lưu lượng nỗ lực tối đa Không yêu cầu 1.3 CÁC VẤN ĐỀ ĐẢM BẢO QoS Một cơ cấu đảm bảo chất lượng dịch vụ chung nhất gồm 3 phần chính: Cung cấp QoS, điều khiển QoS và quản lý QoS:  Cung cấp QoS đưa ra hàng loạt các kỹ thuật nhằm thiết lập luồng và các giai đoạn thỏa thuận tài nguyên nhằm đảm bảo QoS từ đầu cuối tới đầu cuối.  Điều khiển QoS đưa ra hàng loạt các hành vi điều khiển như lập lịch, chia gói và điều khiển luồng.  Quản lý QoS nhằm giám sát, phân bổ lại tài nguyên và duy trì các điều kiện đảm bảo QoS. 28 Hình 1.8. Các thành phần trong cơ cấu đảm bảo chất lượng dịch vụ 1.3.1 Cung cấp QoS Cơ cấu cung cấp QoS bao gồm ánh xạ QoS, kiểm tra quản lý và dành trước tài nguyên:  Module ánh xạ QoS: thực hiện chức năng biên dịch giữa các thể hiện QoS sang các mức hệ thống khác nhau.  Module kiểm tra quản lý QoS: chịu trách nhiệm kiểm tra độ khả dụng của nguồn tài nguyên so với các yêu cầu và ra quyết định có cho phép các yêu cầu mới hoặc không.  Module báo hiệu và dành trước tài nguyên: sắp xếp các nguồn tài nguyên thích hợp với các đặc tính QoS của người sử dụng. Module quản lý QoS cần dịch vụ này để xác nhận các kiểm tra điều khiển quản lý thành công hoặc không. Module ánh xạ QoS cần phải quan tâm tới khả năng của các giao thức báo hiệu trước khi ghép các đặc tính QoS vào mức chất lượng mạng. 1.3.2 Điều khiển QoS Thành phần điều khiển QoS cung cấp điều khiển lưu lượng thời gian thực dựa trên các yêu cầu mức QoS từ giai đoạn cung cấp QoS bao gồm các module:  Module lập lịch luồng quản lý các luồng chuyển tiếp theo cùng một cách thức ở cả hệ thống cuối và mạng.  Module chia lưu lượng điều chỉnh các luồng lưu lượng dựa trên các mức yêu cầu QoS bao gồm các thuật toán để phân tích và định hướng các luồng tại biên mạng và lập lịch trong mạng để cung cấp hiệu năng cao nhất.  Module chính sách luồng sử dụng trong điều kiện lưu lượng người dùng chuyển qua vùng biên quản lý và cần loại bỏ giám sát.  Module đồng bộ luồng điều khiển các sự kiện tương tác đa phương tiện theo trình tự và thời gian chính xác. Cơ cấu QoS Cung cấp QoS Điều khiển QoS Quản lý QoS 1. Ánh xạ QoS 2. Kiểm tra quản lý 3. Dành trước tài nguyên 1. Lập lịch luồng 2. Chia lưu lượng 3. Chính sách luồng 4. Điều khiển luồng 5. Đồng bộ luồng 1. Giám sát QoS 2. Độ khả dụng QoS 3. Giảm cấp QoS 4. Duy trì QoS 5. Mở rộng QoS 29 1.3.3 Quản lý QoS Quản lý QoS để duy trì các mức QoS thỏa thuận theo các module:  Module kiểm tra QoS: theo dõi các mức QoS đầu ra sẽ được cung cấp hoặc sử dụng, nó chính là cơ sở của thực tế quản lý mạng tính toán tối ưu hiệu năng mạng.  Module khả dụng: cho phép ứng dụng chỉ rõ các tham số QoS giám sát và phản hồi để nhận ra hiệu năng cần thiết.  Module quản lý QoS: so sánh mức QoS kiểm tra với hiệu năng mong muốn và điều khiển tối ưu để đưa ra mức chất lượng dịch vụ. Ngoài ra, nó còn đảm trách các vấn đề liên quan tới xử lý và khôi phục lỗi trên liên kết và các nút.  Module phân mức QoS: gồm các phép đo để gia tăng sự phân mức cho kiến trúc QoS, các thành phần trong module như bộ lọc QoS, tập hợp và kiến trúc phân lớp QoS. 1.4 KẾT LUẬN Trong chương này của luận văn tôi giới thiệu về khái niệm QoS, các vấn đề cơ bản và chung nhất về QoS bao gồm: các thành phần thực hiện QoS cũng như các mức QoS end-to-end, các tham số để đánh giá chất lượng dịch vụ QoS như băng thông, độ trễ, biến thiên trễ… và các yêu cầu chung nhất để đảm bảo QoS. Khung làm việc chung của chất lượng dịch vụ được trình bày cùng với một số quan điểm nhìn nhận của các tổ chức viễn thông lớn trên thế giới. 30 Chương 2 ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ CHO MẠNG IP Khi công nghệ chuyển mạch gói IP là phương thức duy nhất cho mạng Internet toàn cầu như hiện nay, các giải pháp của ngành Công nghệ - Viễn thông đã và đang được phát triển, ứng dụng thử nghiệm trong thời gian gần đây hướng tới mục đích phát triển các giải pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ trên nền mạng IP. Mạng IP ở đây là các mạng dữ liệu sử dụng bộ giao thức TCP/IP, hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển mạch gói. Dữ liệu được truyền tải dưới dạng các gói IP ở tầng mạng (Network Layer). Mạng IP có tính chất chuyển mạch không kết nối, tức là không có sự chiếm giữ đường truyền cố định dẫn đến việc đảm bảo chất lượng đường truyền trở nên không đơn giản. Mạng Internet hiện nay cung cấp dịch vụ trên cơ sở phục vụ theo khả năng tối đa (Best-Effort), tức là mạng chủ sẽ thực hiện những khả năng tốt nhất của mình mà không có bất cứ một cam kết nào từ phía nhà khai thác về chất lượng dịch vụ. Đây chính là nguyên nhân chủ yếu thúc đẩy nghiên cứu mạnh mẽ về QoS IP trong những năm gần đây.[1] – [8] 2.1 GIAO THỨC LIÊN MẠNG (IP – INTERNET PROTOCOL) Việc mở rộng phạm vi ứng dụng của giao thức TCP/IP hình thành lên các loại mạng IP như: mạng Internet toàn cầu, mạng Intranet, mạng riêng ảo dùng giao thức IP (IP VPN)… TCP/IP là một bộ giao thức trong đó IP là giao thức chủ chốt cung cấp khả năng kết nối các mạng con thành liên mạng để truyền thông tin. Việc truyền thông tin trong mạng IP tồn tại dưới ba hình thức: Unicast, multicast và broadcast. Vai trò của IP tương tự như tầng mạng trong mô hình ISO: Hình 2.1. Chồng giao thức TCP/IP Nhiệm vụ chính của IP là phân phát gói theo kiểu không kết nối (connectionless) và phân mảnh hoặc tái tạo các gói (datagram) để phù hợp với kích thước đơn vị truyền dẫn tối đa MTU (Maximum Transmission Unit) của tầng liên kết Applications Transport Internetwork Network interface and Hardware SMTP, Telnet, FTP, Gopher TCP UDP IP ARP RARP ICMP Ethenet, Token-ring, FDDI, X.25, Wireless, Async, ATM, ,… 31 dữ liệu ở dưới. Giao thức IP có tính phổ biến rộng khắp do nó thích ứng với mọi loại giao thức ở hai tầng dưới. 2.1.1 Phần tiêu đề gói IP IP là giao thức cung cấp dịch vụ truyền thông theo kiểu “không kết nối”. Phương thức kết nối "không kết nối" cho phép thiết kế và thực hiện giao thức trao đổi dữ liệu đơn giản. Cũng chính vì vậy độ tin cậy trao đổi dữ liệu của loại giao thức này không cao. Các gói dữ liệu IP được định nghĩa là các datagram. Mỗi datagram có phần tiêu đề (header) chứa các thông tin cần thiết để chuyển dữ liệu. Thông tin tiêu đề cần thiết để hiểu IP Precedence và các thông số QoS. Tiêu đề gói IP như sau: Hình 2.2. Khuôn dạng phần tiêu đề gói IP Vers (4-bit): Chỉ phiên bản hiện hành của IP được sử dụng. Với IP thông thường là IPv4 trên mạng, thế hệ IP tiếp theo là IPv6. Length (4-bit): Chỉ độ dài của phần tiêu đề gói IP tính theo đơn vị 32bit. Precedence (3-bit): Chỉ thị quyền ưu tiên gửi gói IP, trường này có giá trị từ 0 (mức ưu tiên bình thường) tới 7 (mức kiểm soát mạng) quy định việc gửi datagram. Precedence D T R unused  D (delay) (1 bit) – Chỉ độ trễ yêu cầu: D = 1 khi yêu cầu trễ thấp, D = 0 khi độ trễ bình thường  T (throughput) (1 bit) – chỉ số thông lượng yêu cầu: T = 1 thông lượng cao, T = 0 thông lượng bình thường  R (reliability) (1 bit) – chỉ độ tin cậy yêu cầu: R = 1 độ tin cậy cao, R = 0 độ tin cậy bình thường. Type of Service (ToS ) (8-bit): Kiểu dịch vụ. Là chỉ số chất lượng dịch vụ yêu cầu cho IP datagram, tuy nhiên mạng IP phải có các cơ chế hỗ trợ thì yêu cầu mới được thực hiện. Trường này bao gồm những thông tin sau: Total Length (16-bit): xác định độ dài của gói IP gồm cả phần dữ liệu và phần tiêu đề. 32 Identification (16-bit): Nhận dạng các datagram được phân đoạn từ cùng một datagram lớn hơn. Nó kết hợp với địa chỉ IP nguồn để nhận dạng. Flags (3-bit): Liên quan đến sự phân mảnh của datagram. Trong đó có 2 bit cuối dùng cho việc phân mảnh các gói IP, chỉ ra gói đó có được phân mảnh hay không và gói đó có phải là gói cuối cùng hay không. Cụ thể như sau:  0: chưa sử dụng và luôn bằng 0  DF (Do not Fragment): bằng 0 có nghĩa là cho phép phân mảnh, bằng 1 là không cho phép phân mảnh.  MF (More Fragment): bằng 0 thì đây là đoạn phân mảnh cuối cùng (the last fragment). Bằng 1 đây là phân mảnh tiếp theo (more fragments). Fragment Offset (13-bit): Chỉ ra vị trí của đoạn trong goid IP để có thể tái tạo lại datagram gốc. Time to live (TTL – 8 bit): Quy định thời gian tồn tại (tính bằng giây) của gói trên mạng để tránh tình trạng gói không đến được đích và cứ đi vòng quanh trên mạng. Bắt đầu từ trạm gửi nó sẽ đặt giá trị = N (thường =16) cứ đi qua mỗi nút mạng giá trị của trường này sẽ giảm đi 1. Nếu giảm TTL = 0 mà nó vẫn chưa tới đích thì gói sẽ bị hủy tránh tình trạng đi quẩn trên mạng. Protocol (8 bit): Chỉ ra giao thức ở lớp bên trên (ví dụ TCP, EGP hoặc UDP). Checksum (16 bit): Kiểm tra lỗi theo mã dư vòng CRC, chỉ dùng cho phần tiêu đề gói. Trường này luôn được cập nhật khi một gói tin đi qua router trung gian. Source IP Address (32 bit): địa chỉ IP của trạm nguồn (trạm gửi). Destination IP Address (32 bit): địa chỉ IP của trạm đích (trạm nhận). IP Option (độ dài thay đổi): Khai báo các tùy chọn do nơi gửi yêu cầu. Trường option không bắt buộc phải có trong mọi datagram và chủ yếu dùng để kiểm tra lỗi trên mạng. Option là một phần quan trọng của giao thức IP nên mọi tiêu chuẩn thực hiện dựa trên IP phải bao gồm tiến trình xử lý trường này. Độ dài của trường option thay đổi tuỳ thuộc vào các tham số đi kèm. Khi các option xuất hiện trong datagram, nó sẽ kéo dài liên tục mà không có sự ngắt quãng. Padding: Vùng đệm, đảm bảo cho phần tiêu đề luôn kết thúc ở một mốc 32 bits. 2.1.2 Địa chỉ IP Địa chỉ IP chính là sơ đồ địa chỉ hóa để định danh các trạm (host) trong liên mạng. Mỗi địa chỉ IP có độ dài 32 bits (đối với IPv4) được tách thành bốn phần (mỗi phần 1 byte). Cách viết phổ biến nhất là biểu diễn dưới dạng thập phân có dấu chấm để tách giữa các phần. Mục đích của địa chỉ IP là để định danh duy nhất cho một host bất kỳ trên liên mạng. Do tổ chức và độ lớn của các mạng con của liên mạng có thể khác nhau, người ta chia các địa chỉ IP thành 5 lớp kí hiệu A, B, C, D, E với cấu trúc như sau: 33 Hình 2.3. Các lớp địa chỉ IP Khuôn dạng địa chỉ IP: mỗi host trên mạng TCP/IP được định danh duy nhất bởi một địa chỉ có khuôn dạng: - Network number: Phần định danh địa chỉ mạng - Host number: Phần định danh địa chỉ các trạm làm việc trên mạng đó 2.1.3 Các giao thức định tuyến Khi đã có địa chỉ IP của trạm nguồn và trạm đích thì gói IP còn phải tìm đường để tới đích. Ở từng chặng, các router làm nhiệm vụ chọn đường hay định tuyến cho các gói và router phải có thông tin về các tuyến, các chặng và tình trạng của mạng nói chung. Các giao thức định tuyến được dùng để cập nhật những thông tin đó cho router. Đã có rất nhiều giao thức định tuyến được phát triển cho mạng IP, có thể chia làm hai loại chính:  Định tuyến theo trạng thái liên kết (link-state routing)  Định tuyến theo vecto khoảng cách (distance-vector routing) Với các giao thức định tuyến, mạng có độ tin cậy cao có khả năng tự vượt qua các tắc nghẽn cục bộ và phản ứng nhanh với các tình huống xảy ra. Giao thức phân giải địa chỉ ARP(Address Resolution Protocol) được xây dựng để chuyển đổi địa chỉ IP sang địa chỉ vật lý (địa chỉ MAC) khi cần thiết (tức là thực hiện ánh xạ giữa địa chỉ IP và địa chỉ MAC của một trạm). Giao thức phân giải địa chỉ ngược RARP (Reverse Address Resolution Protocol) được dùng trong trường hợp ngược lại. Giao thức thông báo điều khiển mạng Internet ICMP (Internet Control Message Protocol) thực hiện truyền thông báo điều khiển (về tình trạng lỗi trên mạng…) giữa các gateway hoặc trạm của liên mạng. Một thông báo ICMP được tạo và chuyển cho trạm, trạm sẽ đọc thông báo đó với một IP header và chuyển đến cho router khác hoặc trạm đích. 34 2.1.4 Các cơ chế truyền tải Hai giao thức ở tầng giao vận là TCP và UDP hoạt động trên IP, tuy nhiên, chúng có những đặc điểm khác nhau. Nếu độ trễ được coi trọng hơn độ tin cậy thì sử dụng UDP, ngược lại, sự tin cậy quan trọng hơn thì dùng TCP. TCP (Transmission Control Protocol): là một giao thức “hướng kết nối” (connection-oriented), nghĩa là cần thiết lập kết nối (logic) giữa một cặp thực thể TCP trước khi chúng trao đổi dữ liệu với nhau. TCP cung cấp khả năng truyền dữ liệu một cách an toàn giữa các máy trạm trong hệ thống các mạng. Dữ liệu được truyền theo luồng liên tục, đảm bảo sắp xếp tuần tự các đoạn dữ liệu (segment). Nó cung cấp thêm các chức năng nhằm kiểm tra tính chính xác của dữ liệu khi đến và bao gồm cả việc gửi lại dữ liệu khi có lỗi xảy ra. Một tiến trình ứng dụng trong một host truy nhập vào các dịch vụ của TCP được cung cấp thông qua một cổng (port). Một cổng kết hợp với một địa chỉ IP tạo thành một socket duy nhất trên liên mạng để trao đổi thông tin. UDP (User Datagram Protocol): Ngược lại với TCP, UDP là giao thức kết nối “không kết nối”, có phần tiêu để nhỏ hơn và ít chức năng hơn nên UDP có xu hướng hoạt động nhanh hơn TCP. Ngoài ra, UDP có cơ chế gán và quản lý các số hiệu cổng để định danh các ứng dụng. 2.2 TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ CHO MẠNG IP (QoS IP) 2.2.1 Lịch sử phát triển các mô hình QoS IP Vào khoảng giữa thập kỷ 1990, các mạng IP hoạt động theo mô hình “nỗ lực tối đa” giống như mạng Internet hiện nay và đang phát triển thành các mô hình dịch vụ phân biệt phức tạp. Dưới đây là các bước phát triển của khái niệm QoS từ khoảng giữa thập kỷ 90 tới nay [19]: Hình 2.4. Các bước phát triển của mô hình QoS [12]. Mô hình IP nỗ lực tối đa Mô hình dịch vụ tích hợp Mô hình dịch vụ phân biệt Kỹ thuật lưu lượng và VPN QoS Điều khiển QoS thông minh, tự động QoS là công cụ bảo mật C ác m ô hì nh , p hi ên b ản 1994 1996 1998 2000 2002 2004 thời gian 35 Vào tháng 6 năm 1994, lần đầu tiên khi IETF phát hành RFC 1633 với nỗ lực tiêu chuẩn hóa chất lượng dịch vụ IP. RFC 1633 đưa ra mô hình dịch vụ tích hợp IntServ (Integrated Sevices) và tập trung vào giao thức dành trước tài nguyên RSVP (Resource Reservation Protocol) [19]. RSVP báo hiệu các yêu cầu về trễ và băng thông cho các phiên riêng biệt tới từng nút dọc theo tuyến đường mà gói đi qua. Trong môi trường không gian lớn như Internet, điều gây trở ngại lớn khi hoạt động là tại thời điểm khởi tạo RSVP yêu cầu các nút dự trữ tài nguyên, vì số lượng các bộ định tuyến, thiết bị chuyển mạch lớn và đa dạng. Đứng trước những thách thức này, một tập tiêu chuẩn về chất lượng dịch vụ IP của mô hình dịch vụ phân biệt được đưa ra. Mô hình DiffServ (Differentiated Services) định nghĩa các kỹ thuật dấu gói như thứ tự ưu tiên IPP (IP Precendence) và nút kế tiếp của nó, các điểm mã dịch vụ phân biệt DSCP (Differentiated Services Code Points) phù hợp với các hành vi bước kế tiếp PHB (Per-Hop Behaviors) cho các kiểu lưu lượng. Cả hai mô hình IntServ và DiffServ đều đưa ra các giải pháp hoàn thiện và các thành phần của hai mô hình có thể tổ hợp để cung cấp các ứng dụng tổng quát nhất cho miền rộng các lưu lượng và kiểu ứng dụng [17], [19]: Mô hình dịch vụ tích hợp Mô hình dịch vụ phân biệt IntServ sử dụng khái niệm dựa trên luồng cùng với giao thức báo hiệu (RSVF) dọc theo đường dẫn gói tin. Trong giai đoạn đầu khởi tạo, mô hình IntServ bị hạn chế bởi vấn đề mở rộng vì rất nhiều luồng lưu lượng cần phải quản lý trong mạng đặc biệt là mạng đường trục DiffServ sử dụng phương pháp đánh dấu gói để phân loại và ứng xử với từng gói theo các hành vi độc lập. Dù DiffServ có tính mềm dẻo lớn nhưng mô hình này không cung cấp đảm bảo băng thông cho các gói trong cùng một luồng lưu lượng. Hình 2.5. Dịch vụ IntServ và dịch vụ DiffServ [19]. Các dịch vụ tích hợp Theo trạng thái luồng Giao thức báo hiệu RSVF Các dịch vụ phân biệt Không trạng thái, Hành vi bước kế tiếp Khả năng mở rộng ít Khả năng mở rộng lớn 36 Các kỹ thuật QoS ngày càng được chú trọng nhiều hơn vào cuối những năm 1990 và trở thành vấn đề quan trọng khi tương thích với các công nghệ mạng tiên tiến là công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS (Multiprotocol Label Switching) và công nghệ mạng riêng ảo VPN (Virtual Private Network) [19]. Trong khoảng thời gian gần đây, các chiến lược phát triển mô hình chất lượng dịch vụ IP tập trung vào tính đơn giản và tự động, với mục tiêu cung cấp các kỹ thuật đảm bảo QoS thông minh trên mạng IP. Công nghệ QoS ngày càng đưa ra các mục tiêu quản lý chất lượng chi tiết và rộng hơn, có thể giải quyết các vấn đề chất lượng dịch vụ IP ở những cấu hình phức tạp. Các nhà quản trị mạng muốn xu hướng quản lý QoS càng đơn giản càng tốt và phát triển QoS theo hướng công cụ bảo mật hệ thống [8]. 2.2.2 Các tham số cơ bản ảnh hưởng tới QoS IP thực tế Tiến tới một chuẩn mực chung cho việc đảm bảo chất lượng dịch vụ, chúng ta cần phải xây dựng cách đánh giá khách quan dựa trên những tham số đặc trưng khách quan liên quan tới các dịch vụ trên nền mạng IP. Theo khuyến nghị của I.380 ITUT một số tham số đánh giá hiệu năng truyền gói IP như sau:  Trễ truyền gói IP (IP Packet Transfer Delay – IPTD): Thường gọi là trễ mạng hoặc trễ đầu cuối tới đầu cuối. Trễ cho một datagram hoặc phân đoạn cuối giữa hai điểm tham khảo. Liên quan đến trễ truyền gói IP, hai tham số quan trọng cần được quan tâm là trễ trung bình và biến thiên trễ.  Tỷ lệ lỗi gói IP (IP Packet Error Ratio – IPER): Là tham số tính theo tỷ lệ của các gói tin IP lỗi trên tổng số gói tin IP nhận được: err Nerr + Nsuc NIPER   (2.1) Trong đó: Nerr: Số lượng gói IP lỗi Nsuc: Số lượng gói IP truyền thành công  Tỷ lệ mất gói IP (IP Loss Ratio): Tham số tính theo tỷ số các gói bị mất trên tổng số các gói tin IP được truyền: NlossIPLR Ntran  (2.2) Trong đó: Nloss: Số lượng gói tin bị mất Ntran: Số lượng gói tin được truyền Các ứng dụng trên IP thường tính trên 3 khía cạnh ảnh hưởng tỷ lệ mất gói: Giá trị ngưỡng của tỷ lệ mất gói, dung sai và ảnh hưởng của tỷ lệ mất gói đối với hiệu năng ứng dụng. 37 Một số vấn đề liên quan tới chất lượng dịch vụ IP được nhìn nhận từ phía người sử dụng là ứng dụng chậm, các ứng dụng video có chất lượng thấp, thời gian chuyển giao và truyền tải lưu lượng lớn có thời gian dài. Nhìn từ góc độ mạng, những vấn đề nêu trên có thể định lượng qua các tham số QoS của mạng: Băng thông, mất gói, độ trễ gói và điều khiển quản lý. (i) Băng thông Sự thiếu hụt băng thông trong mạng Internet thường xuyên xảy ra do nhiều nguyên nhân: Bản thân nguồn tài nguyên mạng không đủ đáp ứng hay các luồng lưu lượng cùng tranh cấp một số tài nguyên. Băng thông của đường định tuyến bằng giá trị băng thông của liên kết trên đường định tuyến có băng thông nhỏ nhất. Băng thông khả dụng bằng băng thông của đường định tuyến chia cho số luồng lưu lượng. Hình 2.6 cho ta một ví dụ về cách tính băng thông đường định tuyến (BWmax) và băng thông khả dụng (BWavail). BWmax = min(10Mbps, 256Kbps, 512Kbps, 100Mbps) = 256Kbps BWavail = BWmax / Flows Hình 2.6. Băng thông khả dụng Một số giải pháp giải quyết vấn đề sử dụng băng thông:  Tăng dung lượng liên kết để phù hợp với các ứng dụng và người sử dụng với một số lượng băng thông dư. Hạn chế của giải pháp này là thời gian, tiền, giới hạn của công nghệ trong quá trình nâng cấp hệ thống.  Phân loại lưu lượng thành các lớp QoS và ưu tiên các luồng lưu lượng quan trọng.  Nén dữ liệu cần truyền. Việc nén dữ liệu có thể thực hiện bằng phần cứng hoặc phần mềm qua các thuật toán nén. Vấn đề khó khăn trong giải pháp này là quá trình nén và giải nén sẽ làm tăng thời gian trễ vì độ phức tạp của thuật toán nén.  Nén tiêu đề gói tin. Giải pháp này đặc biệt hiệu quả tại môi trường truyền thông mà các gói tin có tỷ số kích thước tiêu đề/tải tin lớn. TCP và RTP sử dụng phương pháp này. 38 (ii) Độ trễ gói Độ trễ gói, hay còn gọi là trễ từ đầu cuối tới đầu cuối, là thời gian từ khi bên gửi bắt đầu gửi gói tin đến khi bên nhận nhận được toàn bộ gói tin. Trễ gói là tổng của các trễ lan truyền (thời gian truyền gói qua liên kết) trên các liên kết và trễ xử lý-đợi (thời gian chuyển gói tin từ giao diện đầu vào tới giao diện đầu ra - thời gian gói tin nằm chờ tại hàng đợi) ở các bộ định tuyến trên đường định tuyến. Ở ví dụ Hình 2.7, đường định tuyến bao gồm bốn liên kết với ba bộ định tuyến, trễ gói là tổng các trễ lan truyền trên bốn liên kết (P1, P2, P3, P4) và trễ xử lý-đợi của ba bộ định tuyến (Q1, Q2, Q3). Delay = P1 + Q1 + P2 + Q2 + P3 + Q3 + P4 = X ms Hình 2.7. Trễ tích lũy từ đầu cuối tới đầu cuối Trễ lan truyền có giá trị cố định phụ thuộc vào phương tiện truyền trong khi trễ xử lý-đợi có giá trị thay đổi do các điều kiện thực tế của mạng. Trễ lan truyền chỉ phụ thuộc vào băng thông khả dụng của liên kết. Trễ xử lý phụ tuộc vào các yếu tố: Tốc độ xử lý, mức độ chiếm dụng CPU, phương thức chuyển mạch IP, kiến trúc bộ định tuyến và các đặc tính cấu hình giao diện đầu vào và đầu ra. Trễ hàng đợi phụ thuộc vào số lượng, kích thước các gói tin trong hàng đợi và băng thông khả dụng trên liên kết đầu ra của bộ định tuyến và còn phụ thuộc vào kỹ thuật quản lý hàng đợi. Hình 2.8. Trễ xử lý và hàng đợi Một số giải pháp cải thiện thời gian trễ như:  Tăng dung lượng liên kết để các gói không phải đợi trước khi truyền dẫn. Tăng băng thông sẽ làm giảm trễ nối tiếp nhưng lại làm tăng giá thành hệ thống khi nâng cấp.  Sử dụng các hàng đợi ưu tiên. Giải pháp này hiệu quả hơn. 39  Nén tải và nén tiêu đề gói tin là một giải pháp có ưu – nhược điểm trái ngược cùng tồn tại. Nén tải làm kích thước gói nhỏ đi, thời gian trễ thấp, nhưng các kỹ thuật nén sẽ làm gia tăng trễ. (iii) Mất gói Tham số này cho biết tỷ lệ phần trăm số gói IP bị mất trên tổng số toàn bộ gói IP đầu gửi đã chuyển vào mạng cho phía đầu nhận. Mất gói thường xảy ra khi các bộ định tuyến tràn không gian đệm. Gói có thể bị loại bỏ tại hàng đợi đầu vào vì bộ xử lý tắc nghẽn và hàng đợi đầu vào đầy, và bị loại bỏ tại đầu ra vì bộ đệm đầu ra đầy. Hình 2.9. Mất gói vì hiện tượng tràn bộ đệm đầu ra Tăng dung lượng liên kết giúp giảm mất gói. Ngoài ra, chúng ta có thể sử dụng một số giải pháp sau đây cho việc giảm mất gói:  Chống tắc nghẽn bằng phương pháp loại bỏ gói sớm trước khi có hiện tượng tắc nghẽn xảy ra.  Chia cắt lưu lượng và trễ lưu lượng thay vì loại bỏ gói (giải pháp này thường được sử dụng cùng các hàng đợi phân lớp và có thứ tự ưu tiên).  Đảm bảo băng thông và tăng không gian đệm để tương thích với các ứng dụng có độ bùng nổ lưu lượng cao. Các kỹ thuật hàng đợi thường sử dụng hiện nay là hàng đợi ưu tiên, hàng đợi theo yêu cầu, hàng đợi cân bằng trọng số và hàng đợi phân lớp.  Chính sách lưu lượng có thể giới hạn tốc độ của các gói tin ít quan trọng hơn nhằm cung cấp chất lượng dịch vụ tốt nhất cho gói tin có yêu cầu cao. Tóm lại, khi xem xét đến đảm bảo chất lượng cho một dịch vụ trên nền mạng IP, chúng ta cần định nghĩa cụ thể tập hợp những tham số QoS khách quan cùng với phương thức phù hợp cho sự ràng buộc tham số đó. Bên cạnh đó, mục tiêu đảm bảo chất lượng dịch vụ cũng cần làm rõ. 2.3 CÁC CHỨC NĂNG CHUNG CỦA QoS IP Để đảm bảo QoS, các bộ định tuyến IP cần có các chức năng được chỉ ra trong hình vẽ dưới đây sắp xếp theo hướng đi của luồng dữ liệu từ đầu vào tới đầu ra của bộ định tuyến. 40 Hình 2.10. Các chức năng đảm bảo QoS của bộ định tuyến IP Hai nhiệm vụ của bộ định tuyến là phân loại gói và xử lý gói theo loại đã được phân chia. Nhiệm vụ thứ nhất bao gồm các khối chức năng đánh dấu gói và phân loại gói. Nhiệm vụ thứ hai gồm các khối chức năng chính sách lưu lượng, quản lý hàng đợi tích cực, lập lịch gói và chia cắt lưu lượng. (i) Đánh dấu gói tin IP Chức năng đánh dấu gói đặt các bít nhị phân vào trường chức năng đặc biệt của tiêu đề gói tin IP nhằm phân biệt kiểu của gói tin IP với các gói tin IP khác. Các gói tin đã được đánh dấu khi đến một cổng đầu vào vẫn có thể được đánh dấu lại nếu các giá trị đã được đánh dấu vi phạm chính sách của bộ định tuyến đang thực hiện chuyển gói. Ví dụ, nếu một gói được chuyển qua nhiều vùng dịch vụ phân biệt, các gói tin sẽ được đánh dấu nhiều lần để phù hợp với các thỏa thuận mức dịch vụ SLA giữa các vùng. Trường hợp các gói tin chưa được đánh dấu sẽ được đánh dấu để nhận giá trị phù hợp với chính sách của bộ định tuyến. (ii) Phân loại gói tin IP Phân loại gói được sử dụng để nhóm các gói IP theo luật phân lớp dịch vụ. Các gói IP được lựa chọn trên các trường chức năng của tiêu đề IP sử dụng cho đánh dấu gói IP. Phân loại gói tin IP thường sử dụng hai phương pháp:  Phân loại đa trường MF (Multi-Field) Trong phương pháp này, các gói tin được phân loại dựa trên tổ hợp các giá trị của một hoặc nhiều trường chức năng trong tiêu đề IP. Bên cạnh đó, các tham số khác như nhận dạng giao diện cổng vào cũng có thể sử dụng cho mục đích phân loại. Hình 2.11. Phương pháp phân loại gói đa trường chức năng 41  Phân loại kết hợp hành vi BA (Behavior Aggregate) Phương pháp này thực hiện phân loại các gói dựa trên trường chức năng chứa giá trị điểm mã dịch vụ phân biệt DSCP. Hình 2.12. Phương pháp phân loại gói theo kết hợp hành vi (iii) Chính sách lưu lượng Chính sách lưu lượng được sử dụng nhằm kiểm tra các luồng lưu lượng gói tin IP đến trên các cổng đầu vào của bộ định tuyến có phù hợp với các tốc độ lưu lượng đã được thỏa thuận và xác định hay không. Chính sách lưu lượng kiểm tra tốc độ lưu lượng đầu vào theo tốc độ thông tin cam kết CIR (Committed Information Rate), tốc độ thông tin đỉnh PIR (Peak Information Rate) và một số tham số phụ như kích thước bùng nổ đỉnh PBS (Peak Burst Size), kích thước bùng nổ cam kết (Committed Burst Size), kích thước bùng nổ vượt ngưỡng EBS (Excess Burst Size). (iv) Quản lý hàng đợi tích cực Quản lý hàng đợi tích cực AQM (Active Queue Management) là một kỹ thuật điều khiển chống tắc nghẽn. Ý tưởng chính của kỹ thuật này là dự đoán trước khả năng tắc nghẽn và đưa ra một số hoạt động điều khiển để chống lại hoặc giảm thiểu khả năng tắc nghẽn. Ba kỹ thuật cơ bản thường áp dụng trong quản lý hàng đợi là loại bỏ gói sớm ngẫu nhiên RED (Random Early Discarding), loại bỏ gói sớm ngẫu nhiên theo trọng số WRED (Weighted Random Early Discarding) và thông báo tắc nghẽn rõ ràng ECN (Explicit congestion Notification). Hai kỹ thuật RED và WRED liên quan tới các hoạt động trong hàng đợi, không liên quan trực tiếp tới thiết bị đầu cuối. ECN đưa ra cách tiếp cận liên quan trực tiếp tới thiết bị đầu cuối. (v) Lập lịch cho gói tin Lập lịch cho gói tin IP thực hiện thiết lập thứ tự cho các gói ra khỏi hàng đợi, dựa trên đặc tính của cổng đầu ra, các gói tin sẽ được phân bố và chuyển tới đầu ra theo luật. Kỹ thuật lập lịch là mấu chốt trung tâm của chất lượng dịch vụ và là thước đo công nghệ giữa các nhà cung cấp khác nhau. Một số kiểu lập lịch thường sử dụng là vào trước ra trước FIFO (First in - First out), hàng đợi ưu tiên PQ (Priority Queuing), hàng đợi cân bằng FQ (Fair Queuing), hàng đợi quay vòng theo trọng số WRR (Weighted Round Robin), hàng đợi cân bằng Phân loại kết hợp hành vi BA Két hợp hành vi BA 42 theo trọng số WFQ (Weighted Fair Queuing) và hàng đợi cân bằng trọng số dựa theo lớp (Class–based WFQ). (vi) Chia cắt lưu lượng Chia cắt lưu lượng để thay đổi tốc độ luồng lưu lượng đến giúp điều hòa lưu lượng với đầu ra. Nếu lưu lượng đầu vào có độ bùng nổ cao, luồng lưu lượng cần phải đệm để đầu ra bớt bùng nổ và mềm hơn. Việc điều chỉnh tốc độ lưu lượng giống như một quá trình dừng và đi, thời gian trễ tại bộ đệm sẽ làm các gói tại đầu ra được điều chỉnh theo yêu cầu. Hai dạng chia cắt lưu lượng hay được dùng là chia cắt lưu lượng thuần và chia cắt lưu lượng gáo rò. 2.4 CÁC KỸ THUẬT ĐẢM BẢO QoS IP 2.4.1 Kỹ thuật đo lưu lượng và màu hóa lưu lượng Với giải pháp thực hiện hạn chế lưu lượng, bộ định tuyến sử dụng kỹ thuật đo lưu lượng nhằm xác định tốc độ lưu lượng đầu vào có phù hợp với tốc độ thực tế hay không. Các khối đo lưu lượng thường sử dụng mô hình toán gọi là gáo rò token để xác định và hạn chế tốc độ lưu lượng. Mô hình gáo rò token gồm hai thành phần: Token mang ý nghĩa về sự cho phép một số lượng bit được đưa vào mạng; gáo rò là nơi lưu trữ các token, độ sâu của gáo thể hiện các kích thước của gói. Đo lưu lượng và màu hoá lưu lượng gồm hai dạng sau: Đánh dấu 3 màu tốc độ đơn srTCM (single rate Three Color Marker) và đánh dấu 3 màu hai tốc độ trTCM (two rate Three Color Marker). (i) Đánh dấu 3 màu tốc độ đơn Kỹ thuật đánh dấu 3 màu tốc độ đơn (srTCM) được định nghĩa trong RFC 2696 [10], nó được sử dụng để đặt chính sách cho một luồng đơn tốc độ cùng CIR. srTCM đo tốc độ lưu lượng và dựa trên kết quả đo đánh dấu các gói theo 3 màu là xanh, vàng và đỏ thể hiện cấp độ tương thích lưu lượng theo thứ tự giảm dần. srTCM có hai chế độ điều hành: Chế độ mù màu giả thiết các gói tin đến chưa được đánh dấu màu và chế độ rõ màu giả thiết các gói tin IP đến đã được đánh dấu màu từ thực thể phía trước. Mục tiêu của srTCM là đảm bảo tốc độ lưu lượng trung bình dài hạn của người sử dụng trong tốc độ thông tin cam kết CIR. Mục tiêu của chính sách là xác định các luồng lưu lượng vi phạm các tốc độ thoả thuận trước và đánh dấu các gói tin để chuyển chúng đi nên khoảng thời gian dài hạn không tương thích với khoảng thời gian áp dụng chính sách. Do đó các gói sẽ chuyển đi ngay mà không lưu tại bộ định tuyến một thời gian dài để chờ CIR được xác định dựa trên thời gian dài hạn. Vì vậy, áp dụng chính sách phải dựa trên một khoảng thời gian ngắn, sử dụng hai tham số phụ là CBS và EBS thay cho CIR. 43 Hình 2.13. Khoảng thời gian CBS trong CIR của tốc độ lưu lượng đầu vào đơn Đánh dấu 3 màu tốc độ đơn srTCM gồm hai kiểu gáo token: gáo token C và gáo token E tại hình 2.14(a) như sau: Hình 2.14. Chế độ mù màu srTCM với gáo C và gáo E Độ sâu của gáo C là kích thước bùng nổ cam kết CBS, gáo C được khởi tạo đầy với số lượng token Tc=CBS. Độ sâu của gáo E là kích thước bùng nổ quá hạn EBS. Gáo E cũng được khởi tạo đầy với số lượng Te=EBS. Cả hai bộ đếm token Tc và Te được cập nhật tại tốc độ CIR, ví dụ tại các thời điểm 1/CIR giây. Hình 2.14(b) chỉ ra phương pháp hoạt động của chế độ mù màu srTCM. Một gói không đánh dấu có kích thước B byte đến tại thời điểm t:  Đầu tiên, bộ đếm so sánh kích thước B với token hiện thời của gáo C (Tc). Nếu gáo C đủ chỗ (B ≤ Tc) thì gói được đánh dấu màu xanh, Tc sẽ giảm đi một lượng B (Tc:=Tc-B).  Nếu không đủ chỗ trong C (B> Tc) bộ đếm kiểm tra gáo thứ 2 (gáo E), nếu gáo E còn đủ chỗ (B ≤ Te) gói sẽ được đánh dấu màu vàng và Te:=Te-B. Khi đó gáo C không sử dụng nên Tc không thay đổi trạng thái.  Cuối cùng, nếu gáo E cũng không đủ chỗ (B>Te), gói sẽ được đánh dấu màu đỏ và cả Tc và Te không thay đổi trạng thái. Thuật toán cập nhật của hai gáo như sau:  Tại khoảng thời gian cập nhật, nếu gáo C không đầy (Tc<CBS) thì Tc sẽ tăng lên 1 (Tc:=Tc+1). 44  Nếu gáo C đầy mà gáo E không đầy (Tc= CBS và Te<EBS) thì Tc không thay đổi và Te tăng lên 1 (Te:=Te+1).  Nếu cả hai gáo đầy thì không có gáo nào thay đổi trạng thái. Chế độ hoạt động rõ màu của srTCM, nó tương tự như trong chế độ mù màu: Hình 2.15. Chế độ hoạt động rõ màu srTCM Các gói màu xanh kích thước B bytes đến tại thời điểm t.  Vẫn giữ màu xanh nếu Tc ≥ B và Tc:=Tc-B.  Được đánh dấu màu vàng nếu Tc ≤ B ≤Te và Te:=Te-B.  Đánh dấu màu đỏ nếu Te<B và không có sự thay đổi của Te và Tc. Các gói màu vàng có thể giữ nguyên màu vàng hoặc chuyển sang màu đỏ và không thể chuyển sang màu xanh. Các gói màu đỏ luôn giữ màu đỏ và không bao giờ được chuyển lên cấp độ cao hơn (màu xanh hoặc màu vàng). (ii) Đánh dấu 3 màu hai tốc độ Bộ đánh dấu 3 màu hai tốc độ được định nghĩa bởi RFC 2698 [10]. trTCM được sử dụng cho cả tốc độ thông tin đỉnh PIR và tốc độ thông tin cam kết CIR. Giống như srTCM, trTCM có hai chế độ hoạt động: mù màu và rõ màu. Đánh dấu 3 màu hai tốc độ được cấu hình bởi các chế độ hoạt động và các tham số PIR, CIR, PBS và CBS. trTCM hoạt động với hai gáo rò: Gáo rò token C và gáo rò token P. Gáo rò C được sử dụng để điều khiển CIR và gáo dò P điều khiển PIR. Gáo rò C trong trTCM tương tự như trong srTCM, gáo rò P có độ sâu cân bằng với kích thước bùng nổ đỉnh PBS và được cập nhật tại tốc độ PIR. Minh họa tại thời điểm 1/PIR giây trong Hình 2.16a như sau: 45 Hình 2.16. Gáo rò C, P và chế độ hoạt động mù màu của trTCM Giả thiết các gói không màu có kích thước B đến tại thời điểm t. Gói tin kích thước B sẽ so sánh với token trong gáo rò P.  Nếu gáo P không đủ chỗ (B > Tp), gói tin sẽ được đánh dấu màu đỏ bất kể C có đủ hay không.  Nếu gáo P đủ chỗ (Tp ≥ B), gói kích thước B được so sánh với bộ đếm token trong gáo C, Tc.  Nếu (Tc ≥ B), gói được đánh dấu màu xanh và Tp := Tp - B và Tc := Tc-B.  Nếu (Tc < B) gói được đánh dấu màu vàng và Tp := Tp-B. Đối với chế độ hoạt động rõ màu của trTCM cũng giống như chế độ hoạt động của srTCM, các gói đến không thể cải thiện cấp độ tốt hơn (luôn luôn bằng hoặc nhỏ hơn cấp độ đưa tới). Giả thiết các gói đã được đánh dấu màu tới:  Nếu gói đã được đánh dấu màu đỏ, gói sẽ được đánh dấu lại màu đỏ và các gáo rò được bỏ qua.  Nếu gói đã được đánh dấu màu vàng, nó được đánh dấu màu đỏ khi B ≤ Tp và Tp:=Tp-B; được đánh dấu màu vàng nếu Tp>B.  Nếu gói đã được đánh dấu màu xanh, nó được chuyển sang màu: Đỏ, nếu Tp < B; Vàng, nếu Tc<B ≤ Tb và Tp:=Tp-B; Xanh, nếu Tc ≥ B, Tp ≥ B và Tc:=Tc-B, Tp:=Tb-B. Hình 2.17. Chế độ hoạt động rõ màu của trTCM 46 2.4.2 Kỹ thuật quản lý hàng đợi tích cực Có 3 kiểu cơ bản trong kỹ thuật quản lý hàng đợi tích cực là: RED, WRED và ECN. i) Kỹ thuật loại bỏ sớm ngẫu nhiên RED Hình 2.18 thể hiện sơ đồ nguyên lý hoạt động của kỹ thuật loại bỏ sớm ngẫu nhiên: phát hiện trên tập tắc nghẽn và loại bỏ gói ngẫu nhiên từ bộ đệm. Hình 2.18. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của RED Chức năng của module dự đoán tắc nghẽn là đánh giá hành vi lưu lượng trong bộ đệm theo thời gian và phát hiện khả năng tắc nghẽn. Tiếp cận đơn giản nhất là dựa vào chiều dài hàng đợi (N) và xác định trạng thái tắc nghẽn dựa trên cơ sở hàng đợi đầy (so sánh với kích thước bộ đệm (B)). Một phương pháp khác sử dụng để dự đoán tắc nghẽn dựa trên thuật toán tính toán thời gian trung bình của hàng đợi, đầu ra của module dự đoán tắc nghẽn là chiều dài hàng đợi trung bình trọng số (nN). Mặc dù nó phản ánh độ dài hàng đợi hiện thời, nhưng (nN) không phải là chiều dài hàng đợi thực tế mà là phép đo cho hiện tượng tắc nghẽn. Gọi α là phần trăm (%) điền đầy bộ đệm được tính theo công thức sau: Nn B  (2.3) Trong đó B là kích thước bộ đệm. Hồ sơ loại bỏ gói là một phương pháp tham chiếu giữa % bộ đệm đầy và xác suất loại bỏ gói, khi α đạt một giá trị nào đó thì RED được kích hoạt, khi α đạt giá trị lớn nhất (<100%) thì xác suất loại bỏ gói =1. Cơ chế loại bỏ gói chuyển sang theo phương pháp cắt đuôi lưu lượng. 47 ii) Kỹ thuật loại bỏ gói sớm theo trọng số WRED Kỹ thuật loại bỏ gói sớm theo trọng số WRED là kỹ thuật loại bỏ gói sớm RED với nhiều hồ sơ loại bỏ gói. Thay vì sử dụng một hồ sơ loại bỏ gói cho tất cả các hàng đợi, WRED sử dụng nhiều hồ sơ loại bỏ gói cho một hàng đợi. iii) Thông báo tắc nghẽn tường minh ECN Thông báo tắc nghẽn tường minh ECN được đề xuất từ 1999 trong RFC 2481 [10] như là một bổ sung trong kiến trúc IP, được ứng dụng cho các lưu lượng TCP. Trong ECN tắc nghẽn được thông tin tới các hệ thống cuối bằng cách đánh dấu trong trường chức năng đặc biệt của tiêu đề IP và TCP với các chỉ thị tắc nghẽn thay vì loại bỏ gói. Một thuật toán tương tự như trong kỹ thuật loại bỏ gói sớm được thực hiện để chỉ ra ngưỡng và thời điểm thông báo tắc nghẽn. Hình 2.19. Hoạt động thông báo tắc nghẽn tường minh ECN ECN yêu cầu đánh dấu trên cả hai tiêu đề IP và TCP, sử dụng 2 bit dự phòng trong tiêu đề TCP và 2 bit dự phòng trong tiêu đề IP. Hai bit dự phòng cuối cùng trong 8 bit của trường kiểu dịch vụ ToS trong tiêu đề IPv4 và 8 bit trường phân lớp lưu lượng trong IPv6 sử dụng để đánh dấu ECN. 2.4.3 Kỹ thuật lập lịch cho gói tin Kỹ thuật lập lịch cơ bản sử dụng trong bộ định tuyến gồm có: Hàng đợi FIFO; Hàng đợi ưu tiên PQ; hàng đợi cân bằng FQ; hàng đợi quay vòng trọng số WRR; hàng đợi cân bằng trọng số WFQ và hàng đợi dựa theo lớp cân bằng trọng số CBQ. i) Hàng đợi FIFO Hàng đợi vào trước - ra trước FIFO là kỹ thuật hàng đợi ngầm định, các gói tin đến được đưa vào trong một hàng đợi đơn và được gửi ra đầu ra theo đúng thứ tự. FIFO đối xử với tất cả các gói theo cùng một cách, không cần sử dụng thuật toán điều khiển, vì 48 vậy nó rất thích hợp với mạng nỗ lực tối đa (Best effort). Mặt khác FIFO không thể cung cấp các dịch vụ phân biệt và tất cả các luồng lưu lượng đều bị suy giảm chất lượng khi có tắc nghẽn xảy ra. ii) Hàng đợi ưu tiên PQ Trong hàng đợi ưu tiên PQ, N hàng đợi được tạo ra với các mức ưu tiên từ 1 tới N. Thứ tự lập lịch được xác định bởi thứ tự ưu tiên và không phụ thuộc vào vị trí của gói tin. Các gói trong hàng đợi thứ j được xử lý khi không còn gói nào trong hàng đợi có thứ tự cao hơn (các hàng đợi từ 1 tới (j-1)). Hình 2.20. Hàng đợi ưu tiên PQ Hàng đợi ưu tiên có ưu điểm là cung cấp phương tiện đơn giản nhất để phân biệt lớp lưu lượng. Nhược điểm của hàng đợi ưu tiên là luôn hướng tới xử lý mức ưu tiên cao, nên các hàng đợi có mức ưu tiên thấp có thể không có cơ hội để gửi gói đi. iii) Hàng đợi cân bằng FQ Trong hàng đợi cân bằng FQ các gói tin đến được phân loại thành N hàng đợi. Mỗi một hàng đợi nhận 1/N băng thông đầu ra. Bộ lập lịch kiểm tra các hàng đợi theo chu kỳ và bỏ qua các hàng đợi rỗng. Mỗi khi bộ lập lịch tới một hàng đợi, một gói tin được truyền ra khỏi hàng đợi. Nếu một hàng đợi mới được thêm vào N hàng đợi có trước đó, bộ lập lịch tự động đặt lại băng thông theo thực tế bằng 1/(N+1). Đơn giản chính là ưu điểm của hàng đợi cân bằng. Nhược điểm chính của hàng đợi cân bằng là:  Khi băng thông đầu ra được chia thành N hàng đợi 1/N, nếu các lớp lưu lượng đầu vào có yêu cầu băng thông khác nhau, thì FQ không thể phân bố lại được băng thông của đầu ra để đáp ứng yêu cầu đầu vào.  Khi kích thước gói không được quan tâm trong FQ, kích thước các gói sẽ ảnh hưởng đến phân bố băng thông thực tế, thậm chí bộ lập lịch vẫn hoạt động đúng trên cơ sở công bằng, các hàng đợi có gói kích thước lớn sẽ chiếm nhiều băng thông hơn các hàng đợi khác. 49 Hình 2.21. Hàng đợi cân bằng FQ iv) Hàng đợi quay vòng trọng số WRR Hàng đợi quay vòng theo trọng số WRR chia băng thông cổng đầu ra với các lớp lưu lượng đầu vào phù hợp với băng thông yêu cầu. Hình 2.22. Hàng đợi quay vòng theo trọng số WRR Các luồng lưu lượng đầu vào được nhóm thành m lớp tương ứng với trọng số được xác định bởi băng thông yêu cầu. Tổng các trọng số của các lớp bằng 100%. m i i = 1 W 100% (2.4) Trong đó, m là số lớp lưu lượng; Wi là % trọng số của lớp i. Các luồng lưu lượng riêng được lập lịch theo nguyên tắc hàng đợi cân bằng FQ đối với một lớp. Đặt số lượng các hàng đợi FQ trong lớp i là Ni, tổng số hàng đợi FQ trong lược đồ WRR được tính theo công thức 2.5 sau đây: 1 WRR m i i TotalFQ N    (2.5) 50 Hàng đợi quay vòng theo trọng số WRR gồm hai lớp lập lịch quay vòng:  Bộ lập lịch thứ nhất chỉ tới các lớp trong khoảng từ lớp 1 đến lớp m.  Khi bộ lập lịch dừng lại tại một lớp, bộ lập lịch quay vòng thứ 2 sẽ quay vòng trong các hàng đợi FQ. Băng thông cổng đầu ra tính theo % được gán vào lớp i, trọng số của lớp i (Wi) thể hiện lượng thời gian tiêu tốn của bộ lập lịch cho lớp i. Ví dụ, Wi=20% có nghĩa là bộ lập lịch sẽ tiêu tốn 20% chu kỳ thời gian quay vòng cho lớp i. Với các hàng đợi FQ trong lớp i, thời gian cho các hàng đợi là cân bằng, vì vậy lượng thời gian cho một hàng đợi trong Ni hàng đợi là (1/Ni). Trọng số cho mỗi một hàng đợi FQ được tính như sau: ij i iW = W * (1/N ) (2.6) trong đó Wij là trọng số của hàng đợi thứ j trong lớp i; Wi là trọng số lớp i. Từ (2.6), ta có thể viết lại Wi = Wij * Ni, hay: iN j = 1 W = W (2.7) Trọng số của lớp i sẽ được tính bằng tổng các yêu cầu lưu lượng trong lớp i. WRR sử dụng Wi thay cho 1/m như trong trường hợp FQ, tạo ra m lớp lưu lượng khác nhau tại các cổng đầu ra. Đây chính là cải thiện của WRR so với FQ nhằm tránh nhược điểm đầu của FQ. v) Hàng đợi cân bằng trọng số WFQ và hàng đợi cân bằng trọng số phân lớp CBWFQ Mặc dù WRR đã chỉ ra được cách khắc phục nhược điểm thứ nhất của hàng đợi cân bằng FQ nhưng WRR chưa giải quyết được ảnh hưởng của kích thước gói tin đối với băng thông chia sẻ. Tiếp cận hàng đợi cân bằng trọng số WFQ cũng nhằm cải thiện nhược điểm thứ hai của hàng đợi FQ. Giống như hàng đợi FQ, lưu lượng đầu vào được nhóm m hàng đợi. Tuy nhiên, băng thông cổng đầu ra được phân bổ tới m hàng đợi theo trọng số được xác định bởi các yêu cầu băng thông của lớp lưu lượng thay vì chia đều. Hàng đợi cân bằng trọng số phân lớp CB-WFQ tương tự như hàng đợi quay vòng theo trọng số WRR, sự khác biệt cơ bản của CB-WFQ so với WRR là cách sử dụng cơ chế cân bằng theo trọng số tại các lớp i thay vì sử dụng cơ chế hàng đợi cân bằng. Tiếp cận này theo hướng mềm hoá hơn nữa đối với các yêu cầu băng thông không đồng nhất. 2.4.4 Kỹ thuật cắt lưu lượng Các kỹ thuật chia cắt lưu lượng gồm: Chia cắt lưu lượng thuần, chia cắt lưu lượng kiểu gáo rò. i) Chia cắt lưu lượng thuần Theo nguyên lý chia cắt lưu lượng thuần, các gói tin đến được đưa vào bộ đệm (gáo rò) có độ sâu d, sau đó được gửi ra liên kết đầu ra tại tốc độ hằng số, tốc độ hằng số này được gọi là tốc độ rò r. Chia cắt lưu lượng thuần không cho phép bùng nổ băng thông trên các liên kết đầu ra. 51 Thông thường, tốc độ rò r luôn nhỏ hơn tốc độ liên kết C (r<C). Tuy nhiên, với chia cắt lưu lượng thuần, tốc độ rò r được đặt tại tốc độ lớn nhất của tốc độ đầu ra vì không cho phép bùng nổ lưu lượng. Nếu kích thước gói bùng nổ quá độ sâu của gáo rò d thì các gói sẽ bị loại bỏ. Hình 2.23: Chia cắt lưu lượng thuần ii) Chia cắt lưu lượng kiểu gáo rò Theo nguyên lý chia cắt lưu lượng gáo rò, gáo rò token được sử dụng trong tương tự như gáo rò C sử dụng trong srTCM và trTCM. Các token được đưa vào gáo rò với tốc độ bằng hằng số, được gọi là tốc độ token r. Tốc độ token tương tự với tốc độ thông tin cam kết CIR. Độ sâu của gáo rò d thể hiện kích thước bùng nổ cam kết CBS. Nếu gáo rò đầy, không một token nào có thể được đưa vào gáo. Hình 2.24: Chia cắt lưu lượng bùng nổ kiểu gáo rò Mỗi một token cho phép bộ đệm lưu lượng đầu vào gửi ra một byte dữ liệu. Khi không còn gói nào trong bộ đệm gửi ra, đáy của gáo rò đóng lại và không một token nào được lấy ra. Khi vẫn có các gói tin trong bộ đệm, các token được rút ra theo tốc độ liên kết đầu ra (C) và các gói được chuyển tới đầu ra. Nếu gáo rò xả hết các token, các gói trong bộ đệm phải đợi cho đến khi các token được đưa vào gáo rò. 52 Kết quả của hoạt động này là các gói được chuyển tới liên kết đầu ra tại tốc độ liên kết C. Kích thước bùng nổ được giới hạn bởi độ sâu của gáo d. Khi các token được đưa vào trong gáo rò tại tốc độ r, thì tốc độ trung bình dài hạn của các gói tại đầu ra sẽ là r. Vì vậy, kỹ thuật chia cắt lưu lượng gáo rò hoạt động giống hệt gáo rò C trong srTCM và trTCM, ngoại trừ gáo rò token được áp dụng tại đầu ra trong khi gáo rò C được áp dụng tại đầu vào. 2.5 KẾT LUẬN Trước hết, trong chương này, chúng tôi tóm lược lại giao thức liên mạng IP từ đó đưa ra được nguyên nhân thúc đẩy nghiên cứu QoS cho mạng IP. Sau đó, chúng tôi nghiên cứu nguyên lý hoạt động của QoS IP và tập trung vào các giải pháp kỹ thuật đảm bảo chất lượng dịch vụ IP như phân lớp dịch vụ, chính sách loại bỏ gói, lập lịch và chia cắt lưu lượng được trình bày dựa trên mô hình chức năng bộ định tuyến IP. Từ các đặc điểm cơ bản của chất lượng dịch vụ IP, các yêu cầu QoS IP đã được thể hiện qua mô hình bộ định tuyến dưới khía cạnh khối chức năng cơ bản. 53 Chương 3: MỘT SỐ MÔ HÌNH ĐẢM BẢO QoS IP 3.1 MÔ HÌNH DỊCH VỤ TÍCH HỢP - INTSERV Đứng trước nhu cầu ngày càng tăng trong việc cung cấp các dịch vụ thời gian thực (thoại, video) và băng thông cao (đa phương tiện), tổ chức IETF (Internet Engineering Task Force) những năm đầu thập kỷ 90 đưa ra mô hình IntServ như một giải pháp hữu hiệu đảm bảo QoS IP [23]. 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. Mô hình IntServ được triển khai và phát triển chủ yếu với những lý do cơ bản sau:  Mô hình nỗ lực tối đa (Best Effort) không còn đủ tốt, ngày càng có nhiều ứng dụng khác nhau có những yêu cầu khác nhau về đặc tính lưu lượng được triển khai. Mặt khác, người sử dụng ngày càng có nhiều yêu cầu cao hơn về chất lượng dịch vụ.  Các ứng dụng đa phương tiện 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 như thoại, số liệu, video.  Mô hình dịch vụ IntServ cho phép nhà cung cấp mạng cung cấp dịch vụ tốt nhất.  Tối ưu hóa hiệu suất sử dụng mạng và tài nguyên mạng, đảm bảo hiệu quả sử dụng và đầu tư. Tài nguyên mạng sẽ được dự trữ cho lưu lượng có độ ưu tiên cao hơn. 3.1.1 Giới thiệu chung Ý tưởng ban đầu của dịch vụ tích hợp là hỗ trợ việc dành trước tài nguyên cho các luồng lưu lượng, được thực hiện bởi việc thiết lập một tuyến dành trước tài nguyên trước khi gửi dữ liệu. Thực chất của mô hình IntServ là các bộ định tuyến và thiết bị mạng phải dành trước nguồn tài nguyên của nó để cung cấp các mức chất lượng dịch vụ cụ thể cho các gói mang lưu lượng người dùng. IntServ đã định nghĩa những yêu cầu cho các quá trình QoS để thỏa mãn hai mục đích:  Phục vụ các ứng dụng thời gian thực  Điều khiển việc chia sẻ băng thông giữa các cấp độ lưu lượng khác nhau 54 Hình 3.1. Mô hình dịch vụ tích hợp IntServ Một số thành phần tham gia trong mô hình này như sau: Giao thức thiết lập: Cho phép các máy chủ và các router dự trữ động tài nguyên trong mạng để xử lý các yêu cầu của các luồng lưu lượng riêng. RSVP – Q.2932 là một trong những giao thức đó. Đặc tính luồng: Xác định chất lượng dịch vụ QoS sẽ cung cấp cho luồng riêng biệt. Luồng bao gồm các gói từ nguồn đến đích có cùng yêu cầu về QoS. Điều khiển lưu lượng: Trong các thiết bị mạng 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. Thành phần điều khiển lưu lượng 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 (Classifier): Nhận dạng và lựa chọn lớp dịch vụ dựa trên nội dung của một số trường nhất định trong tiêu đề gói.  Thiết bị lập lịch (Scheduler): Cung cấp các mức chất lượng dịch vụ QoS trên kênh ra của thiết bị mạng. Mô hình dịch vụ tích hợp đề xuất hai lớp dịch vụ bổ sung cho các dịch vụ IP truyền thống là:  Dịch vụ bảo đảm (GS – Guaranteed Service) được định nghĩa trong RFC2212 [10], cho ứng dụng yêu cầu giới hạn trễ và băng thông. Dịch vụ GS có đặc tính băng tần dành riêng, trễ có giới hạn và không bị thất thoát gói tin. Các ứng dụng cung cấp thuộc loại này như hội nghị truyền hình chất lượng cao, thanh toán tài chính thời gian thực,…  Dịch vụ tải được điều khiển (CL – Control-Load service) được định nghĩa trong RFC2211 [10], cho ứng dụng yêu cầu độ mất gói thấp. Dịch vụ CL 55 không đảm bảo về băng tần hay trễ, phù hợp cho các ứng dụng không nhạy cảm lắm với độ trễ như truyền multicast audio/video chất lượng trung bình. Hai lớp dịch vụ GS và CL phải được cài đặt các đường định tuyến và dự trữ các tài nguyên. Cốt lõi của mô hình IntServ là sự áp dụng các biện pháp đảm bảo QoS cho từng luồng IP vi mô. Luồng IP vi mô là một chuỗi gói IP có chung 5 tham số giống nhau. Cụ thể, một luồng IP vi mô được xác định bởi năm tham số sau:  Địa chỉ IP đầu gửi  Địa chỉ IP đầu nhận  Số thứ tự của cổng gửi  Số thứ tự của cổng nhận  Giao thức chuyển vận được sử dụng (TCP hay UDP) cho luồng IP đang xét. Định tuyến IP thường sử dụng các số đo như trễ, bước nhảy hay một số loại thông số khác để tính toán đường đi ngắn nhất. Vấn đề định tuyến có thể trở nên phức tạp hơn bởi một số ứng dụng có yêu cầu nhiều tham số QoS (băng thông và các yêu cầu về mất gói tin). Tìm kiếm đường định tuyến phù hợp trong nhiều điều kiện ràng buộc rất phức tạp. Vì lý đó, mô hình đảm bảo QoS IP đầu tiên không yêu cầu gắn các cơ chế định tuyến đảm bảo QoS trong mô hình IntServ. Tài nguyên dành trước trong IntServ cần phải qua tất cả các nút trên đường định tuyến và thiết lập các yêu cầu dự phòng. Nó cũng phải truyền tải thông tin trong các phác thảo lưu lượng và các yêu cầu tài nguyên, do đó mỗi nút cần quyết định liệu có chấp nhận việc dành trước hay không, nhận dạng luồng như thế nào, lập lịch cho gói tin ra sao? Điều khiển chấp nhận xử lý 2 nhiệm vụ cơ bản: chấp nhận hay từ chối các yêu cầu dành trước và giám sát việc sử dụng tài nguyên. Có hai hướng tiếp cận để quyết định tài nguyên nào là sẵn sàng:  Dựa trên đo đạc: điều khiển chấp nhận đo lưu lượng thực sự trong mạng và sử dụng các phương pháp thống kê để quyết định xem liệu tài nguyên nào là khả dụng. Ưu điểm của hướng tiếp cận này là tối ưu hóa việc sử dụng mạng cho dù nó không thể đảm bảo chặt chẽ các cam kết tài nguyên.  Dựa theo tham số: điều khiển chấp nhận sẽ tính toán các tài nguyên khả dụng dựa trên các chỉ tiêu kỹ thuật của yêu cầu dành trước tài nguyên hiện tại. Nhận dạng luồng: RSVP sử dụng 5 trường trong tiêu đề gói IP để nhận dạng các gói tin thuộc về các luồng dành trước tài nguyên trong nút. Các trường này bao gồm địa chỉ IP nguồn, địa chỉ IP đích, cổng nguồn, cổng đích, giao thức chuyển vận. Lập lịch gói tin: Là bước cuối cùng trong việc dành trước tài nguyên. Bộ lập lịch gói tin thực hiện việc cấp phát tài nguyên. 56 Mạng IntServ điển hình chứa bộ định tuyến biên và định tuyến lõi. Trước khi bắt đầu truyền dữ liệu của một luồng IP vi mô, đầu gửi thông báo một số số liệu liên quan tới lưu lượng sẽ được chuyển cho bộ định tuyến biên (tốc độ gửi lưu lượng trung bình của đầu gửi, độ lớn cho phép của những cụm bùng phát lưu lượng). Bên cạnh đó, đầu gửi cũng gửi cho bộ định tuyến biên yêu cầu QoS của luồng IP. Những số liệu lưu lượng và QoS sẽ được bộ định tuyến biên sử dụng để tính ra dung lượng cần thiết cho luồng IP đang quan tâm. Sau đó giao thức báo hiệu dành trước tài nguyên RSVP - giao thức dành trước tài nguyên - sẽ làm nhiệm vụ xác định đường định tuyến (kết hợp với giao thức định tuyến cài đặt tại các bộ định tuyến) và chiếm giữ dung lượng dọc đường truyền cho luồng IP. Xây dựng đường định tuyến được thực hiện với gói tin PATH của giao thức RSVP. Sự chiếm giữ dung lượng, theo tính chất hoạt động của RSVP, được thực hiện với tin RESV, bắt đầu từ bộ định tuyến biên đầu nhận và chạy ngược trở lại dọc theo đường truyền cho tới bộ định tuyến biên đầu gửi. Nếu sự chiếm giữ dung lượng tại tất cả các bộ định tuyến dọc đường truyền đều thành công, các gói của luồng IP bắt đầu được truyền tải từ đầu gửi đến đầu nhận. Trường hợp bất kỳ một liên kết nào dọc đường truyền không có đủ dung lượng cần thiết, quá trình chiếm giữ sẽ bị ngừng và thông tin về sự chiếm giữ không thành công sẽ được chuyển đến đầu gửi bằng một tin riêng của RSVP. Luồng IP vi mô sẽ bị chặn không được phục vụ. Để thực hiện quá trình chiếm giữ dung lượng và kiểm tra trạng thái chiếm giữ liên qua tới từng luồng IP vi mô, mỗi bộ định tuyến trong cơ chế IntServ cần phải lưu trữ tất cả các dữ liệu về đặc tính cập nhật của tất cả các luồng gói vi mô đang tồn tại trong mạng. Đồng thời tất cả các bộ định tuyến phải có chức năng hoạt động được cùng với giao thức RSVP. Thực tế là một bộ định tuyến bình thường trong mạng IP ngày nay phải xử lý cùng một lúc số lượng rất lớn các luồng IP vi mô và con số này có thể lên tới vài trăm nghìn, thậm chí hàng triệu. Do đó, mặc dù với ưu điểm của mô hình IntServ là đảm bảo chặt chẽ các yêu cầu QoS của từng luồng IP vi mô thì mô hình này cũng tồn tại nhược điểm lớn căn bản là không có tính mở rộng cao. Việc lưu trữ, truyền tải và xử lý thông tin cho từng luồng IP vi mô tạo ra một lưu lượng báo hiệu khổng lồ, làm giảm đáng kể hiệu suất hoạt động của bộ định tuyến. Nhược điểm này lý giải vì sao mô hình IntServ chỉ có tính khả thi trong các mạng có tầm bao phủ nhỏ. Hiện nay, mạng IP trải rộng khắp toàn cầu như mạng Internet, trông đợi sự đầu tư và đưa vào hoạt động phổ biến của cấu trúc IntServ là không thực tế. 57 3.1.2 Giao thức dành trước tài nguyên RSVP Giao thức dành trước tài nguyên RSVP là một giao thức thiết lập tài nguyên dự phòng QoS IP, RSVP hỗ trợ cả IPv4 và IPv6 cũng như ứng dụng cả hai phương thức chuyển phát tin đơn phát và đa phát (Unicast, multicast). RSVP không phải là giao thức định tuyến mà là giao thức báo hiệu, các bản tin RSVP được chuyển đi trên cùng đường định tuyến với các gói tin sẽ được chuyển và được xác định bởi bảng định tuyến trong bộ định tuyến IP. RSVP được phát triển để chống lại tắc nghẽn mạng bằng cách cho phép các bộ định tuyến quyết định ở mức cao. Tại mức này, các bộ định tuyến có thể đáp ứng các yêu cầu của một luồng ứng dụng và dự trữ tài nguyên mong muốn (ngay cả khi mặt bằng chuyển tiếp gói không xử lý được). Giao thức RSVP dựa trên xử lý đặc biệt, mang bản tin báo hiệu tới các nút dọc tuyến đường qua mạng theo luồng thực tế, quản lý trạng thái mềm, trao đổi bản tin, dự phòng tài nguyên và tách báo hiệu QoS khỏi chức năng định tuyến. Một số đặc tính cơ bản của RSVP là:  RSVP là giao thức báo hiệu để dành trước tài nguyên trong đường định tuyến từ nguồn tới đích.  RSVP báo hiệu tới tất cả các thiết bị mạng về yêu cầu QoS của ứng dụng.  RSVP yêu cầu các ứng dụng khởi tạo yêu cầu.  RSVP hoạt động liên điều hành với các kỹ thuật QoS khác để cải thiện độ đảm bảo cho các tài nguyên dành trước. Giao thức dành trước tài nguyên RSVP thường được sử dụng cho các ứng dụng yêu cầu đảm bảo các tham số băng thông và độ trễ. Một đặc điểm quan trọng của RSVP là việc giành tài nguyên được thực hiện bởi “trạng thái mềm”, có nghĩa là trạng thái dành tài nguyên có liên quan tới một bộ định thời (timer), và khi bộ định thời hết hạn, việc dành trước tài nguyên được loại bỏ. Nếu nơi nhận muốn lưu lại trạng thái dành tài nguyên nào, nó phải đều đặn gửi các thông điệp dành tài nguyên. Nơi gửi cũng phải thường xuyên gửi thông điệp này. Các ứng dụng mạng hiện nay sử dụng RSVP như là giao thức báo hiệu gồm các ứng dụng cho VoIP (Voice over IP) và kỹ thuật lưu lượng MPLS (Multi Protocol Label Switching). 3.1.2.1 Hoạt động của RSVP Một phiên làm việc của giao thức RSVP thường sử dụng 3 tham số sau:  Địa chỉ đích  Cổng đích  Giao thức