Chất lượng dịch vụ IP - Chương 1 pps

PBS Packet Burst Size Kích thước bùng nổ gói PIR Peak Information Rate Tốc ñô thông tin ñỉnh RED Random Early Discarding Loại bỏ gói sớm RFC Request For Comments Các yêu cầu cần tr

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-
-

CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ IP

Biên soạn

Hoàng Trọng Minh

Hà nội, 5/2007

LỜI NÓI ðẦU

Ch ất lượng dịch vụ mạng luôn là một vấn ñề quan tâm của cả người sử dụng dịch vụ và

nhà cung c ấp dịch vụ Cùng với sự phát triển bùng nổ các dịch vụ trên nền IP là hàng

lo ạt các yêu cầu và giải pháp kỹ thuật nhằm cải thiện chất lượng dịch vụ IP Sự phát

tri ển mạnh mẽ của các giải pháp ñã làm thay ñổi rất lớn trong lĩnh vực này thậm chí cả

nh ững vấn ñề khái niệm và ñịnh nghĩa Cuốn tài liệu này gồm 3 chương, tập trung vào

các khía c ạnh cơ bản của vấn ñề QoS IP Tiếp cận của tác giả hướng từ những khái niệm

và c ấu hình chung nhất tới những giải pháp kỹ thuật thường sử dụng trong mạng IP hiện

nay Các mô hình và xu h ướng cải thiện chất lượng dịch vụ IP cũng sẽ ñược trình bày

nh ằm giúp người ñọc thâu tóm các ñặc ñiểm cơ bản, ưu nhược ñiểm của một số giải pháp

hi ện thời.!

HOÀNG TRỌNG MINH

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Giải nghĩa tiếng Anh Giải nghĩa tiếng Việt

AQM Active Queue Management Quản lý hàng ñợi hoạt ñộng

ATM

Asychronous Transfer Mode Phương thức truyền tải không ñồng

bộ

B-ISDN Broadband ISDN Mạng tích hợp ña dịch vụ băng rộng

CBS Committed Burst Size Kích thước bùng nổ cam kết

CIR Committed Information Rate Tốc ñộ thông tin cam kết

DiffServ Differential Service Dịch vụ phân biệt

DSCP Differential Service Code Point ðiểm mã dịch vụ phân biệt

ECN Explicit Congestion Notification Thông báo tắc nghẽn hiện

ETSI

European Telecommunications Standards Institute

Viện tiêu chuẩn viễn thông châu âu

FIFO First In First Out Hàng ñợi vào trước ra trước

FLOWSPEC Flow Specification ðặc tính luồng

IETF Internet Engineering Task Force Uỷ ban thực thi kỹ thuật Internet IntServ Intergrated Service Dịch vụ tích hợp

IPTD IP Packet Transfer Delay Trễ truyền tải gói tin IP

ISO International Standard Organization Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế

ITU-T International Telecommunication Union Hiệp hội viễn thông quốc tế

MPLS Multi Protocol Label Switching Chuyển mạch nhãn ña giao thức

NNI Network Node Interface Giao diện nút mạng

PBS Packet Burst Size Kích thước bùng nổ gói

PIR Peak Information Rate Tốc ñô thông tin ñỉnh

RED Random Early Discarding Loại bỏ gói sớm

RFC Request For Comments Các yêu cầu cần trả lời

RSVP Resource reservation protocol Giao thức dành trước tài nguyên

SLA Service Level Argreement Thoả thuận mức dịch vụ

srTCM Single rate Three Color Marker Bộ ñánh dấu 3 màu tốc ñộ ñơn TCA Traffic Conditioning Agreement Thoả thuận ñiều kiện lưu lượng

trTCM Single rate Three Color Marker Bộ ñánh dấu 3 màu hai tốc ñộ UBR Undefined Bit rate Tốc ñộ bit không ñịnh nghĩa UNI User Network Interface Giao diện người dùng mạng

WFQ Weighted Fair Queueing Hàng ñợi cân bằng trọng số WRED Weighted Random Early Discarding Loại bỏ gói sớm theo trọng số WRR Weighted Round Robin Quay vòng theo trọng số

MỤC LỤC

Trang

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ QoS

Chương 2: KỸ THUẬT ðẢM BẢO CHẤT LƯỢNG IP QOS

2.1.1 Lịch sử phát triển các mô hình QoS cho mạng IP 13

2.1.3 Các tham số cơ bản ảnh hưởng tới QoS IP thực tế 15

3.2.2 Miền phân biệt dịch vụ DS và ñiểm mã phân biệt dịch vụ DSCP 44

3.3 IP QoS và công nghệ chuyển mạch nhãn ña giao thức MPLS 48

Bài tập 55

DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1: Các khía c ạnh của chất lượng dịch vụ 2

Hình 1.2: Tr ường kiểu dịch vụ trong tiêu ñề IPv4 5

Hình 1.3: Các thành ph ần trong cơ cấu ñảm bảo QoS 10

Hình 2.1: Các b ước phát triển của mô hình QoS 13

Hình 2.2: Tích h ợp dịch vụ và phân biệt dịch vụ 14

Hình 2.3: B ăng thông khả dụng 16

Hình 2.4: Tr ễ tích luỹ từ ñầu cuối tới ñầu cuối 17

Hình 2.5: Tr ễ xử lý và hàng ñợi 17

Hình 2.6: T ổn thất gói vì hiện tượng tràn bộ ñệm ñầu ra 18

Hình 2.7: Các yêu c ầu chức năng cơ bản của bộ ñịnh tuyến IP 19

Hình 2.8: Ph ương pháp phân loại gói ña trường chức năng 20

Hình 2.9: Ph ương pháp phân loại gói theo hành vi kết hợp 20

Hình 2.10: Nguyên lý qu ản lý hàng ñợi thụ ñộng 21

Hình 2.11: S ơ ñồ nguyên lý lập lịch gói tin IP 22

Hình 2.12: Kho ảng thời gian CIR và CBS 23

Hình 2.13: Gáo C, gáo E và ch ế ñộ mù màu srTCM 25

Hình 2.14: Ch ế ñộ hoạt ñộng rõ màu srTCM 25

Hình 2.15: Gáo rò C,P và ch ế ñộ hoạt ñộng mù màu trTCM 25

Hình 2.16: Ch ế ñộ hoạt ñộng rõ màu trTCM 26

Hình 2.17: S ơ ñồ nguyên lý hoạt ñộng của RED 27

Hình 2.18: Ho ạt ñộng thông báo tắc nghẽn hiện 28

Hình 2.19: Hàng ñợi ưu tiên PQ 29

Hình 2.20: Hàng ñợi cân bằng FQ 29

Hình 2.21: Hàng ñợi quay vòng theo trọng số WRR 31

Hình 2.22: Chia c ắt lưu lượng thuần 32

Hình 2.21: Chia c ắt lưu lượng bùng nổ kiểu gáo rò 33

Hình 3.1: Mô hình tích h ợp dịch vụ IntServ 34

Hình 3.2: Nguyên lý ho ạt ñộng RSVP 38

Hình 3.3: Các ki ểu dành trước tài nguyên 38

Hình 3.4: Khuôn d ạng bản tin RSVP và tiêu ñề chung RSVP 39

Hình 3.5: Khuôn d ạng bản tin ñối tượng 40

Hình 3.6: Khuôn d ạng ñối tượng kiểu 41

Hình 3.7: C ấu trúc bản tin Path và Resv 41

Hình 3.8: Mô hình các b ước phân biệt dịch vụ DiffServ 43

Hình 3.9: X ử lý gói trong mô hình DiffServ 43

Hình 3.10: Mi ền phân biệt dịch vụ DS 44

Hình 3.11: C ấu trúc trường phân biệt dịch vụ DS 45

Hình 3.12: X ử lý chuyển tiếp nhanh EF PHB 46

Hình 3.13: Các phân l ớp chuyển tiếp ñảm bảo AF PHB 47

Hình 3.14: D ịch vụ phân biệt với PHB và TCA 48

Hình 3.15: Th ực hiện phân bổ nhãn qua RSVP-TE 50

Hình 3.16: C ấu trúc bản tin RSVP-TE 51

B ảng 1.1: Th ứ tự và ý nghĩa các giá trị ưu tiên trong trường ToS 5

B ảng 1.2: Các ñặc tính phân lớp QoS cho mạng IP theo ITU-T 8

B ảng 3.1: Các bít s ử dụng cho ñiều khiển chia sẻ 41

B ảng 3.2: Các bít s ử dụng cho ñiều khiển lựa chọn máy gửi 41

B ảng 3.3: Các kh ối ñiểm mã dịch vụ phân biệt DSCP 45

B ảng 3.4: Chi ti ết các phân lớp chuyển tiếp ñảm bảo AF PHB 47

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ QOS

Ch ương ñầu tiên của cuốn bài giảng này giới thiệu các vấn ñề tổng quan về chất

l ượng dịch vụ QoS, phương pháp tiếp cận trong chương này ñi từ các thuật ngữ, ñịnh

ngh ĩa, yêu cầu và các vấn ñề cơ bản của chất lượng dịch vụ tới các mô hình và cơ cấu

khung làm vi ệc của chất lượng dịch vụ QoS trong mạng chuyển mạch gói nói chung, các

v ấn ñề chung sẽ ñược chi tiết hoá trong các chương tiếp theo

1.1.1 Các vấn ñề chung của chất lượng dịch vụ QoS

Chất lượng dịch vụ QoS là một khái niệm rộng và có thể tiếp cận theo nhiều hướng

khác nhau Theo khuyến nghị E 800 ITU-T chất lượng dịch vụ là “Một tập các khía cạnh

c ủa hiệu năng dịch vụ nhằm xác ñịnh cấp ñộ thoả mãn của người sử dụng ñối với dịch

v ụ” ISO 9000 ñịnh nghĩa chất lượng là “cấp ñộ của một tập các ñặc tính vốn có ñáp ứng ñầy ñủ các yêu cầu” Trong khi IETF [ETSI - TR102] nhìn nhận QoS là khả năng phân

biệt luồng lưu lượng ñể mạng có các ứng xử phân biệt ñối với các kiểu luồng lưu lượng, QoS bao trùm cả phân loại hoá dịch vụ và hiệu năng tổng thể của mạng cho mỗi loại dịch

vụ

Một tính chất chung của chất lượng dịch vụ là: “Hiệu ứng chung của ñặc tính chất

l ượng dịch vụ là xác ñịnh mức ñộ hài lòng của người sử dụng ñối với dịch vụ” Ngoài ra, QoS mang một ý nghĩa là “khả năng của mạng ñảm bảo và duy trì các mức thực hiện

nh ất ñịnh cho mỗi ứng dụng theo như các yêu cầu ñã ñược chỉ rõ của mỗi người sử

d ụng” Chất lượng dịch vụ QoS ñược nhìn nhận từ hai khía cạnh: phía người sử dụng

dịch vụ và phía mạng

Từ khía cạnh người sử dụng dịch vụ, QoS ñược coi là mức ñộ chấp nhận dịch vụ của người sử dụng và thường ñược ñánh giá trên thang ñiểm ñánh giá trung bình MoS (Mean

of Score) QoS cần ñược cung cấp cho mỗi ứng dụng ñể người sử dụng có thể chạy ứng dụng ñó và mức QoS mà ứng dụng ñòi hỏi chỉ có thể ñược xác ñịnh bởi người sử dụng, bởi vì chỉ người sử dụng mới có thể biết ñược chính xác ứng dụng của mình cần gì ñể hoạt ñộng tốt Tuy nhiên, không phải người sử dụng tự ñộng biết ñược mạng cần phải cung cấp những gì cần thiết cho ứng dụng, họ phải tìm hiểu các thông tin cung cấp từ người quản trị mạng và chắc chắn rằng, mạng không thể tự ñộng ñặt ra QoS cần thiết cho một ứng dụng của người sử dụng MOS dao ñộng từ mức (1-tồi) ñến mức (5- xuất sắc) và các nhà cung cấp dịch vụ dựa vào mức MOS này ñể ñưa ra mức chất lượng dịch vụ phù hợp cho dịch vụ của mình

Khuyến nghị ITU-T G107 phát triển mô hình E ñể ñánh giá chất lượng dịch vụ thoại qua IP là một mô hình ưu việt trong phát triển kế hoạch truyền dẫn, kết quả của mô hình

E là một giá trị truyền dẫn chung gọi là nhân tố tốc ñộ truyền dẫn R (Transmission Rating Factor) thể hiện chất lượng ñàm thoại giữa người nói và người nghe R dao ñộng từ 1 ñến

100 tuỳ thuộc vào các sơ ñồ mạng cụ thể Giá trị R càng lớn thì mức chất lượng dịch vụ càng cao ðối với dịch vụ thoại qua IP, mô hình E là một công cụ ñắc lực ñể ñánh giá chất lượng dịch vụ Mô hình E có thể ñược sử dụng ñể hiểu các ñặc ñiểm của mạng và thiết bị ảnh hưởng như thế nào ñến chất lượng thoại trong mạng VoIP Các yếu tố ảnh hưởng ñến sự suy giảm R là loại mã hoá, ñộ trễ, tiếng dội, mất gói, và thuật toán mã hoá thông tin Giá trị ñầu ra của mô hình E có thể chuyển thành giá trị MOS tương ứng ñể ñánh giá chất lượng dịch vụ [1]

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 ñể cung cấp chất lượng dịch vụ trong mạng chuyển mạch gói

 Thứ nhất, mạng chuyển mạch gói phải có khả năng phân biệt các lớp dịch vụ

 Thứ hai, một khi mạng có các lớp dịch khác nhau, mạng phải có cơ chế ứng xử khác nhau với các lớp bằng cách cung cấp các ñảm bảo tài nguyên và phân biệt dịch vụ trong mạng

Hình 1.1 dưới ñây chỉ ra các ñặc ñiểm cơ bản của chất lượng dịch vụ

Hình 1.1: Các khía c ạnh của chất lượng dịch vụ

Các phương pháp cơ bản ñể xác ñịnh chất lượng dịch vụ mạng bao gồm quá trình phân tích lưu lượng và các ñiều kiện của mạng, thông qua các bài toán ñược mô hình hoá hoặc

ño kiểm trực tiếp các thông số mạng ñể ñánh giá các tiêu chuẩn khách quan Mức ñộ chấp nhận dịch vụ từ phía người sử dụng có thể ñược kiểm tra qua các thông số mạng như khả năng tổn thất gói, ñộ trễ, trượt và xác suất tắc nghẽn Số lượng và ñặc tính các tham số chất lượng phụ thuộc rất lớn vào cơ cấu mạng cung cấp dịch vụ

Một khung làm việc chung của kiến trúc chất lượng dịch vụ QoS ñược nhìn từ khía cạnh mạng gồm có:

 Các phương pháp ñể yêu cầu và nhận các mức của dịch vụ qua các hình thức thỏa thuận mức dịch vụ SLA (Service Level Agreements) Một SLA là ñịnh dạng yêu cầu mức dịch vụ gồm có các tham số QoS như băng thông, ñộ trễ Các thỏa thuận này là một hình thức giao kèo dịch vụ giữa khách hàng và nhà cung cấp dịch vụ Các nhà cung cấp dịch vụ cần SLA ñể hướng lưu lượng ñầu vào của khách hàng tới mạng phù hợp, còn người sử dụng cần SLA ñể hiểu các ứng dụng của mình nhận ñược các mức dịch vụ như thế nào

 Báo hiệu, phân phối bộ ñệm và quản lý bộ ñệm cho phép ñáp ứng yêu cầu mức dịch vụ thông qua các giao thức dành trước tài nguyên cho ứng dụng

 ðiều khiển những ứng dụng có sai lệch trong việc thiết lập các mức dịch vụ, thông qua quá trình phân loại lưu lượng, hướng tới chính sách quản lý và thực thi ñối với từng luồng lưu lượng nhằm xác ñịnh kỹ thuật ñiều khiển lưu lượng phù hợp.Phân loại lưu lượng có thể sử dụng ở lớp liên kết, lớp mạng, truyền tải hoặc các lớp khác cao hơn Phương pháp sắp xếp cho luồng lưu lượng qua mạng trong một chừng mực nào ñó mà có thể ñảm bảo thoả thuận các mức dịch vụ sử dụng, bằng các phương pháp ñịnh tuyến trên nền tảng QoS

 Các phương pháp tránh tắc nghẽn, quản lý tắc nghẽn, hàng ñợi, và thiết lập ñể ngăn chặn các ñiều kiện sự cố mạng gây ra những hậu quả bất lợi ảnh hưởng tới mức dịch vụ Quản lý tắc nghẽn cho phép các thành phần mạng ñể ñiều khiển tắc nghẽn bằng cách xác ñịnh thứ tự trong các gói ñược truyền ñi dựa vào các quyền

ưu tiên hoặc là các mức dịch vụ gán cho các gói tin ñó Nó cần tạo ra hàng ñợi, chỉ ñịnh các gói tin tới hàng ñợi và thiết lập các gói tin trong hàng ñợi Quản lý tắc nghẽn không phải là cơ chế phòng ngừa, nhưng là một cơ chế tác ñộng ngược khi các ñiều kiện tắc nghẽn phát sinh trong mạng Cắt giảm và dò tìm ngẫu nghiên RED (Random Early Detection) là một trong các kỹ thuật ñể ngăn ngừa tắc nghẽn Thuật toán RED tận dụng các tính năng tác ñộng ngược của TCP và rất phù hợp tới mạng TCP/IP Các tác ñộng ngược cho phép cắt giảm lưu lượng cấp phát vào mạng khi tốc ñộ ñường truyền chậm Tận dụng các tính năng này, thuật

toán RED thực hiện cắt giảm các gói tin ngẫu nhiên thậm chí trước khi sự tắc nghẽn xảy ra

 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 ñịnh số các gói tin ñược chấp nhận trong một khoảng thời gian nhất ñịnh Chính sách quản lý liên quan các hoạt ñộng của thiết bị xử lý gói tin và hiện trạng của mạng từ ñó sẽ quyết ñịnh hình thức thỏa thuận mức dịch vụ

Một các tiếp cận khác về QoS ñược nhìn nhận từ phía mạng là tiếp cận theo mô hình phân lớp trong mô hình tham chiếu hệ thống mở OSI (Open System Interconnection), QoS ñược ñánh giá trong một số lớp sau:

 Lớp ứng dụng AL (Application Layer): Chất lượng dịch vụ QoS ñược nhận thức

là “mức ñộ dịch vụ” Khái niệm này rất khó ñược ñịnh lượng chính xác, chủ yếu dựa vào ñánh giá của con người, mức ñộ hài lòng ñối với dịch vụ ñó

 Lớp truyền tải TL (Transport Layer): Chất lượng dịch vụ ñược thực hiện bởi kiến trúc logic của mạng, các cơ chế ñịnh tuyến và báo hiệu ñảm bảo chất lượng dịch

vụ

 Lớp mạng NL (Network Layer): Chất lượng dịch vụ ñược thể hiện qua các tham

số lớp mạng tương ñối gần với các tham số chúng ta thường gặp, ñược biểu diễn thông qua các ñại lượng toán học như: Tỷ lệ lỗi, giá trị trung bình, giá trị lớn nhất của các tham số như băng thông, ñộ trễ và ñộ tin cậy của luồng lưu lượng

 Lớp liên kết dữ liệu DLL (Data Link Layer): Chất lượng dịch vụ ñược thể hiện qua các tham số truyền dẫn, tỉ lệ lỗi thông tin, các hiện tượng tắc nghẽn và hỏng hóc của các tuyến liên kết

Như vậy, chất lượng dịch vụ QoS tại các mức cao của mô hình hướng về phía người sử dụng dịch vụ liên quan tới các hệ thống giao thức và phần mềm ñiều khiển, trong khi các mức thấp hướng về các ñặc tính của hệ thống mạng truyền thông chủ yếu liên quan tới cấu trúc mạng, tài nguyên sử dụng trong các nút và liên kết

1.1.2 Cấp ñộ dịch vụ GoS (Grade of Service)

Một khía cạnh kỹ thuật của chất lượng dịch vụ thường ñược nhìn nhận như là cấp ñộ dịch vụ GoS, GoS thường ñược sử dụng trong công nghiệp viễn thông ñể chỉ ra các thành phần bổ sung chất lượng dịch vụ tổng thể của người sử dụng nhận ñược Rất nhiều các thành phần gồm cả phía kỹ thuật mạng và người sử dụng ñược ñánh giá qua cấp ñộ dịch

vụ, chủ yếu là các thành phần kỹ thuật có thể ño ñược như (băng thông, trễ) Cấp ñộ dịch

vụ ñược ñịnh nghĩa dưới ñây:

Nếu có một sự kiện lỗi xảy ra trong một mạng, hoặc một phần của mạng thì lưu lượng

sẽ tăng lên rất nhanh vượt quá giới hạn xử lý của mạng, và kết quả là có hiện tượng tắc