Nghiên cứu kỹ thuật quản lý băng thông trên mạng IP

Hình 4.5: Độ biến thiên trễ của các lớp lưu lượng 4.5.3 Tỷ lệ mất gói Theo như hình 4.5 ta thấy các giải thuật điều khiển lưu lượng vào thích nghi huỷ bỏ gói tin ít hơn thậm chí là bằng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

NGUYỄN VĂN TIẾN

NGHIÊN CỨU CÁC KỸ THUẬT QUẢN LÝ

BĂNG THÔNG TRÊN MẠNG IP

NGÀNH : TRUYỀN DỮ LIỆU VÀ MẠNG MÁY TÍNH

MÃ SỐ : 60.48.15 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS LÊ VĂN PHÙNG

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2010

Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Giới thiệu về bộ giao thức

1.1.1 Giới thiệu chung

Bộ giao thức TCP/IP, gọi tắt là TCP/IP, là một bộ các giao thức truyền thông cài đặt chồng giao thức mà Internet và hầu hết các mạng máy tính thương mại đang chạy trên

đó Bộ giao thức này được đặt tên theo hai giao thức chính của nó là TCP (Giao thức Điều

khiển Giao vận) và IP (Giao thức Liên mạng) Chúng cũng là hai giao thức đầu tiên được

định nghĩa

1.1.2 Cấu trúc phân lớp của bộ giao thức TCP/IP

Bộ giao thức TCP/IP được chia thành 4 lớp, hình 1.1 trình bày cấu trúc phân lớp của bộ giao thức TCP/IP so sánh với mô hình 7 lớp OSI, mỗi lớp có chức năng và nhiệm vụ khác nhau

Hình 1.1: Mô hình phân lớp TCP/IP

1.1.3 Các đặc thù của mạng IP

Mạng IP hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển mạch gói Dữ liệu được truyền tải dưới dạng các gói IP ở lớp mạng (network layer) Mỗi gói là một chuỗi bit bao gồm các bit của dữ liệu cần chuyển và các bit do giao thức mạng gắn thêm 24 byte đầu tiên (tức là 192 bit đầu tiên) của gói IP mang thông tin của các giao thức, ví dụ như địa chỉ IP của máy gửi

và máy nhận, chủng loại giao thức lớp truyền tải đang dùng Phần này thường được nhắc

đến dưới tên gọi phần mào đầu, cấu trúc phần mào đầu được trình bày trong hình 1.2 Cần

nhấn mạnh rằng mọi xử lý liên quan đến gói IP, như xác định đường truyền, phân loại gói,

đều dựa hoàn toàn vào những thông tin nằm trong phần mào đầu

Hình 1.2: Cấu trúc phần mào đầu gói IP

1.2 Phân lớp lưu lượng

1.2.1 Phân lớp lưu lượng ở mức lớp mạng

Việc phân lớp lưu lượng được thực hiện tại cả lớp 2 (lớp liên kết dữ liệu) và lớp 3

(lớp mạng) trong mô hình OSI

Để sắp xếp các luồng dữ liệu IP thành các lớp khác nhau nhằm phục vụ cho các

chính sách QoS khác nhau, chúng ta sử dụng 3 bit đầu tiên trong trường loại dịch vụ

(Service Type - ToS) trong phần mào đầu của gói dữ liệu IP 3 bit này được gọi là trường IP

Precedence và có giá trị mặc định là 0 Trường IP Precedence bằng 0 có nghĩa là gói tin này

sẽ được truyền theo kiểu không có am kết QoS (Best Effort) 7 bit còn lại của trường IP

Precedence dùng để phân chia lưu lượng IP thành 7 lớp dịch vụ có thứ tư ưu tiên tăng dần,

cấu trúc trường IP Precedence được trình bày trong hình 1.3

Hình 1.3: Phân lớp lưu lượng theo IP Precedence

1.2.2 Phân lớp lưu lượng ở mức lớp liên kết dữ liệu

Trong phần mào đầu của khung dữ liệu ở lớp liên kết dữ liệu không có trường nào

phục vụ cho việc phân lớp lưu lượng Tuy nhiên ta có thể phân lưu lượng dựa vào việc chèn

thêm các thẻ định danh VLAN gọi là tag theo giao thức 802.1Q/p Mỗi tag gồm 4 byte trong

đó trường CoS gồm 3 bit (cấu trúc chi tiết của tag được trình bày trong hình 1.4) được dùng

23

trước, tỷ lệ huỷ gói tin thấp ngay cả đối với các lớp cao hơn và đã được kiểm soát độ trễ và biến thiên độ trễ gói

Hình 4.6: Tỷ lệ mất gói

Kết quả này cho thấy giải thuật thích nghi đã hoạt động tốt với việc thay đổi các điều kiện lưu lượng mà vẫn có thể đạt được thông lượng cao hơn

Hình 4.5: Độ biến thiên trễ của các lớp lưu lượng

4.5.3 Tỷ lệ mất gói

Theo như hình 4.5 ta thấy các giải thuật điều khiển lưu lượng vào thích nghi huỷ

bỏ gói tin ít hơn (thậm chí là bằng 0) so với giải thuật CAR Như ta thấy trong các phần

3

để phân lớp lưu lượng Như vậy tại mức liên kết dữ liệu chúng ta cũng có thể phân chia lưu lượng thành 8 lớp với các mức ưu tiên tăng dần tương tư như khi sử dụng IP Precedence tại lớp mạng của gói tin IP

Hình 1.4: Cấu trúc tag trong khung dữ liệu 802.1Q/p

1.2.3 Quản lý nghẽn lưu lượng

Các kỹ thuật quản lý nghẽn lưu lượng cho phép chúng ta quản lý nghẽn bằng cách xác định thứ tự gửi gói tin tại cổng giao tiếp đầu ra dựa trên độ ưu tiên của gói tin Công việc quản lý nghẽn bao gồm việc thiết lập các hàng đợi, gán các lớp lưu lượng vào các hàng đợi

đó và phân phối các gói tin trong hàng đợi tại cổng giao tiếp đầu ra

Kỹ thuật xử lý nghẽn được sử dụng phổ biến là RED RED sẽ huỷ các gói tin một cách ngẫu nhiên để phòng tránh nghẽn xãy ra Giải thuật RED sẽ tính kích thước hàng đợi trung bình (Q) sử dụng hàm trung bình di chuyển trọng số mũ (EWMA) Sau đó so sánh Q với các ngưỡng hàng đợi định nghĩa trước là Tl và Th Nếu Q lớn hơn Tl và nhỏ hơn Th, nó đánh dấu gói tin trong hàng đợi

1.3 Các giải pháp QoS

1.3.1 Cấu trúc tích hợp dịch vụ IntServ

Một mạng IntServ điển hình chứa các bộ định tuyến biên và các bộ định tuyến lõi (xem hình vẽ 1.5) Trước khi bắt đầu truyền dữ liệu của một luồng IP vi mô, đầu gửi thông báo một số số liệu liên quan đến lưu lượng sẽ được chuyển (như tốc độ gửi lưu lượng trung bình của đầu gửi, độ lớn cho phép của những cụm bùng phát lưu lượng) cho bộ định tuyến biên

Hình 1.5: Cấu trúc QoS tích hợp dịch vụ Giao thức báo hiệu RSVP sẽ đưa ra quyết định luồng IP từ nút H1 đến nút H2 có

thể được mạng IntServ phục vụ hay không Trước hết, RSVP xác định và xây dựng đường

truyền cho luồng IP bằng tin PATH Đường truyền này đi qua các bộ định tuyến R1, R2, R3

Tiếp đó dung lượng sẽ được chiếm giữ cho đường truyền theo chiều từ nút nhận ngược trở

lại nút gửi Sự chiếm giữ được thực hiện bằng tin RESV của giao thức RSVP

1.3.2 Cấu trúc DiffServ

Nguyên lý hoạt động của cấu trúc DiffServ bao gồm những điểm cơ bản sau Khi

bắt đầu đi vào mạng DiffServ mà trực tiếp là tại bộ định tuyến biên, gói IP sẽ được phân

loại Bộ định tuyến biên thực hiện việc phân loại bằng cách kiểm tra mã DSCP (hoặc IP

Precedence) chứa chủng loại dịch vụ nằm trong phần đầu gói cùng với một số dữ liệu khác

liên quan đến luồng vi mô của gói IP (như địa chỉ đầu gửi, địa chỉ đầu nhận)

Có hai phương pháp chính có thể tuân theo khi triển khai thuật toán điều khiển lưu

lượng vào trên nền mạng DiffServ Phương pháp thứ nhất là điều chỉnh dùng cấu trúc Broker

dung lượng Phương pháp thứ hai là điều chỉnh dựa vào các kết quả đo đạc, giám sát trạng

thái của mạng Ở phương pháp thứ nhất, một thiết bị đặc biệt được gọi là Broker dung lượng

được lắp đặt (xem hình 1.6)

21

4.5.2 Độ biến thiên trễ

Qua hình 4.4 chúng ta thấy biến thiên độ trễ của các lớp thấp hơn là cao hơn, biến thiên độ trễ của lưu lượng video class 3 là thấp nhất

Hình 4.4: Độ trễ gói của các lớp lưu lượng

5

Hình 1.6: Cấu trúc QoS DiffServ

Chương 2 QUẢN LÝ BĂNG THÔNG TĨNH

2.1 Giới thiệu

Điều khiển lưu lượng vào sẽ điều tiết gói dữ liệu đến giao diện mạng đầu vào

Phân phối lưu lượng ra định nghĩa quy tắc dịch vụ hàng đợi cho các giao diện mạng đầu ra

bao gồm thứ tự các gói tin được thực sự chuyển đi Mô hình quản lý băng thông gồm như

vậy được gọi là mô hình quản lý băng thông tĩnh (xem hình 2.1)

Hình 2.1: Mô hình quản lý băng thông tĩnh

2.2 Điều khiển lưu lượng vào

2.2.1 Giải thuật thùng đựng thẻ

Thùng đựng thẻ là một cơ chế điều khiển lưu lượng vào dựa trên sự xuất hiện của

các thẻ trong thùng, xem hình 2.3

Giải thuật thùng thẻ được trình bày như sau, xem hình 2.4:

Mỗi thẻ được đưa vào thùng với tốc độ 1/r giây

Thùng chỉ có thể chứa tối đa b thẻ Một thẻ sẽ bị huỷ bỏ nếu khi thẻ đến gặp lúc

thùng đầy

Khi một gói tin n byte truyền đến, n thẻ sẽ được loại khỏi thùng, sau đó gói tin sẽ

được truyền qua

Nếu số thẻ còn trong thùng nhỏ hơn n, gói tin sẽ không được truyền và được gọi là

không đúng điều kiện (non-conformant), thẻ cũng sẽ không bị loại khỏi thùng

Hình 2.3: Kỹ thuật thùng đựng thẻ Giải thuật cho phép tốc độ đỉnh tối đa b byte, nhưng tốc độ truyền gói tin của hệ

thống bị giới hạn ở tốc độ r Các gói tin không đúng điều kiện có thể được xử lý theo các

cách sau:

19

Hình 4.3: Chồng giao thức Router trong Opnet Modeler

Các giao diện của bộ định tuyến được điều khiển bởi tiến trình ip_output_iface,

việc điều khiển lưu lượng vào được thực hiện bởi tiến trình này Thư viện ip_qos_support

cài đặt các giải thuật điều khiển lưu lượng vào, còn thư viện oms_qm cài đặt các giải thuật

phân phối lưu lượng PQ, WFQ và CBQ

Khi một gói tin đến giao diện bộ định tuyến, nó được phân loại theo cấu hình trong

đối tượng QoS Hàm IpQosCarPolicyLimit() quyết định việc chấp nhận hoặc loại bỏ một gói

tin

4.5 Đánh giá kết quả

Sau khi thực hiện mô phỏng, chúng ta phân tích các tiêu chí chất lượng dịch vụ (độ

trễ gói, độ biến thiên trễ, tỷ lệ mất gói) của hệ thống căn cứ vào hệ thống các báo cáo phân

tích kết quả mô phỏng

4.5.1 Độ trễ gói

Qua hình 4.3 chúng ta thấy độ trễ gói giữa các lớp lưu lượng khác nhau là khác

nhau, độ trễ gói của lưu lượng nhạy cảm với độ trễ là lưu lượng video (class 3) có độ trễ thấp

nhất

7

- Có thể bị huỷ

- Có thể được xếp hàng và chờ cho đến khi đủ thẻ trong thùng

- Có thể được truyền qua, nhưng được đánh dấu là không đúng điều kiện, và có thể

bị huỷ nếu hệ thống mạng trong tình trạng quá tải

Hình 2.4: Giải thuật thùng đựng thẻ

2.2.2 Điều khiển lưu lượng vào

Điều khiển lưu lượng vào là đảm bảo tài nguyên mạng không được quá tải Nói

cách khác, nó phải đảm bảo rằng tổng tỷ lệ đăng ký sử dụng tài nguyên của mọi luồng lưu lưọng truyền qua mọi kết nối mạng là không lớn hơn dung lượng của kết nối Phương trình toán học biểu diễn như sau:







n i

Ri

1



Trong đó µ, là dung lượng kết nối tính theo bit/giây (bits/second) và Ri là tỷ lệ lưu lượng của luồng thứ i

2.2.3 Các thành phần điều khiển lưu lượng vào

Các giải thuật điều khiển lưu lượng vào có 4 thành phần then chốt sau đây:

Profile lưu lượng

Đo lường lưu lượng Điều kiện chấp nhận Quyết định chấp nhận

2.2.4 Phân lớp các giải thuật điều khiển lưu lượng vào

Hình 2.5: Phân lớp giải thuật điều khiển lưu lượng

Điều khiển theo cuộc gọi

Điều khiển lưu lượng vào theo chính sách

Điều khiển luồng lưu lượng vào

Một cách tiếp cận khác đối với điều khiển lưu lượng vào trong mạng IP là cài đặt

trên cổng vào/ra của bộ định tuyến Một trong những cài đặt thương mại phổ biến nhất của

giải thuật điều khiển lưu lượng vào theo bộ định tuyến là kỹ thuật tốc độ truy nhập cam kết

(CAR) Việc cài đặt của CAR bao gồm điều khiển lưu lượng theo luồng và phân lớp các

luồng dựa trên TOS, địa chỉ IP nguồn, đích, giao thức, chỉ số cổng Giải thuật CAR được

trình bày như sau (xem hình 2.6):

Hình 2.6: Giải thuật CAR

Phân lớp lưu lượng: Dựa vào các điều kiện như IP precedence, DSCP hay CoS,

lưu lượng được chia thành các lớp khác nhau để xử lý

Đo lường lưu lượng: CAR sử dụng giải thuật thùng thẻ trình bày ở trên để thực

hiện việc tính toán tốc độ luồng dữ liệu

Thực thi chính sách: Một chính sách là tổ hợp của nhiều yếu tố khác nhau

2.3 Phân phối lưu lượng ra

Cơ sở của việc phân phối lưu lượng ra là cấu trúc hàng đợi Bộ phân phối lưu

lượng quyết định trật tự ra khỏi hàng của các phần tử trong hàng đợi, vì vậy chúng liên quan

đến việc cấp phát tài nguyên trong các bộ chuyển mạch và định tuyến, mô hình tổng quát của

bộ phân phối lưu lượng ra như trong hình 2.7

Hình 2.7: Mô hình phân phối lưu lượng ra

2.3.1 Các thành phần của các giải thuật phân phối lưu lượng ra

Các giải thuật xử lý hàng đợi nhằm đưa ra 3 thông số liên quan đến việc truyền gói

tin sau đây:

Băng thông – dành để truyền gói tin

17

4.4.2 Cài đặt hệ thống mô phỏng

Hệ thống mà đề tài nghiên cứu ở trên được cài đặt trong Opnet Modeler (version 10.0) như hình vẽ 4.2

Hình 4.2: Cài đặt hệ thống mô phỏng trên Opnet Modeler

Các thư viện định nghĩa ứng dụng gồm thư viện Application Definition (viết tắt

là App Def) và Profile Definition Definition (viết tắt là Profile Def)

Thư viện định nghĩa các kỹ thuật QoS là IP QoS Definition (viết tắt là IP QoS)

Đây là nơi ta có thể định nghĩa các kỹ thuật QoS như CAR, WFQ… đáp ứng các yêu cầu cho các nội dung mô phỏng

Các thiết bị mạng gồm các máy tính trạm, máy tính chủ để triển khai các dịch vụ

mạng và đặc biệt là hai bộ định tuyến Router_1 và Router_2 kết nối hai phần mạng LAN của

hệ thống lại với nhau

4.4.3 Cài đặt các giải thuật quản lý băng thông động

Trong Opnet Modeler, mỗi bộ định tuyến được thiết kế gồm nhiều node theo kiểu chồng giao thức Hình 4.3 trình bày mô hình phân cấp các tiến trình của bộ định tuyến Router_1, tại bộ định tuyến này chúng ta cần cài đặt các giải thuật điều khiển lưu lượng nhằm đáp ứng các yêu cầu QoS

- OPNET Modeler sử dụng phương pháp mô hình hoá hướng đối tượng và các bộ

soạn thảo đồ hoạ để mô phỏng cấu trúc các hệ thống mạng thực tế và các thành phần mạng,

do đó chúng ta có thể ánh xạ một cách trực quan hệ thống thực tế

- OPNET Modeler hỗ trợ hầu hết công nghệ và cấu trúc mạng, nó cho phép chúng

ta trả lời một cách tự tin hầu hết các câu hỏi phức tạp trong thực tế

4.3 Các đặc trưng của Opnet Modeler

Là bộ phần mềm mô phỏng hiệu quả và linh hoạt nhất trong lĩnh vực công nghiệp,

OPNET Modeler có các đặc trưng sau:

- Nền tảng mô hình hoá chuyên nghiệp, với khả năng mô phỏng đầy đủ các sự kiện

rời rạc song song và tuần tự, mô phỏng giải tích và lai ghép, có khả năng hoạt động 64 bit

- Môi trường đồ hoạ trực quan nên có thể mô phỏng rõ ràng các hệ thống mạng

thực tế, các thiết bị, giao thức và ứng dụng

- Có khả năng mô phỏng tất cả các mô hình kiến trúc mạng

- Có thể tiếp nhận tự động thông tin kiến trúc mạng từ các công cụ, phần mềm

khác

- Có thể truy cập vào chương trình nguồn các thư viện mô hình hoá giao thức phổ

biến trong môi trường công nghiệp

- Là môi trường được thiết kế để mô hình hoá các giao thức sử dụng mô hình máy

trạng thái hữu hạn FSM, C/C++ và các thư viện mở rộng

- Bao gồm các công cụ phân tích mạng được tích hợp trước tiếp vào môi trường đồ

hoạ

4.4 Mô phỏng hệ thống bằng OPNET MODELER

4.4.1 Mô hình hệ thống mô phỏng

Hình 4.1: Cấu trúc hệ thống mạng mô phỏng Theo kiến trúc mạng trình bày trên hình vẽ 4.1, mỗi PC được kết nối đến một thiết

bị Switch bằng kết nối Ethernet tốc độ 100Mbps Không gian bộ đệm tại các Switch được

chia sẽ cho mọi luồng dữ liệu vào Các máy trạm đặt trong mạng A bên trái và các máy chủ

đặt trong mạng B bên phải kết nối chia sẽ E1 tốc độ 2Mbps Các máy trạm hội nghi từ xa,

chúng ta đặt vào hai mạng A và B nhằm phục vụ trao đổi thông tin video giữa hai mạng A và

B Kết nối E1 giữa hai bộ định tuyến biên A và B là kết nối cổ chai giữa hai mạng

9

Độ ưu tiên – xác định thời điểm truyền các gói tin

Không gian bộ đệm – nơi huỷ gói tin tại cổng ra

2.3.2 Phân loại các giải thuật phân phối lưu lượng

Các giải thuật hàng đợi được phân chia trong hình 2.8 Trong một môi trường nhiều hàng đợi, các giải thuật phân phối lưu lượng ra chính bao gồm:

Hình 2.8: Phân loại giải thuật phân phối lưu lượng ra

 Hàng đợi FIFO

 Hàng đợi ưu tiên (PQ)

 Hàng đợi công bằng (FQ)

 Hàng đợi theo lớp (CBQ)

 Vòng tròn trọng số thâm hụt (DWRR)

 Hàng đợi trọng số công bằng (WFQ)

2.4 Đánh giá hạn chế

2.4.1 Hạn chế của các kỹ thuật điều khiển lưu lượng vào

Một trong những thách thức lớn nhất của điều khiển lưu lượng vào trên mạng IP là việc chia sẽ tài nguyên mạng một cách hiệu quả giữa các luồng dữ liệu nhạy cảm với độ trễ được chấp nhận vào mạng

Điều khiển lưu lượng vào theo tham số truyền thống chủ yếu dựa trên các mô hình thống kê đặc tả luồng Các tham số thường được sử dụng bởi các luồng để ước lượng tài nguyên cần thiết Thiết bị mạng sử dụng các ước lượng để chấp nhận hay từ chối các luồng phụ thuộc vào sự sẳn sàng của các tài nguyên được yêu cầu Nhưng vấn đề với phương pháp này là các ứng dụng thường rất khó mô tả chính xác các mẫu lưu lượng để áp dụng Trong mạng IP hầu hết lưu lượng thường rất đa dạng Vì vậy, để mà nhận được các tài nguyên cam kết, các luồng cung cấp các ước lượng tham số ưu tiên thể hiện phản ứng trong trường hợp xấu nhất Điều này có thể gây ra quá tải đăng ký trước tài nguyên mạng

Các giải thuật điều khiển lưu lượng vào theo tham số có thể được phân tích theo các phương pháp cụ thể Các giải thuật điều khiển lưu lượng vào theo đo lường có thể được phân tích theo kinh nghiệm trên các mạng thực tế hoặc các hệ thống mô phỏng Mục đích của chúng ta ở đây không phải là chọn ra phương pháp tốt nhất mà chỉ là đưa ra các đánh giá, không chỉ dựa trên điều kiện đánh giá được sử dụng trong việc so sánh các giải thuật điều khiển lưu lượng vào theo đo lường khác nhau mà còn dựa trên các định nghĩa so sánh ý nghĩa của các giải thuật điều khiển lưu lượng vào theo đo lường Phương pháp đơn giản nhất đảm bảo tuân theo các cam kết đầy đủ là cấp phát đủ tài nguyên để đáp ứng các yêu cầu phòng trường hợp xấu nhất của mỗi luồng Tuy nhiên, với các nguồn tăng đột biến, mô hình này sẽ dẩn đến hiệu quả sử dụng mạng thấp