Đánh giá và so sánh hiệu quả đảm bảo QoS cho truyền thông đa phương tiện của mô hình IntServ và DiffServ

TỔNG QUAN QoS CHO TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN 1.1 Tổng quan Sự phát triển như vũ bão của các công nghệ mạng trong những năm gần đây đã làm bùng nổ các ứng dụng mới trên Internet như tr

Chuyên ngành : Truyền dữ liệu và Mạng máy tính

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH VIỆT

Hà Nội – 2008

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 5

DANH SÁCH HÌNH VẼ 7

DANH MỤC CÁC BẢNG 9

MỞ ĐẦU 10

1.Mục đích và ý nghĩa của đề tài 10

2.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 10

3.Cấu trúc các chương 11

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN QoS CHO TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN 12

1.1 Tổng quan 12

1.2 Các ứng dụng truyền thông đa phương tiện 12

1.2.1 Truyền dòng số liệu âm thanh và hình ảnh đã được lưu trữ trước (Streaming stored audio and video) 13

1.2.2 Truyền dòng số liệu âm thanh và hình ảnh thời gian thực từ một nguồn đến nhiều đích 14

1.2.3 Truyền âm thanh và hình ảnh có tương tác thời gian thực (Real-time interactive audio and video) 14

1.3 Các tham số chất lượng dịch vụ 15

1.3.1 Băng thông 15

1.3.2 Độ trễ 16

1.3.3 Độ thăng giáng trễ 16

1.3.4 Sự mất mát gói tin 17

1.4 Các yêu cầu chất lượng dịch vụ 18

1.5 Các mô hình đảm bảo QoS 20

CHƯƠNG 2 KIẾN TRÚC QoS 22

2.1 Thành phần chung của kiến trúc QoS 22

2.1.1 Cung cấp QoS 22

2.1.2 Điều khiển QoS 23

2.1.3 Quản lý QoS 24

2.2 Các chức năng của QoS 24

2.2.1 Đánh dấu gói tin 25

2.2.2 Phân loại gói tin 26

2.2.3 Chính sách lưu lượng 26

2.2.4 Quản lý hàng đợi tích cực 26

2.2.4.1 Kỹ thuật loại bỏ gói ngẫu nhiên sớm RED 27

2.2.4.2 Kỹ thuật loại bỏ sớm theo trọng số WRED 28

2.2.5 Lập lịch gói tin 28

2.2.5.1 Hàng đợi FIFO 29

2.2.5.2 Hàng đợi có ưu tiên PQ 30

2.2.5.3 Hàng đợi công bằng FQ 30

2.2.5.4 Hàng đợi quay vòng có trọng số WRR 31

2.2.5.5 Hàng đợi công bằng có trọng số WFQ và hàng đợi theo lớp công bằng có trọng số CB-WFQ 33

2.2.6 Định dạng lưu lượng (Traffic Shaping) 34

2.2.6.1 Định dạng lưu lượng “thuần” (Pure traffic shaping) 34

2.2.6.2 Định dạng lưu lượng kiểu giỏ có sử dụng thẻ bài (Token bucket) 35 CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH DỊCH VỤ TÍCH HỢP INTSERV 37

3.1 Tổng quan IntServ 37

3.2 Kiến trúc IntServ 38

3.2.1 Điều khiển chấp nhận 39

3.2.2 Phân loại 39

3.2.3 Lập lịch 39

3.2.4 Các dịch vụ của IntServ 39

3.3 Giao thức dành trước tài nguyên - RSVP (Resource Reservation Protocol) 40

3.3.1 Giới thiệu chung 40

3.3.2 Hoạt động của RSVP 41

3.3.3 Các kiểu dành trước tài nguyên RSVP 42

3.3.4 Định dạng thông báo RSVP 43

3.3.5 Thông báo PATH 49

3.3.6 Thông báo RESV 50

CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH DỊCH VỤ KHÁC BIỆT DIFFSERV 51

4.1 Tổng quan DiffServ 51

4.2 Kiến trúc DiffServ 53

4.2.1 Miền DS (Different Service) 53

4.2.2 Vùng DS 55

4.3 Định nghĩa trường trong DiffServ 56

4.3.1 Đánh dấu gói tin trong bộ định tuyến thông thường 56

4.3.2 Cấu trúc trường DS 58

4.3.3 Các mã phân biệt dịch vụ DSCP 58

4.4 Phân loại và điều hoà lưu lượng 59

4.5 Hành vi theo chặng PHB (Per-Hop Behaviors) 61

4.5.1 Chuyển tiếp nhanh EF PHB 62

4.5.2 Chuyển tiếp đảm bảo AF PHB 63

CHƯƠNG 5 THỰC NGHIỆM MÔ PHỎNG 64

5.1 Hệ mô phỏng NS2 64

5.1.1 Giới thiệu 64

5.1.2 Kiến trúc của NS2 64

5.1.3 Các nguồn sinh lưu lượng trong NS-2 67

5.2 Thực nghiệm mô phỏng mô hình IntServ 68

5.2.1 Thực nghiệm 1: Mô phỏng mạng IP không hỗ trợ RSVP_TE 69

5.2.1.1 Thiết lập cấu hình mô phỏng 1 69

5.2.1.2 Thực hiện và phân tích kết quả mô phỏng 1 70

5.2.2 Thực nghiệm 2: Mô phỏng mạng IP có hỗ trợ việc đặt trước tài nguyên 71

5.2.2.1 Thiết lập cấu hình mô phỏng 2 71

5.2.2.2 Thực hiện và phân tích kết quả mô phỏng 2 71

5.2.3 Thực nghiệm 3: Mô phỏng hoạt động tự khôi phục kết nối đường truyền bị “đứt” 74

5.2.3.1 Thiết lập cấu hình mô phỏng 3 74

5.2.3.2 Thực hiện và phân tích kết quả mô phỏng 3 74

5.3 Thực nghiệm mô phỏng mô hình DiffServ 77

5.3.1 Mục tiêu thực nghiệm 77

5.3.2 Thiết lập cấu hình mô phỏng 78

5.3.3 Thực hiện mô phỏng 81

5.3.4 Kết quả mô phỏng và nhận xét 83

KẾT LUẬN 88

CÁC HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh

NNI Network Node Interface

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1: Băng thông liên kết 15

Hình 2.1: Các thành phần trong cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS 22

Hình 2.2: Các yêu cầu chức năng cơ bản của một bộ định tuyến 25

Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của RED 28

Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý lập lịch gói tin 29

Hình 2.5: Hàng đợi ưu tiên PQ 30

Hình 2.6: Hàng đợi công bằng FQ 31

Hình 2.7: Hàng đợi quay vòng có trọng số WRR 32

Hình 2.8: Định dạng lưu lượng thuần 34

Hình 2.9: Định dạng lưu lượng bùng nổ kiểu giỏ có sử dụng thẻ bài 35

Hình 3.1: Mô hình hoạt động dịch vụ tích hợp IntServ 38

Hình 3.2: Nguyên lý hoạt động của RSVP 42

Hình 3.3: Các kiểu dành trước tài nguyên 43

Hình 3.4: Khuôn dạng bản tin RSVP và tiêu đề chung RSVP 44

Hình 3.5: Khuôn dạng bản tin đối tượng RSVP 46

Hình 3.6: Class-Num và C-Type 46

Hình 3.7: Đối tượng kiểu 47

Hình 3.8: Định dạng thông báo RSVP PATH 49

Hình 3.9: Định dạng thông báo RSVP RESV 50

Hình 4.1: Mô hình các bước dịch vụ phân biệt DiffServ 52

Hình 4.2: Miền IP 53

Hình 4.3: Miền DS 54

Hình 4.4: Một miền DS và các mạng con 55

Hình 4.5: Vùng DS 55

Hình 4.6: Tiêu đề gói tin IPv4 57

Hình 4.7: Trường kiểu dịch vụ ToS trong tiêu đề IPv4 57

Hình 4.8: Tiêu đề gói tin IPv6 58

Hình 4.9: Cấu trúc của trường phân biệt dịch vụ DS 58

Hình 4.10: Dịch vụ phân biệt với PHB và TCA 60

Hình 4.11: Các khối điều hoà lưu lượng DiffServ (TCB) 61

Hình 4.12: Xử lý chuyển tiếp nhanh EF PHB 62

Hình 5.1: Sự tương đồng giữa C++ và OTcl 65

Hình 5.2: Tổng quan về NS từ góc nhìn của người sử dụng 66

Hình 5.3: Mô hình vật lý mạng thực hiện mô phỏng 69

Hình 5.4: Cấu hình mạng mô phỏng thực nghiệm 1 70

Hình 5.5: Lưu lượng các luồng trong thực nghiệm 1 70

Hình 5.6: Hình ảnh hoạt động của mạng trong thực nghiệm 2 trên cửa sổ nam 72

Hình 5.7: Lưu lượng các luồng trong thực nghiệm 2 73

Hình 5.8: Cấu hình mạng mô phỏng thực nghiệm 3 74

Hình 5.9: Hình ảnh hoạt động của mạng trong thực nghiệm 3 trên cửa sổ nam 75

Hình 5.10: Lưu lượng luồng trong thực nghiệm 3 76

Hình 5.11: Biến thiên trễ của luồng trong thực nghiệm 3 76

Hình 5.12: Kiến trúc của mô hình mô phỏng 78

Hình 5.13: Cấu hình mạng mô phỏng DiffServ trong NS2 80

Hình 5.14: Tập các tham số của WRED trường hợp một 83

Hình 5.15: Biến thiên độ trễ các gói tin nguồn voice 84

Hình 5.16: Biến thiên độ trễ các gói tin nguồn Video 85

Hình 5.17: Biến thiên thông lượng đạt được của nguồn Video 85

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Các đặc tính phân lớp QoS cho mạng IP theo ITU-T 19

Bảng 1.2: Phân lớp QoS theo quan điểm của ETSI 20

Bảng 3.1: Các kiểu thông báo RSVP 46

Bảng 3.2: Các bit sử dụng cho điều khiển chia sẻ 49

Bảng 3.3: Các bit sử dụng cho điều khiển lựa chọn máy gửi 49

Bảng 4.1: Các mức hiệu năng DTR 58

Bảng 4.2: Các mã dịch vụ phân biệt DSCP 60

Bảng 4.3: Chi tiết phân lớp đảm bảo AF PHB 64

Bảng 5.1: TCS cho giao diện vào e1 80

Bảng 5.2: Ttập các tham số WRED 83

Bảng 5.3: Kết quả truyền lưu lượng các nguồn FTP trong các trường hợp khác nhau của WRED 86

MỞ ĐẦU

1 Mục đích và ý nghĩa của đề tài

Mạng Internet truyền thống được xây dựng theo nguyên tắc “cố gắng tối đa” (best effort), nghĩa là không có sự đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) Truyền thông đa phương tiện (multimedia) đòi hỏi mạng phải đảm bảo chất lượng dịch

vụ Để khắc phục nhược điểm của mạng Internet truyền thống, người ta đã đề xuất một số mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ, trong đó có các mô hình IntServ và DiffServ Mô hình IntServ đòi hỏi phải có sự đặt trước tài nguyên ở tất các các router mà dịch vụ truyền thông đa phương tiện truyền các lưu lượng qua nên khó thực hiện nhưng có hiệu quả cao Mô hình DiffServ không yêu cầu đặt trước tài nguyên nên tương đối đơn giản, nhưng hiệu quả bị hạn chế Người thiết

kế mạng cần đánh giá đúng các ưu nhược điểm của 2 mô hình trên và áp dụng tuỳ tình hình thực tế Đó là lý do thúc đẩy tôi chọn đề tài nghiên cứu này

Trong phạm vi của đề tài luận văn tốt nghiệp – “Đánh giá và so sánh hiệu

quả đảm bảo QoS cho truyền thông đa phương tiện của mô hình IntServ và DiffServ ”, tôi sẽ nghiên cứu các mô hình IntServ và DiffServ, thực hiện mô

phỏng bằng bộ mô phỏng mạng NS-2, từ đó đưa ra các đánh giá, so sánh hiệu quả đảm bảo QoS của hai mô hình này

2 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu lý thuyết về đảm bảo QoS, kiến trúc QoS và các

mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ IntServ và DiffServ Đề tài còn giới thiệu việc sử dụng công cụ mô phỏng NS2 để mô phỏng các kiến trúc mạng dựa trên hai mô hình IntServ và DiffServ Các kết quả của các thực nghiệm mô phỏng sẽ được dùng để đánh giá, so sánh hiệu năng của hai mô hình này

3 Cấu trúc các chương

Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của luận văn này được bố cục như sau:

Chương 1: Tổng quan QoS cho truyền thông đa phương tiện

Chương 2: Kiến trúc QoS

Chương 3: Mô hình dịch vụ tích hợp IntServ

Chương 4: Mô hình dịch vụ khác biệt DiffServ

Chương 5: Thực nghiệm mô phỏng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN QoS CHO TRUYỀN THÔNG

ĐA PHƯƠNG TIỆN

1.1 Tổng quan

Sự phát triển như vũ bão của các công nghệ mạng trong những năm gần đây

đã làm bùng nổ các ứng dụng mới trên Internet như truyền dòng số liệu video, điện thoại IP, hội thảo từ xa, trò chơi tương tác, thế giới ảo…Những ứng dụng truyền thông đa phương tiện được xem như là các ứng dụng trên môi trường truyền thông liên tục và có các yêu cầu về chất lượng dịch vụ khác với yêu cầu

của các ứng dụng truyền thống như: Email, Web, Remote login… Chúng cũng khác với các ứng dụng kiểu tải về trước rồi mới chạy (download-and-then-play)

Mỗi loại ứng dụng truyền thông đa phương tiện có các đòi hỏi QoS khác nhau Mục đích chính của việc đưa ra QoS là đưa ra sự đảm bảo có tính định lượng về băng thông, độ trễ, độ thăng giáng trễ (jitter) hoặc tỉ lệ mất gói Để thực hiện đảm bảo QoS, mạng truyền thông cần có các thành phần cơ bản để đảm bảo QoS như sau: thành phần cung cấp QoS, thành phần điều khiển QoS và thành phần quản lý QoS Rất nhiều cơ chế cho QoS được đưa ra để đáp ứng cho yêu cầu của ứng dụng người dùng và cũng để đạt được hiệu quả sử dụng tài nguyên mạng ở mức cao nhất với chi phí tối thiểu

Để phân loại các bảo đảm QoS trong các mạng chuyển mạch gói người ta đã đưa ra hai tiêu chuẩn phân loại Tiêu chuẩn thứ nhất là bảo đảm QoS cho mỗi luồng lưu lượng (per-flow QoS) kiểu đầu cuối - đầu cuối (end-to-end) riêng biệt Theo tiêu chuẩn này có thể bảo đảm các giá trị giới hạn tuyệt đối về QoS Tiêu chuẩn thứ hai là bảo đảm QoS cho một nhóm các luồng (per-class QoS) Theo tiêu chuẩn này chỉ có thể bảo đảm QoS một cách tương đối Từ hai tiêu chuẩn này các nhà nghiên cứu đã đưa ra được nhiều mô hình đảm bảo QoS khác nhau

1.2 Các ứng dụng truyền thông đa phương tiện

Các ứng dụng truyền thông đa phương tiện chủ yếu truyền dữ liệu audio và video, chất lượng ứng dụng thay đổi hết sức nhạy với độ trễ, độ thăng giáng trễ và phụ thuộc vào một số tham số mạng khác như băng thông, tỉ suất lỗi v.v Nói chung, sự mất mát gói tin trong một giới hạn nhất định chỉ gây ra sự thực thi không đều của ứng dụng phía người nhận đối với dữ liệu audio hoặc video mà người dùng không nhận ra được và thường có thể che dấu được một phần hoặc hoàn toàn Điều này hoàn toàn ngược lại với các ứng dụng truyền thống, dữ liệu

là tĩnh (text, image ) có thể chấp nhận độ trễ và độ thăng giáng trễ lớn nhưng không chấp nhận sự mất mát dữ liệu

Các ứng dụng multimedia được sử dụng trên Internet ngày nay rất đa dạng

Ở đây, chỉ xem xét ba loại ứng dụng multimedia phổ biến để thấy được những đặc điểm nổi bật của truyền thông đa phương tiện

1.2.1 Truyền dòng số liệu âm thanh và hình ảnh đã được lưu trữ trước

(Streaming stored audio and video)

Trong ứng dụng loại này, client có thể yêu cầu nhận các file audio hoặc video được lưu trữ trên server bất kì lúc nào Các ứng dụng truyền thông đa phương tiện loại này có 3 đặc trưng quan trọng:

1 Thông tin đa phương tiện được lưu trữ trước (Stored media): Nội dung file

audio hoặc video được lưu trữ tại server Vì thế, khi một file audio hoặc video đang chạy thì người dùng có thể thực hiện các hành động tương tác như là tạm dừng, tua đi, tua lại, nhảy tới phía trước hoặc phía sau của file Thời gian đáp ứng các hành động này trong khoảng từ 1 cho đến 10 giây

2 Gửi đi thành dòng (Streaming): Sau một vài giây, client bắt đầu chạy file

audio hoặc video, trong khi nó vẫn tiếp tục nhận phần còn lại của file này từ server Kỹ thuật này cho phép người dùng tránh phải chờ lâu để download toàn

bộ file trước khi chạy file

3 Chơi một cách liên tục (Continuous playout): Khi bắt đầu chơi một file

audio hoặc video, ứng dụng sẽ tiếp tục dựa trên thời gian ban đầu của bản ghi (âm

thanh hoặc hình ảnh) Vì vậy nó đòi hỏi độ trễ end-to-end chặt chẽ hơn so với các ứng dụng truyền thống

Độ trễ từ khi một người dùng tạo một yêu cầu (ví dụ nghe một file audio) cho đến khi hành động được thực hiện tại máy người dùng (bắt đầu nghe được) cần nằm trong khoảng từ 1 tới 10 giây, thì người sử dụng có thể chấp nhận được Các yêu cầu đối với độ trễ gói tin và độ thăng giáng trễ trong các ứng dụng multimedia nêu trên không nghiêm ngặt bằng những yêu cầu trong ứng dụng thời

gian thực có tương tác, như là Internet telephony và realtime video conferencing

1.2.2 Truyền dòng số liệu âm thanh và hình ảnh thời gian thực từ một

nguồn đến nhiều đích

Ứng dụng này tương tự việc phát sóng radio và TV truyền thống, ngoại trừ việc phát đi được thực hiện trên Internet, nó cho phép người dùng nhận một chương trình radio hoặc TV được phát từ một nơi nào đó trên thế giới Một đặc điểm của loại ứng dụng này là có nhiều người dùng đồng thời nhận cùng một file

audio hoặc video Khác với ứng dụng streaming stored audio and video, loại ứng dụng này không có đặc tính stored media và không thực hiện các hành động

tương tác được, một người dùng không thể dừng hoặc tua lại một chương trình đang phát cho hàng trăm người đang nghe

Giống như các ứng dụng đa phương tiện khác, ứng dụng này cũng có đặc tính streaming, cũng đòi hỏi các yêu cầu về độ trễ và độ thăng giáng trễ, nhưng không nghiêm ngặt như các yêu cầu trong Internet telephony và realtime video conferencing Độ trễ tối đa có thể là 10s từ khi người dùng kích hoạt một liên kết cho đến khi file audio hoặc video bắt đầu chạy Sự phân phối dữ liệu real-time audio and video tới nhiều người nhận được thực hiện hiệu quả với phương thức

đánh địa chỉ multicast

1.2.3 Truyền âm thanh và hình ảnh có tương tác thời gian thực (Real-time

interactive audio and video)

Ứng dụng này cho phép người dùng sử dụng audio hoặc video giao tiếp với người khác trong thời gian thực Thí dụ về một ứng dụng như vậy là điện thoại

Internet (Internet phone) Một thí dụ khác là hội thảo truyền hình (Video conferencing), cho phép một người có thể giao tiếp bằng âm thanh và hình ảnh

với một hay nhiều người khác theo phương thức thời gian thực Đây là tương tác

có cảm nhận, các thành viên tham gia có thể trao đổi với nhau thông qua tiếng nói

và hình ảnh trong thời gian thực Trong ứng dụng hội thảo truyền hình, người dùng có thể nói hoặc di chuyển bất kỳ lúc nào họ muốn Độ trễ từ khi người dùng nói hoặc di chuyển cho đến khi hành động được thực hiện tại các máy nhận phải nhỏ hơn một vài trăm mi-li-giây

1.3 Các tham số chất lƣợng dịch vụ

Các yêu cầu chất lượng dịch vụ phải được biểu thị theo các tham số QoS đo được Các tham số thông thường được biết đến là: băng thông, độ trễ, độ thăng giáng trễ và sự mất mát gói tin

Hình 1.1: Băng thông liên kết

Băng thông lớn nhất của một tuyến liên kết bằng giá trị băng thông nhỏ nhất của một đoạn liên kết Băng thông khả dụng được tính tương đối qua giá trị băng

thông lớn nhất và lượng băng thông của luồng lưu lượng đã sử dụng Một tuyến mới được chấp nhận nếu tồn tại một đường khả dụng giữa hai đầu tuyến

1.3.2 Độ trễ

Độ trễ nói ở đây là độ trễ đầu cuối- đầu cuối (end-to-end), là thời gian cần thiết để gửi một gói tin từ nguồn đến đích, nó là tổng độ trễ của việc xử lý gói tin, thời gian gói tin phải xếp hàng chờ được gửi đi tại các router và thời gian đưa gói tin lên đường truyền

 Trễ truyền (transmission delay): là thời gian để đưa gói tin lên đường truyền, được tính bằng tỉ số của độ dài gói tin trên dung lượng của đường truyền

 Trễ hàng đợi (queueing delay): là thời gian gói tin phải trải qua trong một hàng đợi để được truyền đi tiếp qua một liên kết khác, hay thời gian cần thiết phải đợi để thực hiện quyết định định tuyến trong bộ định tuyến Nó

có thể xấp xỉ bằng 0 hoặc rất lớn tuỳ thuộc vào số gói tin có trong hàng đợi

và tốc độ xử lí

 Trễ truyền lan (propagation delay): là thời gian cần thiết để tín hiệu mang nội dung thông tin (sóng điện từ) truyền qua môi trường vật lí Nó phụ thuộc vào khoảng cách và tốc độ truyền tín hiệu

Các ứng dụng truyền thông đa phương tiện đòi hỏi độ trễ các gói tin nằm trong khoảng cho phép, được quy định bởi một ngưỡng cụ thể Các nghiên cứu

thực nghiệm cho biết, đối với Internet phone, nếu độ trễ nhỏ hơn 150 ms thì

người nghe không nhận biết được độ trễ, nếu độ trễ nằm trong khoảng 150 400

ms thì có thể chấp nhận được, nếu độ trễ vượt quá 400 ms thì cuộc đàm thoại bị hỏng hoàn toàn, vì người nhận sẽ không để ý đến bất kỳ gói tin nào bị trễ hơn ngưỡng nêu trên Do đó, các gói tin bị trễ hơn ngưỡng cho phép, thực tế được coi

là bị mất

1.3.3 Độ thăng giáng trễ

Một trong những thành phần chính của độ trễ end-to-end là độ trễ của gói tin tại hàng đợi, nói chung có giá trị ngẫu nhiên, chính vì vậy thời gian từ khi một gói tin được sinh ra tại nguồn cho đến khi nó được nhận tại đích có thể dao động đối

với các gói tin khác nhau, sự dao động này được gọi là jitter hay là độ thăng giáng trễ Jitter là yếu tố ảnh hưởng lớn đến QoS của truyền thông đa phương

tiện, tỉ lệ nghịch với QoS của truyền thông đa phương tiện Trong các ứng dụng

truyền thông đa phương tiện như Internet phone hoặc audio-on-demand, jitter có

thể được hạn chế bằng cách thực hiện kết hợp ba kỹ thuật: đánh số thứ tự các gói

tin (sequence number), gán nhãn thời gian (timestamp) và làm trễ việc chơi

(delaying playout) Người gửi đặt một sequence number vào mỗi gói tin và tăng

giá trị này lên một khi một gói tin mới được tạo ra, nhờ vậy người nhận có thể

dùng sequence number để khôi phục thứ tự đúng của các gói tin nhận được

Timestamp tương tự như sequence number, người gửi dán tem thời gian cho

mỗi gói tin, tem mang thông tin về thời gian mà gói tin đó được sinh ra Để lấy

được thứ tự đúng của các gói tin từ sequence number và timestamp, người nhận cần nhận tất cả các gói tin theo thứ tự Playout delay được sử dụng cho mục đích này Playout delay phải đủ dài để nhận được hầu hết các gói tin trước thời điểm chúng được sử dụng Playout delay được chia làm hai loại: cố định hoặc có thể

thay đổi trong thời gian hội thảo

Ví dụ, phương pháp sửa lỗi ở phía trước - FEC (Forward Error Correction) có thể

giúp che giấu sự mất mát gói tin Với FEC các thông tin dư thừa được truyền

cùng với thông tin nguồn cho nên một vài gói tin nguồn bị hỏng có thể được khôi phục lại từ thông tin dư thừa Tuy nhiên, nếu đường truyền giữa người gửi và người nhận bị tắc nghẽn rất nặng, sự mất mát gói tin vượt quá 10-20 %, thì không

còn cách gì có thể thực hiện để đạt được chất lượng âm thanh có thể chấp nhận được Tỉ lệ mất mát gói tin cao làm tăng độ trễ và jitter

Như chúng ta đã biết TCP khắc phục sự mất mát gói tin bằng cách gửi lại các gói tin đó Tuy nhiên kỹ thuật này không thể áp dụng cho các ứng dụng tương

tác thời gian thực như Internet phone, bởi vì chúng làm tăng độ trễ end-to-end

Hơn nữa, bởi vì TCP có cơ chế điều khiển tắc nghẽn nên sau khi phát hiện có sự mất gói tin, thực thể gửi TCP sẽ giảm tốc độ gửi xuống mức tối thiểu, có thể dẫn đến đứt đoạn tiếng nói Vì những lý do này, hầu hết các ứng dụng truyền thông đa phương tiện không chạy trên TCP mà lại sử dụng UDP cùng các giải pháp RTP (Real Time Transport Protocol), RTCP (Real Time Control Protocol) để đáp ứng các đặc tính của truyền thông đa phương tiện như là tính trình tự, đồng bộ hoá trong dòng dữ liệu, đồng bộ hoá giữa các dòng dữ liệu

1.4 Các yêu cầu chất lƣợng dịch vụ

Tất cả các ứng dụng đều yêu cầu một mức chất lượng dịch vụ nào đó Để nhận biết yêu cầu chất lượng dịch vụ hệ thống thường dựa vào các lớp dịch vụ khác nhau Theo quan điểm của ITU-T, khuyến nghị Y-1541 [16], các lớp dịch

vụ được chia theo vùng như bảng dưới đây:

Bảng 1.1: Các đặc tính phân lớp QoS cho mạng IP theo ITU-T

0 Thời gian thực, nhạy cảm với jitter, tương tác cao

1 Thời gian thực, nhạy cảm với jitter, tương tác

4 Tổn hao thấp (chuyển giao ngắn, dữ liệu bulk, video)

Như vậy theo quản điểm của ITU các lớp dịch vụ thời gian thực và tương tác cao được đặt lên hàng đầu đối với mạng IP Phần lớn các ứng dụng được thực hiện tốt trong các mạng chuyển mạch hướng kết nối (chuyển mạch kênh và ATM) Trong khi đó, mạng IP nguyên thuỷ không hỗ trợ việc đảm bảo các đặc tính trên hay nói các khác không hỗ trợ các dịch vụ thời gian thực

Dự án TIPHON của ETSI [16] đề xuất một định nghĩa thay thế về phân lớp QoS được chỉ ra trên bảng dưới đây:

Bảng 1.2: Phân lớp QoS theo quan điểm của ETSI

Hội thoại thời gian

thực (thoại video, hội

nghị)

Thoại, video, audio, đa phương tiện

Nhạy cảm với trễ và thăng giáng trễ, giới hạn lỗi và tổn thất gói tin, tốc độ bit thay đổi

Phi thời gian thực

Không nhạy cảm với trễ và thăng giáng trễ, nhạy cảm với lỗi, cố gắng tối đa

Hướng tiếp cận của ETSI tập trung vào các dịch vụ thường sử dụng trên mạng IP để phân loại các dịch vụ yêu cầu thời gian thực và không yêu cầu thời gian thực Đối với các ứng dụng yêu cầu thời gian thực ETSI-TR102 phân biệt

dịch vụ qua các độ nhạy cảm với các tham số QoS như: trễ, thăng giáng trễ, tổn thất gói và đặc tính tốc độ bit

1.5 Các mô hình đảm bảo QoS

Các mạng IP vào khoảng giữa đầu thập kỷ 1990 là các mạng nỗ lực tối đa giống như mạng Internet hiện nay Các hệ thống mạng cung cấp dịch đã phát triển

từ các mô hình nỗ lực tối đa thành các mô hình dịch vụ phân biệt phức tạp

Nỗ lực tiêu chuẩn hoá chất lượng dịch vụ IP lần đầu tiên khi IETF phát hành RFC 1633 vào tháng 6 năm 1994 RFC 1633 đưa ra mô hình Các dịch vụ được tích hợp - IntServ (Integrated Service), mô hình này tập trung vào các bảo đảm QoS tuyệt đối với giao thức dành trước tài nguyên RSVP (Resource Reservation Protocol) RSVP được sử dụng để báo hiệu các yêu cầu về trễ và băng thông cho các phiên riêng biệt tới từng nút dọc theo đường dẫn gói tin đi qua Tại thời điểm khởi tạo kết nối, RSVP yêu cầu các nút dự trữ tài nguyên Tuy nhiên, do yêu cầu của các ứng dụng mạng ngày càng mở rộng, việc đảm bảo QoS tuyệt đối dựa trên luồng khó có thể đáp ứng được, nên người ta đã phát triển và cho ra đời mô hình bảo đảm QoS dựa trên lớp, mang tính tương đối, có tên gọi là Các dịch vụ có

phân biệt - DiffServ (Differentiated Service)

Từ sau năm 1997, nhóm làm việc DiffServ lại tiếp tục thảo luận về một vài

đề xuất đối với bảo đảm QoS tương đối trên mỗi lớp Hầu hết các đề xuất xác định các dịch vụ khác nhau về chất lượng, trong đó sẽ có lớp nhận được độ trễ thấp hơn và tỉ lệ mất gói thấp hơn những lớp khác nhưng không xác định số lượng khác nhau, nghĩa là không xác định sự khác nhau cụ thể Mô hình DiffServ định nghĩa các kỹ thuật đánh dấu gói như thứ tự ưu tiên IP (IP Precedence), các mã phân biệt dịch vụ - DSCP (Differentiated Services Code Points) phù hợp với hành

vi theo chặng PHB tại mỗi nút cho các kiểu lưu lượng

Vào cuối thập niên 90, các kỹ thuật QoS được chú trọng nhiều hơn và trở thành vấn đề quan trọng khi cần phải tương thích với các công nghệ mạng tiên tiến như: công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức - MPLS (Multiprotocol Label Switching) và các công nghệ mạng riêng ảo VPN - (Virtual Private Network)

Các chiến lược phát triển mô hình chất lượng dịch vụ IP trong khoảng thời gian gần đây 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 Các công nghệ QoS ngày càng đưa

ra các mục tiêu quản lý chất lượng dịch vụ rộng và chi tiết hơn, có thể giải quyết được các vấn đề về chất lượng dịch vụ IP ở những cấu hình phức tạp Rất nhiều nhà quản trị mạng không muốn có các mức quản lý phức tạp mà họ muốn xu hướng quản lý QoS càng đơn giản càng tốt, thậm chí phát triển QoS theo hướng công cụ bảo mật hệ thống [5]

CHƯƠNG 2 KIẾN TRÚC QoS

2.1 Thành phần chung của kiến trúc QoS

Một cơ cấu đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS chung nhất gồm ba thành phần chính: cung cấp QoS, điều khiển QoS và quản lí QoS như được chỉ ra trên hình 2.1

Cung cấp QoS đưa ra các kỹ thuật thiết lập luồng và các giai đoạn thoả thuận tài nguyên nhằm đảo bảo QoS từ đầu cuối tới đầu cuối Điều khiển QoS đưa ra các hành vi điều khiển như lập lịch, định dạng lưu lượng, lập chính sách và đồng bộ luồng Quản lí QoS nhằm giám sát, điều chỉnh lại tài nguyên và duy trì các điều kiện đảm bảo QoS

Hình 2.1: Các thành phần trong cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS

Các thành phần QoS

Ánh xạ QoS

Kiểm tra quản lý

Dành trước tài nguyên

Lập lịch luồng Định dạng lưu lượng Chính sách luồng Đồng bộ luồng

Giám sát QoS

Độ khả dụng QoS Duy trì QoS Phân mức QoS

biên dịch chúng thành các lớp dịch vụ để sử dụng cho mục đích dành trước tài nguyên

 Mô-đun kiểm tra quản lý: chịu trách nhiệm kiểm tra độ khả dụng của nguồn tài nguyên so với yêu cầu và ra quyết định có cho phép các yêu cầu mới hay không Một khi yêu cầu đảm bảo QoS từ đầu cuối tới đầu cuối cần tài nguyên tổng thể, các nguồn tài nguyên được dành sẵn dựa trên quyết định kiểm tra quản lý và được cam kết khi kiểm tra quản lý thành công

 Mô-đun dành trước tài nguyên: giữ các nguồn tài nguyên thích hợp với các đặc tính QoS của người dùng Mô-đun quản lí QoS cần các dịch vụ này để xác nhận các kiểm tra điều khiển quản lý thành công hay không Mô-đun ánh xạ QoS cần quan tâm tới khả năng của các giao thức báo hiệu trước khi ghép các đặc tính QoS vào mức chất lượng mạng

2.1.2 Điều khiển QoS

Thành phần điều khiển QoS hoạt động theo thước đo thời gian tại các tốc độ truyền thông tin, cung cấp điều khiển lưu lượng thời gian thực dựa trên các yêu cầu mức QoS từ giai đoạn cung cấp QoS Thành phần này gồm các mô-đun sau:

 Mô-đun lập lịch luồng: quản lý các luồng chuyển tiếp theo cùng một cách thức ở cả hệ thống cuối và mạng Nó quyết định gói tin nào sẽ được gửi kế tiếp khi tuyến kết nối đi đã sẵn sàng

 Mô-đun định dạng 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 dạng các luồng tổ hợp tại biên mạng và lập lịch trong mạng để cung cấp hiệu năng cao nhất

 Mô-đun chính sách luồng: thường được sử dụng trong điều kiện lưu lượng người dùng chuyển qua vùng biên quản lý và cần loại bỏ giám sát Chính sách được sử dụng để theo dõi khi nào nhà cung cấp duy trì các điều kiện QoS hoặc không

 Mô-đun đồng bộ luồng: được yêu cầu để điều khiển các sự kiện tương tác

đa phương tiện theo trình tự và thời gian chính xác

 Mô-đun độ khả dụng QoS: cho phép các ứng dụng chỉ rõ các tham số QoS giám sát và phản hồi để nhận ra hiệu năng cần thiết

 Mô-đun duy trì QoS: cho phép so sánh các mức QoS kiểm tra với hiệu năng mong muốn và điều khiển tối ưu để đưa ra mức chất lượng dịch vụ Mô-đun này cũng đảm trách các vấn đề liên quan tới xử lý và khôi phục lỗi trên liên kết và tại các nút Để duy trì các mức QoS cung cấp cần sử dụng các phương pháp đo lưu lượng nhằm giám sát và điều khiển lưu lượng

 Mô-đun phân mức QoS: gồm các phép đo để gia tăng sự phân mức cho kiến trúc QoS, các ứng dụng đa phương tiện cần các phân mức thoả mãn các yêu cầu đòi hỏi băng thông khác nhau Mô-đun này gồm các thành phần như bộ lọc QoS, tập hợp và kiến trúc phân lớp QoS

2.2 Các chức năng của QoS

Để đảm bảo QoS qua mạng IP, mạng phải thực hiện hai nhiệm vụ cơ bản:

1 Phân loại các luồng lưu lượng hoặc các kiểu dịch vụ để người sử dụng đưa các ứng dụng vào các lớp hoặc các luồng lưu lượng phân biệt với các ứng dụng khác

2 Xử lí các lớp lưu lượng khác nhau của các luồng lưu lượng khác nhau bằng việc cung cấp các nguồn tài nguyên và các dịch vụ khác nhau trong một mạng

Nhiệm vụ 1 thường được thực hiện tại giao diện người sử dụng và mạng UNI (User Network Interface) Khả năng thực hiện nhiệm vụ 2 của mạng là sự khác biệt cơ bản của các công nghệ mạng, nó thể hiện các đặc điểm ưu việt và nhược điểm của các giải pháp công nghệ khác nhau

Hình 2.2 chỉ ra các yêu cầu chức năng được thực hiện trong bộ định tuyến Các gói tin đi vào bộ định tuyến tới các khối chức năng đánh dấu gói và phân loại gói, hai khối chức này của bộ định tuyến thực hiện nhiệm vụ 1 Các khối chức năng chính sách lưu lượng, quản lý hàng đợi, lập lịch và định dạng lưu lượng là khối chức năng thực hiện nhiệm vụ 2

Hình 2.2: Các yêu cầu chức năng cơ bản của một bộ định tuyến

2.2.1 Đánh dấu gói tin

Đánh dấu gói tin là chức năng đầu tiên của bộ định tuyến IP áp dụng vào các luồng lưu lượng người sử dụng Chức năng đánh dấu đặt các bit nhị phân vào các trường chức năng đặc biệt của tiêu đề gói tin để phân biệt kiểu của gói tin với các gói tin khác Một số gói có thể phân biệt bởi địa chỉ nguồn, địa chỉ đích hoặc giá trị DSCP, kỹ thuật đánh dấu DSCP sẽ được trình bày trong chương sau Các gói tin có thể đã được đánh dấu hoặc không Các gói tin đã được đánh dấu có thể được đánh dấu lại nếu các giá trị đánh dấu chỉ ra các đặc điểm vi phạm chính sách của bộ định tuyến đang thực hiện chuyển gói Nếu một gói được chuyển qua nhiều vùng đặc biệt nó sẽ được đánh dấu theo cách phù hợp với thoả thuận mức dịch vụ SLA giữa các vùng Các gói tin chưa được đánh dấu sẽ được đánh dấu để nhận được các chính sách phù hợp của bộ định tuyến

Đánh dấu gói Phân loại gói

Bộ định tuyến IP

Nhiệm vụ 1

Các gói đến

2.2.2 Phân loại gói tin

Phân loại gói được sử dụng để nhóm các gói tin vào các lớp dịch vụ Điểm khởi tạo phân lớp lưu lượng có thể được đặt ở thiết bị đầu cuối Trong mạng các gói tin được lựa chọn dựa trên các trường chức năng trong tiêu đề gói sử dụng cho đánh dấu gói tin Có hai phương pháp phân loại đó là:

 Phân loại đa trường MF (Multi-Field)

 Phân loại kết hợp hành vi BA (Behavior Aggregate)

Trong phương pháp phân loại đa trường các gói tin được phân loại dựa trên

tổ hợp giá trị của một hoặc nhiều trường trong tiêu đề gói tin bao gồm: địa chỉ nguồn, địa chỉ đích, trường DS, định danh giao thức, cổng nguồn/đích, giao diện đầu vào

Phương pháp phân loại kết hợp hành vi BA thực hiện phân loại gói dựa trên trường chức năng chứa giá trị điểm mã dịch vụ phân biệt DSCP Chi tiết kỹ thuật phân loại này sẽ được trình bày trong mô hình DiffServ

2.2.3 Chính sách lưu lượng

Chính sách lưu lượng được sử dụng để kiểm tra các luồng lưu lượng gói tin đến trên các cổng đầu vào của bộ định tuyến có phù hợp với tốc độ lưu lượng đã được thoả thuận hay không Chính sách lưu lượng gồm có bộ đo lưu lượng để xác định lưu lượng ở đầu vào và đầu ra, trên cơ sở đó áp dụng chính sách điều khiển tốc độ lưu lượng phù hợp với lưu lượng đầu ra Thông thường chính sách lưu lượng kiểm tra tốc độ lưu lượng đầu vào theo một vài tham số lưu lượng như: tốc

độ thông tin cam kết CIR (Committed Information Rate), tốc độ thông tin đỉnh PIR (Peak Information Rate) hoặc một số tham số phụ: kích thước bùng nổ đỉnh PBS (Peak Burst Size), kích thước bùng nổ cam kết CBS (Committed Burst Size)

và kích thường bùng nổ vượt ngưỡng EBS (Excess Burst Size)

2.2.4 Quản lý hàng đợi tích cực

Trong các bộ định tuyến truyền thống thường sử dụng phương pháp loại bỏ

“đuôi” lưu lượng (Tail drop) trong hàng đợi Đây là hàng đợi thụ động, kiểu FIFO, các gói tin tự động bị loại bỏ khi hàng đợi đầy Ưu điểm cơ bản của

phương pháp này là xử lý đơn giản, tuy nhiên nó có thể gây ra các hiện tượng xấu ảnh hưởng tới đồng bộ

Kỹ thuật hàng đợi tích cực AQM (Active Queue Management) là kỹ thuật điều khiển chống tắc nghẽn, ý tưởng chính của AQM 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 Có ba kỹ thuật cơ bản là: kỹ thuật loại bỏ sớm ngẫu nhiên RED (Random Early Discarding), kỹ thuật loại bỏ sớm ngẫu nhiên theo trọng số WRED (Weighted Random Early Discarding) và thông báo tắc nghẽn hiện ECN (Explicit Congestion Notification) Dưới đây sẽ trình bày chi tiết hai kiểu hàng đợi là RED và WRED

2.2.4.1 Kỹ thuật loại bỏ gói ngẫu nhiên sớm RED

RED phát hiện sớm sự tắc nghẽn và loại bỏ gói ngẫu nhiên trong bộ đệm Hình 2.3 thể hiện nguyên lý hoạt động của kỹ thuật loại bỏ gói tin ngẫu nhiên sớm Như đã chỉ ra trên hình, thành phần trung tâm của RED chứa một thuật toán

dự đoán tắc nghẽn và hồ sơ loại bỏ gói

Chức năng của mô-đun dự đoán tắc nghẽn là thường xuyên giám sát kích thước hàng đợi để phát hiện sớm tắc nghẽn Tiếp cận đơn giản nhất là dựa vào

chiều dài hàng đợi (N) và xác định trạng thái dựa trên cơ sở hàng đợi đầy (so sánh với kích thước bộ đệm - B) Một phương pháp khác được sử dụng để dự

đoán tắc nghẽn là dựa trên thuật toán tính toán kích thước trung bình của hàng đợi Mỗi khi gói tin đến sẽ tính kích thước hàng đợi trung bình nN bằng bộ lọc thông thấp:

Trong đó B là kích thước của bộ đệm

Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của RED

Hồ sơ loại bỏ là phương pháp tham chiếu giữa % bộ đệm đầy và xác suất loại bỏ gói, khi  đạt một giá trị nào đó thì RED được kích hoạt, khi  đạt và vượt một giá trị lớn nhất đã định trước thì xác suất loại bỏ gói được chọn bằng 1 Khi đó, cơ chế loại bỏ gói chuyển sang phương pháp cắt đuôi lưu lượng

2.2.4.2 Kỹ thuật loại bỏ 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 cho tất cả các hàng đợi, WRED sử dụng nhiều hồ sơ loại bỏ gói cho một hàng đợi (ví dụ, 3

hồ sơ loại bỏ gói khác nhau có thể được sử dụng cho 3 loại gói khác nhau) Kỹ thuật RED và WRED liên quan tới các hoạt động loại bỏ gói trong hàng đợi mà không liên quan trực tiếp tới thiết bị đầu cuối

2.2.5 Lập lịch gói tin

Lập lịch gói tin là việc thiết lập thứ tự đưa các gói tin ra khỏi hàng đợi Kỹ thuật lập lịch là mấu chốt trung tâm của đảm bảo chất lượng dịch vụ và là thước

Mô-đun dự đoán tắc nghẽn Hồ sơ loại bỏ gói

tức thời N

đo công nghệ giữa các nhà cung cấp khác nhau Hình 2.4 chỉ ra nguyên lý của một dạng lập lịch

Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý lập lịch gói tin

Như hình 2.4, lập lịch gói được ứng dụng trên từng cổng đầu ra Các gói tin tại các cổng vào (1-n) được định tuyến tại các cổng đầu ra (1-m) theo đích và được xác định bởi bảng định tuyến trong bộ định tuyến Tại mỗi cổng đầu ra, các gói tin được phân loại và xếp hàng Lập lịch được áp dụng cho các hàng đợi tại một cổng đầu ra thực tế Một số kiểu hàng đợi thường sử dụng bao gồm: hàng đợi vào trước ra trước FIFO (First In First Out), hàng đợi có ưu tiên PQ (Priority Queueing), hàng đợi công bằng FQ (Fair Queuing), hàng đợi quay vòng có trọng

số WRR (Weighted Round Robin), hàng đợi công bằng có trọng số WFQ (Weighted Fair Queuing) và hàng đợi dựa theo lớp công bằng có trọng số (Class – based WFQ)

2.2.5.1 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

Phân loại gói

tự FIFO là kiểu hàng đợi đơn giản nhất không cần sử dụng thuật toán điều khiển FIFO đối xử với tất cả các gói tin theo cùng một cách vì vậy nó thích hợp với mạng cố gắng tối đa Mặt khác FIFO không cung cấp các dịch vụ phân biệt và tất

cả các luồng lưu lượng đều bị suy giảm chất lượng khi tắc nghẽn xảy ra

2.2.5.2 Hàng đợi có ƣu tiên PQ

Hàng đợi FIFO đặt tất cả các gói tin vào trong một hàng đợi đơn bất kể lớp lưu lượng nào Một cách đơn giản để để tạo ra sự phân biệt lớp lưu lượng là sử dụng hàng đợi có ưu tiên PQ Trong 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 lí khi không còn gói nào trong hàng đợi có thứ tự ưu tiên cao hơn (các hàng đợi từ 1 tới j-1)

Hình 2.5: Hàng đợi ưu tiên PQ

Giống như FIFO hàng đợi có ưu tiên có đặc điểm là rất đơn giản, nó cung cấp phương tiện đơn giản nhất để phân biệt lớp lưu lượng Nhược điểm của hàng đợi có ưu tiên là luôn hướng tới xử lí mức ưu tiên cao, nên có thể xảy ra tình huống trong đó các hàng đợi có mức ưu tiên thấp không có cơ hội để gửi gói tin

Ưu tiên 1

Ưu tiên N

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, gói tin sẽ được truyền ra khỏi hàng đợi

Hàng đợi công bằng rất đơn giản, nó không yêu cầu một kỹ thuật chỉ định băng thông phức tạp nào Nếu một hàng đợi mới được thêm vào N hàng đợi trước

đó, bộ lập lịch tự động đặt lại băng thông thực tế bằng 1/(N+1) Đơn giản chính là

ưu điểm của hàng đợi công bằng

Hình 2.6: Hàng đợi công bằng FQ

Hàng đợi công bằng có hai nhược điểm chính Thứ nhất là khi băng thông đầu ra được chia thành N hàng đợi 1/N, nếu có lớp lưu lượng đầu vào yêu cầu băng thông khác nhau thì FQ không thể phân bổ lại được băng thông đầu ra để đáp ứng yêu cầu đầu vào Thứ hai kích thước gói tin không được quan tâm trong

FQ, kích thước gói ảnh hưởng tới 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

2.2.5.4 Hàng đợi quay vòng có trọng số WRR

Hàng đợi quay vòng có trọng số WRR được đưa ra để giải quyết hai nhược điểm của hàng đợi công bằng FQ WRR chia băng thông cổng đầu ra với các lớp lưu lượng đầu vào phù hợp với băng thông yêu cầu Nguyên lí hoạt động của WRR được chỉ ra trong hình 2.7 Các luồng lưu lượng đầu vào được nhóm thành

Phân loại gói

Hàng đợi 1

Hàng đợi N

m lớp tương ứng với trọng số được xác định bởi băng thông yêu cầu Tổng trọng

số của các lớp bằng 100%

% 100

W

Trong đó m là số lớp lưu lượng, W i là % trọng số của lớp i

Hình 2.7: Hàng đợi quay vòng có trọng số WRR

Với mỗi một lớp, các luồng lưu lượng riêng được lập lịch theo nguyên tắc

hàng đợi công bằng FQ Đặt số lượng của hàng đợi FQ trong lớp i là N i, tổng số hàng đợi FQ trong lược đồ WRR được tính theo công thức dưới đây:





i i

N TotalFQ

 Khi bộ lập lịch thứ nhất dừng lại tại một lớp, bộ lập lịch quay vòng thứ hai

sẽ quay vòng trong các hàng đợi FQ

Phân loại gói

Băng thông cổng ra được tính theo % được gán vào lớp i, trọng số của lớp i (Wi) thể hiện thời gian tiêu tốn của bộ lập lịch cho lớp i Ví dụ, Wi = 20% nghĩa là

bộ lập lịch sẽ tiêu tốn 20% chu kỳ thời gian quay vòng cho lớp i Với hàng đợi

FQ trong lớp i, thời gian cho các hàng đợi là công bằng, vì vậy lượng thời gian cho một hàng đợi trong N i hàng đợi là 1/N i Trọng số cho mỗi hàng đợi FQ được tính theo công thức sau:

Wij = Wi x (1/Ni) Trong đó W ij là trọng số của hàng đợi thứ j trong lớp i, Wi là trọng số của lớp

i W W

so với WRR là cách sử dụng cơ chế công bằng có trọng số tại các lớp i thay vì sử

dụng cơ chế hàng đợi công bằng Tiếp cận này theo hướng mềm hoá hơn nữa đối với yêu cầu băng thông không đồng nhất

2.2.6 Định dạng lưu lượng (Traffic Shaping)

Định dạng lưu lượng là để điều hoà tốc độ luồng lưu lượng vào tại bộ đệm nhằm để đầu ra thay đổi “mềm mại” hơn Theo ý tưởng như vậy các hành vi lưu lượng được điều chỉnh theo các dạng lưu lượng đã được xác định trước, ví dụ theo các thoả thuận mức dịch vụ SLA Việc điều chỉnh tốc độ lưu lượng giống như quá trình dừng và đi, thời gian trễ tại bộ đệm sẽ làm các gói tin tại đầu ra được điều chỉnh theo yêu cầu Có hai dạng định dạng lưu lượng thường dùng là định dạng lưu lượng thuần và định dạng lưu lượng “giỏ thẻ bài”

2.2.6.1 Định dạng lưu lượng “thuần” (Pure traffic shaping)

Hình 2.8: Định dạng lưu lượng thuần

Hình 2.8 chỉ ra nguyên lý định dạng lưu lượng thuần Các gói tin đến được

đưa vào bộ đệm (“giỏ”) có độ sâu d, sau đó được gửi ra liên kết đầu ra với tốc độ bằng hằng số, tốc độ hằng số này được gọi là tốc độ rò r

Định dạng lưu lượng thuần giúp không gây ra bùng nổ lưu lượng trên các

mức đầu ra Thông thường tốc độ rò r luôn được chọn nhỏ hơn dải thông của đường truyền ra C (r<C) Tuy nhiên, với định dạng lưu lượng thuần, tốc độ rò r

có thể được đặt bằng hoặc xấp xỉ tốc độ lớn nhất của tốc độ đầu ra Nếu kích

thước bùng nổ gói tin đến vượt quá độ sâu của giỏ - d, thì các gói đến khi “giỏ”

đầy sẽ bị loại bỏ

2.2.6.2 Định dạng lưu lượng kiểu giỏ có sử dụng thẻ bài (Token bucket)

Hình 2.9: Định dạng lưu lượng bùng nổ kiểu giỏ có sử dụng thẻ bài

Hình 2.9 chỉ ra nguyên lý định dạng lưu lượng kiểu giỏ có sử dụng thẻ bài Các thẻ bài được đưa vào giỏ với tốc độ bằng hằng số, được gọi là tốc độ thẻ bài

r Tốc độ thẻ bài tương tự với tốc độ thông tin cam kết CIR Độ sâu của giỏ d thể

hiện kích thước bùng nổ cảm kết CBS Nếu giỏ đầy, không một thẻ bài nào được đưa vào giỏ

Mỗi một thẻ bài cho phép bộ đệm lưu lượng đầu vào gửi ra một byte dữ liệu Khi không còn gói nào trong bộ đệm được gửi ra, đáy của giỏ được đóng lại và không một thẻ bài nào được lấy ra Khi vẫn còn gói tin trong bộ đệm, thẻ bài

được rút ra theo tốc độ liên kết đầu ra (C) và các gói được chuyển tới đầu ra Nếu

giỏ xả hết các thẻ bài, các gói trong bộ đệm phải đợi cho đến khi các thẻ bài được đưa vào giỏ

Độ sâu của giỏ d

Kết quả của hoạt động này là các gói tin được chuyển tới liên kết đầu ra tại

tốc độ liên kết C Kích thước bùng nổ được giới hạn bởi độ sâu của giỏ d Khi các thẻ bài được đưa vào trong giỏ với tốc độ r, thì tốc độ trung bình dài hạn của gói tại đầu ra là r

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH DỊCH VỤ TÍCH HỢP INTSERV

3.1 Tổng quan IntServ

Ý tưởng ban đầu của dịch vụ tích hợp là hỗ trợ việc dành trước tài nguyên cho các luồng lưu lượng Trái ngược với kiến trúc chuyển phát datagram thông thường (các gói có thể đi qua các tuyến khác nhau để tới đích), dịch vụ tích hợp cho phép thiết lập một tuyến và dành trước tài nguyên trước khi gửi dữ liệu Điều này yêu cầu các bộ định tuyến phải có khả năng điều khiển các luồng lưu lượng

Có hai dịch vụ được định nghĩa:

 Dịch vụ đảm bảo - GS (Guaranteed Service) áp dụng cho các dịch vụ với yêu cầu về độ trễ của dịch vụ được xác định trước

 Dịch vụ tải được điều khiển - CLS (Controlled-Load Network Service) áp dụng cho các ứng dụng yêu cầu độ tổn thất gói thấp

Trong IntServ một luồng IP đơn lẻ được xác định bởi các tham số cơ bản sau:

Sau đó yêu cầu thiết lập dự trữ tài nguyên có thể được gửi tới mạng Nếu có cam kết việc dự phòng, luồng đó được đưa vào bảng dự phòng tài nguyên Khi

gói tin đến, khối nhận dạng luồng sẽ nhận dạng gói tin thuộc về luồng đặt trước

và đặt chúng vào trong hàng đợi phù hợp để nhận được dịch vụ yêu cầu

Trong quá trình truyền từ nguồn tới đích gói tin phải đi qua nhiều chặng Việc lựa chọn đường dẫn phù hợp cho chặng kế tiếp tại một nút là nhiệm vụ khó khăn do các hạn chế trong định tuyến IP truyền thống Bộ định tuyến IP thường

sử dụng các số đo như trễ, chặng (hop) hay một số thông số khác để tính toán đường đi ngắn nhất Tuy nhiên đường dẫn ngắn nhất có thể không có được khả năng truyền tải trong khi đó đường dẫn dài hơn lại có khả năng đó Vấn đề định tuyến có thể trở nên phức tạp bởi một số ứng dụng yêu cầu nhiều tham số QoS (ví

dụ về băng thông và các yêu cầu về tổn thất gói tin) Tìm kiếm đường dẫn phù hợp trong nhiều điều kiện ràng buộc rất phức tạp Chính vì lí do đó mô hình đảm bảo QoS cho gói tin IP đầu tiên này không yêu cầu gắn các cơ chế định tuyến đảm bảo QoS trong kiến trúc IntServ Kiến trúc này giả sử rằng khối chức năng định tuyến của bộ định tuyến sẽ thực hiện định tuyến theo từng chặng

3.2 Kiến trúc IntServ

Hình 3.1: Mô hình hoạt động dịch vụ tích hợp IntServ

IntServ có 4 thành phần, thành phần điều khiển việc chấp nhận, thành phần phân loại, lập lịch (3 thành phần này cung cấp việc điều khiển lưu lượng) và giao

Quản lý

chính sách

Điều khiển chấp nhận

Quản lý chính sách

Điều khiển chấp nhận

Bảng định tuyến

Phân loại Lập lịch

Tiến trình RSVP RESV Hướng đăng kí

PATH