Nghiên cứu chất lượng dịch vụ trong mạng MPLSVPN cho mạng truyền số liệu chuyên dùng của các cơ quan đảng và nhà nước

Nghiên cứu chất lượng dịch vụ trong mạng MPLSVPN cho mạng truyền số liệu chuyên dùng của các cơ quan đảng và nhà nước

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

NGUYỄN VIỆT CƯỜNG

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

Nghiên cứu chất lượng dịch vụ trong mạng MPLS/VPN cho mạng truyền số liệu chuyên dùng

của các cơ quan Đảng và Nhà nước

Chuyên ngành: TRUYỀN DỮ LIỆU VÀ MẠNG MÁY TÍNH

Mã số: 60.48.15

Người hướngdẫn KH: TS Nguyễn Thành Phúc

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI – NĂM 2011

MỞ ĐẦU

Chất lượng dịch vụ mạng luôn là vấn đề quan tâm của cả người sử dụng và nhà cung cấp dịch vụ Đảm bảo chất lượng dịch vụ và cung cấp các dịch vụ chất lượng cao luôn là tiêu chí hàng đầu của ngành viễn thông Theo dõi sự phát triển của ngành công nghệ viễn thông trong các năm trở lại đây, chúng ta có thể chứng kiến nhiều bước tiến lớn trong lĩnh vực này Với mục đích cung cấp cho người sử dụng các dịch vụ có chất lượng cao, quá trình phát triển đã bắt đầu từ công nghệ X25 vào cuối thập kỷ 70, đầu thập kỷ 80 Tiếp theo đó là công nghệ ATM trong thập kỷ 90, hướng tới mạng số băng rộng B-ISDN Theo thời gian, các công nghệ trên cũng không đáp ứng được hết các yêu cầu về chất lượng dịch vụ Công nghệ chuyển mạch gói IP ra đời, đây cũng là phương thức duy nhất áp dụng cho mạng Internet hiện nay Nhưng công nghệ IP không đảm bảo được chất lượng dịch vụ, tốc độ truyền tin theo yêu cầu Do đó, công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS đã ra đời, đáp ứng được các yêu cầu đó và nó đã thực sự chiếm lĩnh được thị trường viễn thông khó tính Sự ra đời của công nghệ MPLS được dự báo là xu hướng tất yếu khi nhu cầu và tốc độ phát triển rất nhanh của mạng Internet đòi hỏi phải

có một giao thức mới đáp ứng được tất cả các loại dịch vụ và đảm bảo chất lượng dịch vụ theo yêu cầu

Trước sự phát triển nhanh chóng của công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức và các yêu cầu về chất lượng dịch vụ, bản luận văn “Nghiên cứu chất lượng dịch vụ trong mạng MPLS/VPN” đã giới thiệu tổng quan về công nghệ MPLS, VPN, các tham số và các yêu cầu về chất lượng đối với từng kiểu dịch vụ khác nhau Bên cạnh đó, bản luận văn còn đi sâu vào thiết kế chất lượng dịch vụ cho từng loại dịch vụ trong mạng MPLS/VPN, các thiết lập QoS trong mô hình thực tế mạng truyền số liệu chuyên dùng của các cơ quan Đảng và Nhà nước Bố cục của luận văn gồm 4 chương:

 Chương 1 : Giới thiệu chung về MPLS /VPN

 Chương 2 : QoS cho mạng MPLS/VPN

 Chương 3 : Giải pháp QoS cho mạng truyền số liệu chuyên dùng của cơ quan

Đảng, Nhà nước

Đảm bảo và nâng cao chất lượng dịch vụ trong viễn thông, đáp ứng được các yêu cầu của khách hàng vẫn đang là những vấn đề khó khăn đối với các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông Do đó bản luận văn không tránh khỏi những sai sót Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo và các bạn

Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Nguyễn Thành Phúc người đã tận tình

hướng dẫn em trong suốt quá trình hoàn thành bản luận văn này

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MPLS /VPN

1.1.1 Các khái niệm

 Nhãn (Label):

Nhãn là một thực thể có độ dài ngắn và cố định được gắn vào một gói tin cụ thể sẽ đại diện cho một FEC (Forwarding Equivalence Classes: Nhóm chuyển tiếp tương đương) mà gói tin được ấn định Tuy nhiên nhãn không phải là mã hoá của địa chỉ đó Nhãn xác định đường đi mà gói tin có thể truyền qua Nhãn được đóng gói trong tiêu đề lớp 2 cùng với gói tin Bộ định tuyến kiểm tra các gói tin qua nội dung nhãn để xác định các bước chuyển kế tiếp Dạng của nhãn phụ thuộc vào phương thức truyền tin

mà gói tin được đóng gói

 Ngăn xếp nhãn (Lable stack):

Là một tập hợp thứ tự các nhãn gán theo gói để chuyển tải thông tin về nhiều FEC

và về các LSP tương ứng mà gói đi qua

 Bảng chuyển tiếp chuyển mạch nhãn:

Chứa thông tin về nhãn vào, nhãn ra, giao diện vào, giao diện ra

 Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn ( LSR-Lable Switching Router ):

Là thiết bị chuyển mạch hay thiết bị định tuyến sử dụng trong mạng MPLS để chuyển các gói tin bằng thủ tục phân phối nhãn

 Lớp chuyển tiếp tương đương ( FEC-Forward Equivalence Class ):

FEC là một nhóm các gói chia sẻ cùng yêu cầu trong sự chuyển tiếp chúng qua mạng Tất cả các gói trong một nhóm như vậy được cung cấp cùng cách chọn đường tới đích Khác với chuyển tiếp IP truyền thống, trong MPLS việc gán một gói cụ thể vào một FEC cụ thể chỉ được thực hiện một lần khi các gói vào trong mạng

 Cơ sở thông tin nhãn ( LIB-Label Information Base ):

Là bảng kết nối trong LSR có chứa giá trị nhãn/ FEC được gán vào cổng ra cũng như thông tin về đóng gói dữ liệu truyền tin để xác định phương thức một gói tin được chuyển tiếp

 Tuyến chuyển mạch nhãn ( LSP-Label Switching Path ):

Là tuyến tạo ra từ đầu vào đến đầu ra của mạng MPLS dùng để chuyển tiếp gói của một FEC nào đó sử dụng cơ chế hoán đổi nhãn Các tuyến chuyển mạch nhãn chứa một chuỗi các nhãn tại tất cả các nút dọc theo tuyến từ nguồn tới đích.Các nhãn được phân phối bằng các giao thức như LDP, RSVP

 Cơ cấu báo hiệu

 Yêu cầu nhãn: Một LSR yêu cầu một nhãn từ dòng xuống lân cận nên nó có thể liên kết đến FEC xác định Cơ cấu này có thể dùng để truyền đến các LSR tiếp theo cho đến LER lối ra

 Đáp ứng nhãn: Để đáp ứng một yêu cầu nhãn, LSR luồng xuống sẽ gửi một nhãn đến các bộ khởi động luồng lên sử dụng cơ cấu ánh xạ nhãn

Hình 1.4: Cơ cấu báo hiệu

1.1.2 Các giao thức cơ bản của MPLS

1.1.2.1 Giao thức phân phối nhãn

Giao thức phân phối nhãn được sử dụng trong quá trình gán nhãn cho các gói tin Giao thức LDP là giao thức điều khiển tách biệt được các LSR sử dụng để trao đổi và điều phối quá trình gián nhãn/ FEC Giao thức này là một tập hợp thủ tục trao đổi các nhãn bản tin cho phép các LSR sử dụng giá trị nhãn thuộc FEC nhất định để truyền gói tin

Việc trao đổi các bản tin LDP có thể được khởi phát bởi sự xuất hiện của luồng số liệu đặc biệt, bản tin lập dự trữ RSVP hay cập nhật thông tin định tuyến Khi một cặp LSR đã trao đổi bản tin LDP cho một FEC nhất định thì một đường chuyển mạch LSP từ đầu vào đến đầu ra được thiết lập sau khi mỗi LSR ghép nhãn đầu vào nới đầu ra tương ứng trong LIB của nó

a) Các bản tin LDP

 Tiêu đề bản tin LDP

 Phiên bản: Số phiên bản của giao thức, hiện tại là phiên bản 1

 Độ dài PDU: Tổng độ dài của PDU tính theo octet, không tính trường phiên bản

và trường độ dài

 Nhận dạng LDP: Nhận dạng không gian nhãn của LSR gửi bản tin này Bốn octet

đầu tiên chứa địa chỉ IP được gán cho LSR: nhận dạng bộ định tuyến Hai octet cuối nhận dạng không gian nhãn bên trong LSR.Với LSR có không gian nhãn lớn, trường này có giá trị bằng 0

Tất cả các bản tin LDP có khuôn dạng sau:

U Kiểu bản tin Độ dài bản tin

ID bản tinThông số bắt buộcThông số tùy chọn

Hình 1.7: Khuôn dạng các bản tin LDP

 Bit U: bit bản tin chưa biết Nếu bit này bằng 1 thì nó không thể được thông dịch

bởi phía nhận, lúc đó bản tin bị bỏ qua mà không có phản hồi

 Kiểu bản tin: Chỉ ra kiểu bản tin là gì

 Chiều dài bản tin: Chỉ ra chiều dài của các phần nhận dạng bản tin, các thông số

bắt buộc, và các thông số tuỳ chọn

 Nhận dạng bản tin: là một số nhận dạng duy nhất bản tin Trường này có thể được

sử dụng để kết hợp các bản tin Thông báo với một bản tin khác

 Thông số bắt buộc, và Thông số tuỳ chọn : tuỳ thuộc vào từng bản tin LDP

c) Các bản tin và chức năng của bản tin trong LDP:

Bao gồm 11 bản tin LDP

 Bản tin thông báo: được sử dụng bởi một LSR để thông báo với các LSR đồng cấp

khác về trạng thái mạng là đang trong điều kiện bình thường hay bị lỗi

 Bản tin Hello: Bản tin này dùng để trao đổi giữa 2 LDP đồng cấp

 Bản tin Initilization: Các bản tin thuộc loại này được gửi khi bắt đầu một phiên

LDP giữa 2 LSR để trao đổi các tham số, các đại lượng tuỳ chọn cho phiên Các tham số này bao gồm: chế độ phân phối nhãn, các giá trị định thời, phạm vi các nhãn sử dụng trong kênh giữa 2 LSR

 Bản tin Keep Alive: Bản tin này dùng để trao đổi giữa các thực thể đồng cấp để

giám sát tính ổn định và liên tục của việc hỗ trợ của một kết nối TCP trong một phiên LDP

 Bản tin Address: Bản tin này được gửi đi bởi một LSR tới các LDP đồng cấp để

thông báo các địa chỉ giao diện của nó Một LSR khác nhận bản tin mang địa chỉ này để duy trì cơ sở dữ liệu để ánh xạ trường nhận dạng và các địa chỉ chặng tiếp theo giữa các LDP đồng cấp

 Bản tin Address Withdraw: Bản tin này dùng để xoá địa chỉ đã được thông báo

trước đó Danh sách địa chỉ LTV chứa một loạt các địa chỉ đang được yêu cầu cần xoá bỏ bởi LSR

 Bản tin Lable Mapping: Các bản tin ánh xạ nhãn được sử dụng để quảng bá liên

kết giữa FEC ( tiền tố địa chỉ ) và nhãn giữa các thực thể đồng cấp Bản tin này được sử dụng khi có sự thay đổi trong bảng định tuyến (thay đổi tiền tố địa chỉ) hay thay đổi trong cấu hình LSR tạm dừng việc chuyển nhãn các gói trong FEC

đó

 Bản tin Lable Withdraw: Bản tin này có nhiệm vụ ngược lại so với bản tin ánh xạ

địa chỉ, được sử dụng để xoá bỏ các kiên kết giữa các FEC và các nhãn vừa thực hiện Bản tin này được gửi tới một thực thể đồng cấp để thông báo rằng nút không còn tiếp tục sử dụng các liên kết nhãn-FEC mà LSR đã gửi trước đó

 Bản tin Lable Request: Bản tin yêu cầu nhãn được LSR sử dụng để yêu cầu một

LDP đồng cấp cung cấp một sự kết hợp nhãn cho một FEC

 Bản tin giải phóng nhãn: Bản tin này được LSR sử dụng khi nhận được chuyển

đổi nhãn mà nó không cần thiết nữa, LSR sẽ phát bản tin giải phóng nhãn

 Bản tin Lable Abort Request: Bản tin này được sử dụng để lạo bỏ các bản tin yêu

cầu nhãn bất thường

d) Các chế độ phân phối nhãn:

Chúng ta đã biết một số chế độ hoạt động trong việc phân phối nhãn như: không yêu cầu phía trước, theo yêu cầu phía trước, điều khiển LSP theo lệnh hay tự lập, duy trì tiên tiến hay lưu giữ Các chế độ này được thoả thuận bởi LSR trong quá trình khởi tạo phiên LDP

1.1.2.2 Giao thức dành trước tài nguyên RSVP (Resource Reservation Protolcol )

RSVP là giao thức báo hiệu đóng vai trò quan trọng trong mạng MPLS, được sử dụng để dành trước tài nguyên cho một phiên truyền trong mạng Internet Nó cho phép các ứng dụng thông báo về các yêu cầu chất lượng dịch vụ với mạng và mạng sẽ đáp ứng bằng các thông báo thành công hay thất bại

RSVP yêu cầu các máy nhận lưu lượng về yêu cầu chất lượng dịch vụ QoS cho luồng dữ liệu Các ứng dụng tại máy nhận phải giải quyết các thuộc tính QoS sẽ được truyền tới RSVP Sau khi phân tích các yêu cầu này, RSVP được sử dụng để gửi các bản tin tới tất cả các nút nằm trên tuyến đường của gói tin

RSVP là giao thức riêng ở mức IP Nó sử dụng các gói dữ liệu IP hoặc UDP ở phần biên của mạng để thông tin giữa các LSR đồng cấp Nó không đòi hỏi duy trì phiên TCP, nhưng sau phiên này nó phải xử lý những mất mát của các bản tin điều khiển

RSVP mang thông tin trong đó có hai loại cơ bản là PATH và RESV để xác định luồng và các QoS cho luồng

Một đặc điểm nữa cần phải nhắc đến đối với giao thức này đó là RSVP là giao thức

“trạng thái mềm” Nó khác với các lạo giao thức khác là trạng thái sẽ tự động hết hiệu lực sau một thời gian trừ khi nó được làm tươi theo định kỳ

Thiết bị kết nối các site khách hàng tới mạng P được gọi là các thiết bị khách hàng

CE (customer edge device), sau đó các CE nối tới các thiết bị của nhà cung cấp dịch vụ

PE (provider edge devices)

1.2.2 Các thiết bị trong mạng MPLS VPN

- MPLS core Router (P) : Core router là các router cung cấp dịch vụ (P router),

không duy trì bất kỳ tuyến VPN nào, và không kết nối trực tiếp tới Router của khách hàng

- MPLS router biên (PE) : Các router biên PE duy trì các tuyến VPN cho các khách

hàng Chúng tương đương với router biên khách hàng (CE) và có giao diện kết nối với

router core của nhà cung cấp dịch vụ Các router PE ngang hàng với các router P hoặc kết nối trực tiếp với các router PE khác

- Router biên khách hàng (CE) : các router biên khách hàng không hỗ trợ MPLS và

có thể sử dụng các phương thức định tuyến để kết nối đạt hiệu quả Các router CE không bao giờ kết nối trực tiếp tới router P

1.2.3 Truyền và định tuyến trong MPLS VPN

Mỗi VPN sẽ có một hoặc nhiều trường hợp truyền và định tuyến VPN riêng (VRF) Một VRF gồm bảng định tuyến IP, bảng CEF (Cisco Express Forwarding)

Mỗi side khách hàng có thể kết nối với nhiều VPN, tuy nhiên một VRF chỉ có thể định nghĩa một VPN và nó chứa tất cả các tuyến kết nối tới khác hàng từ các VPN khác Mỗi khách hàng VPN có thể sử dụng một dải IP riêng, nhưng nếu hai khách hàng VPN muốn kết hợp chung vào mạng extranet thì địa chỉ phải khác nhau để tránh trường hợp xung đột địa chỉ

Các PE sẽ sử dụng bảng định tuyến IP global để chuyển các gói tin Các bảng định tuyến và chuyển tiếp VRF được sử dụng để chuyển tiếp thông tin bên trong một VPN Do mỗi router PE có nhiều VRF, nên sự kết hợp của bảng VRF và CEF được xem như router

ảo trong router PE vật lý Mỗi giao diện trên PE sẽ liên quan tới một VRF riêng, các thông tin định tuyến sẽ được học thông qua các giao diện này

Router PE có thể học prefix IP từ các router CE qua các phiên BGP hoặc qua các giao thức RIPv2, OSPF Sau khi học được IP prefix, PE sẽ chuyển phần tiêu đề này sang VPN-Ipv4 bằng cách gán thêm 64 bit RD (route distinguisher), tạo ra 96 bit prefix trong địa chỉ VPN – Ipv4 Giao thức BGP cho phép chuyển các thông tin định tuyến giữa các router mà không cần chúng phải kết nối trực tiếp với nhau Đây là giao thức mềm dẻo thường được sử dụng trong các mạng MPLS/VPN BGP sẽ phân phối thông tin mào đầu VPN-Ipv4 cho mỗi VPN BGP có thể hoạt động ở cả hai mức : trong cùng hệ thống tự trị (IBGP) và giữa các hệ thống tự trị khác (EBGP) Các phiên giữa PE-PE sử dụng IBGP, còn giữa PE-CE thì sử dụng EBGP

1.2.4 Ưu điểm của MPLS / VPN

- Khả năng mở rộng : MPLS VPN cho phép khả năng mở rộng và phát triển mạng

lớn Có thể có hàng chục nghìn kết nối VPN qua mạng chung

- Bảo mật : MPLS VPN có tính bảo mật cao, tương tự như các VPN có hướng (ATM

hoặc Frame Relay) Các gói trong VPN này không thể truyền sang VPN khác Bảo mật được thiết lập tại biên của mạng, cho phép các gói nhận được từ khách hàng sẽ được truyền theo đúng VPN đã cho

- Tạo / Xoá VPN đơn giản : Các VPN có thể được thêm hoặc bớt dễ dàng tuỳ theo

yêu cầu của khách hàng Việc này được thực hiện bởi người quản trị

- Mềm dẻo trong việc tạo địa chỉ : Do mỗi khách hàng có VPN riêng, nên mỗi khách

hàng có thể tự thiết kế dải địa chỉ riêng, độc lập với khách hàng khác Các khách hàng ở đầu xa thuộc cùng VPN sẽ kết nối được với nhau

- Kiến trúc mở : cho phép nhiều nhà cung cấp kết nối, và nhiều thiết bị của hãng khác

nhau kết nối

- Mạng MPLS hỗ trợ QoS mềm dẻo

- Tập trung các loại dịch vụ : VPN xây dựng trên layer 3, cho phép truyền tải nhiều

loại dịch vụ từ phía khách hàng qua mạng

Trong chương này trình bày một số khái niệm cơ bản về MPLS và MPLS/VPN, quá trình định tuyến chuyển gói tin trong mạng MPLS Cấu trúc và các loại gói tin MPLS, phương thức đóng gói tin trong mạng giúp hiểu rõ hơn phương thức hoạt động của mạng MPLS Chương này cũng giới thiệu về các giao thức cơ bản của MPLS như giao thức phân phối nhãn (LDP), giao thức dành trước tài nguyên, giao thức BGP Phương thức hoạt động của MPLS VPN, tính bảo mật và những ưu điểm, nhược điểm của mạng MPLS VPN Chính những ưu điểm của mạng MPLS VPN như : khả năng mở rộng, tạo VPN đơn giản, kiến trúc mềm dẻo,…là lý do khiến mạng MPLS VPN ngày càng chiếm

ưu thế hơn so với các mạng khác

CHƯƠNG 2

QOS CHO MẠNG MPLS/VPN

2.1.1 Kiến trúc cơ bản của QoS

Kiến trúc cơ bản của QoS bao gồm 3 mảng cơ bản :

- Định dạng QoS và kỹ thuật đánh dấu cho phép phối hợp QoS từ điểm đầu tới điểm cuối giữa từng thành phần mạng

- QoS trong từng thành phần mạng đơn (các công cụ hàng đợi , lập lịch , định dạng lưu lượng)

- Cách giải quyết , điều khiển QoS , các chức năng tính toán để điều khiển và giám sát lưu lượng đầu cuối qua mạng

2.1.2 Các tham số của QoS

Latency (Độ trễ khi truyền gói tin qua mạng)

Trễ và latency là chỉ số thời gian để truyền tải một bit qua mạng từ nguồn tới đích Trễ được tạo ra do khoảng cách truyền, các lỗi, lỗi khôi phục, tắc nghẽn, khả năng xử lý của mạng bao gồm truyền dẫn và các nhận tố khác

Có nhiều dịch vụ, đặc biệt là dịch vụ thời gian thực như truyền thông thoại bị ảnh hưởng rất nhiều bởi trễ Có nhiều thành phần gây trễ trong mạng cần được tìm hiểu:

- Trễ đóng gói :

Là lượng thời gian thực hiện mã hoà, giải mã để chuyển đổi hai chiều giữa tương tự

và số, thời gian thực hiện đóng gói và mở gói

- Trễ lan truyền :

Là lượng thời gian để thông tin truyền liên kết là dây đồng, sợi quang hay không dây Nó là hàm của tốc độ ánh sáng

- Trễ hàng đợi :

Là thời gian gói tin chờ trong hàng đợi để đợi đến lượt mình được xử lý

Mất gói tin (Loss)

Là hiện tượng khi các gói truyền trong mạng không đến được phía thu Đây cũng là một tham số quan trọng của QoS Nó thường xảy ra khi xuất hiện tắc nghẽn trên đường truyền các gói, làm cho bộ đệm của router bị tràn Việc mất gói này gây ra mất mát thông tin phía thu, tạo ra trễ khi phải truyền lại các gói bị mất hay truyền thông tin thông báo

Jitter

Jitter là sự khác biệt về trễ của các gói khác nhau trong cùng một dòng lưu lượng biến động trễ có tần số cao gọi là các jitter, còn biến động trễ có tần số thấp gọi là wander Jitter chủ yếu là do thời gian xếp hàng của các gói liên tiếp trong một luồng và là vấn đề quan trọng nhất của QoS

Throughput

Là tốc độ luồng thông tin qua mạng (đơn vị kbps, bps,…) Bình thường trong môi trường mạng LAN, băng thông càng lớn càng tốt Đối với từng loại mạng khác nhau cho phép tốc độ luồng thông qua và kích thước gói tin khác nhau

Availability

Là tỉ lệ thời gian mạng hoạt động Độ khả dụng đạt được thông qua sự kết hợp của

độ tin cậy thiết bị với khả năng sống của mạng Độ khả dụng là một tính toán chính xác suất

2.1.3 Các mô hình tổng quan QoS

* Dịch vụ tích hợp IntServ

Đứng trước nhu cầu ngày càng tăng trong việc cung cấp dịch vụ thời gian thực (thoại, video) và băng thông cao (đa phương tiện), dịch vụ tích hợp IntServ đã ra đời Đây là sự phát triển của mạng IP nhằm đồng thời cung cấp dịch vụ truyền thống Best Effort và các dịch vụ thời gian thực

Mô hình IntServ cho phép nhà cung cấp mạng tung ra những dịch vụ tốt nhất, khác biệt với các đối thủ cạnh tranh khác

Hình 2.1: Mô hình mạng IntServ

Trên thực tế giao thức RSVP là giao thức duy nhất dùng để báo hiệu cho mô hình IntServ Vì thế đôi khi người ta lầm lẫn dùng RSVP để nói về IntServ.Thật ra, IntServ là kiến trúc hỗ trợ chất lượng dịch vụ mạng, còn RSVP là giao thức báo hiệu cho IntServ Ngoài giao thức báo hiệu, mô hình tích hợp dịch vụ còn định nghĩa thêm một số lớp dịch vụ

Các bộ định tuyến phải có khả năng thực hiện các công việc sau:

• Kiểm soát (bằng các policing): kiểm tra TSpec của luồng lưu lượng; nếu không phù hợp thì loại bỏ luồng

• Điều khiển chấp nhận: kiểm tra xem tài nguyên mạng có đáp ứng được yêu cầu của ứng dụng hay không Nếu không thể đáp ứng, mạng sẽ từ chối

• Phân lớp (Classification): phân loại gói dữ liệu căn cứ vào mức yêu cầu chất lượng dịch vụ của gói

• Hàng đợi và lập lịch (queuing and scheduling): đưa gói dữ liệu vào hàng đợi tương ứng và quyết định hủy gói dữ liệu nào khi xảy ra xung đột

* Giao thức dành trước tài nguyên RSVP

- RSVP là giao thức báo hiệu cung cấp thủ tục để thiết lập và điều khiển quá trình chiếm giữ tài nguyên, hay nói cách khác RSVP cho phép các chương trình ứng dụng thông báo cho mạng những yêu cầu về mức chất lượng dịch vụ; và mạng sẽ hồi đáp chấp nhận hoặc không chấp nhận yêu cầu đó

- Các bản tin RSVP được các bộ định tuyến hay các bộ chuyển mạch trên liên kết

giữa hai đầu cuối gửi và nhận trao đổi với nhau để đáp ứng yêu cầu về mức chất lượng

dịch vụ của ứng dụng

- RSVP đóng vai trò quan trọng trong quá trình triển khai việc chuyển tải nhiều dịch

vụ như: âm thanh, hình ảnh và dữ liệu trong cùng một hạ tầng mạng Các ứng dụng có thể

lựa chọn nhiều mức chất lượng dịch vụ khác nhau cho luồng lưu lượng của mình

* Kiến trúc IntServ

- Cấu trúc của các bộ định tuyến và các bộ chuyển mạch có hỗ trợ RSVP trong mạng

Hình 2.2: Mô hình dịch vụ IntServ

- Như vậy ta thấy cấu trúc gồm các khối:

• Khối điều khiển lưu lượng bao gồm: bộ phân loại (Classifier), bộ lập lịch gói

(scheduler)

• Khối điều khiển thu nhận và thiết lập dự trữ (set up)

- Đầu tiên các ứng dụng đưa ra yêu cầu lớp dịch vụ: đảm bảo dịch vụ hoặc kiểm soát

tải đồng thời đặt đường dẫn và chiếm giữ tài nguyên mạng cho việc truyền dữ liệu Khối

điều khiển thu nhận sẽ xem xét có thể đáp ứng được các yêu cầu mà dịch vụ đưa ra hay

không Bộ phân loại tiến hành phân loại và đưa các gói dữ liệu nhận được vào hàng đợi

riêng Bộ lập lịch sẽ lập cách xử lý để đáp ứng yêu cầu về chất lượng dịch vụ

Hình 2.3: Trao đổi thông tin với IntServ

Các ứng dụng đưa ra yêu cầu mức chất lượng dịch vụ dành cho luồng lưu lượng xác định qua giao diện dịch vụ ứng dụng Bộ điều khiển thu nhận và thiết lập dự trữ đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng bằng cách tạo ra các bản tin của giao thức RSVP yêu cầu chiếm giữ tài nguyên Tại mỗi bộ định tuyến, khối điều khiển thu nhận sẽ tiến hành quá trình điều khiển chấp nhận kết nối, quyết định xem có thể đáp ứng được yêu cầu chất lượng dịch vụ mà ứng dụng đưa ra hay không Nếu được, bộ định tuyến sẽ dựa vào thông tin trong bản tin RSVP để cấu hình cho bộ điều khiển lưu lượng

* Dịch vụ phân biệt DiffServ

- Mỗi thiết bị định tuyến sẽ lưu giữ một bảng ánh xạ giá trị DSCP của gói với giá trị PHB, từ đó xác định phương thức xử lý gói

Hình 2.5: Mô hình DiffServ tại biên và mạng lõi

* Sự khác nhau giữa IntServ và DiffServ

Trong một mạng sử dụng QoS, chúng ta có thể không cần dùng đến IntServ hay DiffServ mà mạng vẫn chạy bình thường, tuy nhiên nếu có ứng dụng DiffServ hay

IntServ vào thì sẽ cho kết qua tốt hơn nhiều, và có thể đảm bảo chất lượng dịch vụ cao hơn

DiffServ ra đời để khắc phục các khuyết điểm của IntServ, giữa chúng có những sự khác nhau:

Bảng 2.1 : Sự khác nhau giữa DiffServ và IntServ

Không dùng bất kì giao thức báo

hiệu nào để dành trước băng thông

mạng, do vậy tiết kiệm được băng

thông mạng

Dùng giao thức báo hiệu RSVP để dành trước băng thông mạng, do đó sẽ tốn tài nguyên mạng vô ích

Có thể sử dụng cho mạng lớn và cả

mạng nhỏ với số lưu lượng rất lớn

Chỉ có thể sử dụng cho mạng cỡ nhỏ với số lượng lưu lượng nhỏ

Ít tốn tài nguyên mạng Tốn nhiều tài nguyên mạng

Xét ưu tiên gói trên từng chặng Khởi tạo một kênh truyền trước khi

truyềnKhả năng mở rộng mạng cao và

- Để có thể phân loại được gói tin, thông thường phải kiểm tra một số trường trong headers, sau khi phân loại, một QoS tool sẽ đưa gói tin vào hàng đợi thích hợp

Hình 2.6: Mô hình phân loại gói tin

Việc phân loại được thực hiện ở tất cả các router trên links kết nối

2.2.2 Đánh dấu

- Việc đánh dấu được thực hiện sau khi đã phân loại gói tin Một số bộ mô tả lưu lượng được sử dụng để đánh dấu gói như: lớp dịch vụ (CoS), DSCP, độ ưu tiên IP, nhóm QoS, chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS)

- Việc đánh dấu gói hay khung cùng với việc phân loại cho phép thiết bị mạng dễ dàng phân biệt các gói hay khung đã được đánh dấu

- Việc đánh dấu thường xảy ra tại lối vào của interface

Bảng 2.2 : Một số trường dùng để đánh dấu gói tin

2.2.3 Kỹ thuật hàng đợi

Vì tốc độ xử lý các gói tin của router là chậm hơn nhiều so với số lượng gói tin đến

và cần truyền đi, vì vậy các gói tin cần phải xếp hàng và đợi trong một hàng dài nếu như không muốn bị mất, do đó kĩ thuật hàng đợi cần được áp dụng cho các router Thường thì hàng đợi chỉ xảy ra ở lối ra của router khi đó ta gọi là hàng đợi lối ra (output queuing), nhưng đôi khi hàng đợi cũng xảy ra ở lối vào ta gọi là hàng đợi lối vào (input queuing)

Hình 2.7: Hàng đợi trong router

Hình trên là một ví dụ về hàng đợi, lối vào với 4 gói tin kích thước 1500 byte mỗi gói, ở đây ta có hai hàng đợi :hàng thứ 1 đang có 3 gói tin đang chờ và băng thông của hàng này là 25% tổng băng thông, hàng thứ 2 chỉ có 1 gói tin đang chờ với băng thông là 75% Gói tin nào được gởi trước là tùy thuộc vào mức độ ưu tiên của hàng đợi đó và hàng đợi đó như thế nào so với các hàng đợi khác

 First In-First Out Queuing:

- Hàng đợi FIFO không có sự phân loại vì tất cả các gói đều thuộc về cùng một lớp Một bộ định tuyến hay bộ chuyển mạch cần các hàng đợi xuất để giữ các gói trong khi chờ bộ giao tiếp sẵn sàng gửi gói Trong khi các công cụ hàng đợi khác thể hiện các tính năng khác, như sắp xếp trật tự các gói, hàng đợi FIFO chỉ cung cấp một ý nghĩa giữ các gói trong khi chúng chờ để rời khỏi một cổng giao tiếp (interface) Hàng đợi FIFO sử dụng một hàng đợi đơn cho bộ giao tiếp Vì chỉ có một hàng đợi nên không cần phân lớp

để quyết định khi gói đi vào Và cũng không cần lập lịch ban đầu để cho hàng đợi lấy gói tiếp theo Chỉ quan tâm đến cách cấu hình chiều dài hàng đợi FIFO tránh tác động đến độ trễ và mất gói

- Hàng đợi FIFO sử dụng kỹ thuật hủy gói cuối hàng đợi để quyết định khi nào bỏ gói hay cho gói vào hàng đợi Nếu cấu hình một hàng đợi dài hơn, nhiều gói có thể đặt trong hàng đợi, nghĩa là hàng đợi ít khả năng đầy Nếu không gian hàng đơi còn trống nhiều thì gói ít bị mất Tuy vậy, với một hàng đợi dài, độ trễ và độ biến động trễ của gói tăng Với hàng đợi ngắn, độ trì hoãn ít xuất hiện hơn, nhưng hàng đợi FIFO đơn sẽ đầy nhanh chóng, lúc này các gói mới sẽ bị hủy bỏ

Hình 2.8: Hàng đợi FIFO

 Priority Queuing

- Tính năng đặc biệt của PQ là ở bộ lập lịch PQ lập lịch lưu lượng đảm bảo hàng đợi

ưu tiên luôn được phục vụ trước Với 4 mức ưu tiên: cao, trung bình, bình thường, và thấp Nếu hàng đợi ưu tiên cao luôn có một gói đang chờ, bộ lập lịch luôn luôn lấy các gói trong hàng đợi ưu tiên cao Nếu hàng đợi ưu tiên cao không có gói nào đang chờ nhưng có trong hàng đơi ưu tiên trung bình, một gói trong hàng đợi này sẽ được lấy và tiến trình cứ như thế tiếp tục

- Bộ lập lịch PQ có một số thuận lợi và hạn chế Các gói trong hàng đợi ưu tiên cao

có thể đạt 100% băng thông liên kết, với độ trì hoãn nhỏ và độ biến động trễ nhỏ Thật ra, khi nghẽn mạch, các gói trong hàng đợi ưu tiên thấp tốn nhiều thời gian phục vụ Khi liên kết tắc nghẽn, các ứng dụng người dùng có thể ngừng làm việc nếu các gói đặt trong hàng đợi ưu tiên thấp

- PQ phân lớp các gói dựa trên nội dung của các tiêu đề Nó sử dụng tối đa 4 hàng đợi Chỉ áp dụng chính sách hủy gói cuối hàng đợi (tail drop), mặt khác sau khi phân lớp các gói, nếu hàng đợi tương ứng đầy, các gói bị bỏ Mặt khác, chiều dài mỗi hàng đợi là nguyên nhân ảnh hưởng đến độ trễ và mất gói Thật ra, PQ có thể thiết lập chiều dài hàng đợi trở về giá trị 0, có nghĩa là chiều dài hàng đợi “không giới hạn” (“không giới hạn” có nghĩ là khi bộ định tuyến ra ngoài vùng nhớ, các gói không thể lập lịch, tuy nhiên chúng

ta gặp vấn đề rắc rối hơn việc lập lịch cho gói nếu bộ định tuyến ngoài vùng nhớ.)

Hình 2.9: Tiến trình gởi gói tin của hàng đợi ưu tiên (PQ)

 Custom Queuing

Custom Queuing (CQ) là kĩ thuật hàng đợi ra đời sau PQ, không giống như PQ, CQ

sẽ phục vụ cho tất cả các hàng đợi có trong interface của nó thậm chí khi sảy ra nghẽn mạng CQ có tất cả 16 hàng đợi, như vậy nó cho phép tối đa 16 lớp dịch vụ (vừa đủ cho các loại dịch vụ ngày nay) CQ còn không cung cấp cho một hàng đợi đặc biệt nào đó có mức ưu tiên cao hơn các hàng đợi khác và cũng không ưu tiên hàng đợi nào có low delay, low jitter, low loss…Nó cung cấp băng thông như nhau cho mỗi hàng đợi

Hình 2.10: Tiến trình gửi gói tin của hàng đợi CQ

CQ sẽ kiểm tra lần lượt các hàng đợi, bắt đầu từ hàng đợi thứ 1, CQ sẽ lấy gói tin từ hàng đợi này cho tới khi số gói tin mà nó lấy vượt quá hoặc bằng giá trị cho phép, sau khi hàng đợi này đã được phục vụ với số gói tin nhu trên hoạc hàng đợi này không có gói tin thì CQ sẽ chuyển qua phục vụ cho hàng đợi kế tiếp và quá trình lặp lại như trên

Đặc điểm của CQ :

+ Không thích hợp cho các mạng cần low delay, low jitter,

+ Không thể dành trước băng thông cho link

+ Không cung cấp hàng đợi ưu tiên

+ Không thích hợp cho Voice

+ Cho phép các hàng đợi được phục vụ xoay vòng

+Cho phép các hàng đợi bình đẳng nhau

 Weighted Fair Queuing

WFQ là kĩ thuật hàng đợi mặc định trong router Cisco, nó khác với các hàng đợi PQ

và FIFO ở các điểm sau:

+ Nó không cho phép cấu hình phân loại, WFQ phân loại gói tin theo flow, một flow bao gồm nhiều gói tin có cùng đích đến và cùng nguồn, cùng port đích và port nguồn hững flow nào có độ ưu tiên cao hơn thì sẽ được phát trước

+ Mỗi flow là một hàng đợi, vì vậy số hàng đợi trong WFQ có thể lên tới 4096 hàng đợi lớn hơn rất nhiều so với PQ hay FIFO

Với WFQ ta có tối đa là 4096 hàng đợi trong 1 interface của router, số hàng đợi này cũng chính là số flow chảy vào router Ví dụ: ta có 5 flow là Voice, 2 kết nối HTTP, 2 kết nối FTP thì khi đó ta sẽ có 5 hàng đợi trong router, như vậy số hàng đợi thay đổi theo số flow, chúng không cố định như trong các kĩ thuật khác

Hình 2.11: Cách lấy gói tin của WFQ

Khi gói tin vào interface, nó sẽ được phân loại thành các flow theo 5 thông số: + IP source

Hình 2.12: Tiến trình gửi gói tin của WFQ

Tiếp theo các gói tin nếu không bị drop sẽ đưa vào hàng đợi và chờ phát đi Khi nằm trong hàng đợi các gói tin sẽ được lập lịch (scheduler logic), quá trình lập lịch dựa vào SN của gói tin, precedent và volume (số gói tin đang có trong một hàng đợi)

+ Những gói tin có SN càng nhỏ, precedent càng lớn, và volume càng nhỏ sẽ được chọn forward trước

+ Thứ tự ưu tiên như sau: Đầu tiên là SN, sau đó là precedent, và cuối cùng là volume

 Class-Based Weighted Fair Queuing

Class-Based Weighted Fair Queuing (CBWFQ) là kĩ thuật hàng đợi ra đời sau WFQ, nó giống với WFQ ở chỗ: Cho phép sử dụng WFQ ngay bên trong một hàng đợi của nó, nhưng khác với WFQ ở chỗ: CBWFQ sử dụng Class để phân loại còn WFQ sử dụng flow

WRED là kĩ thuật hàng đợi dùng để chống nghẽn, nó tốt cho một số loại dữ liệu nhưng cũng không tốt cho các dữ liệu như Voice hay Video vì các dữ liệu này cần không

bị rớt trong mọi trường hợp CBWFQ vượt trội hơn các hàng đợi WFQ ở chỗ: Nó phân loại gói tin theo Class chứ không theo flow, như vậy dễ dàng cho ta thiết kế hơn

Đặc tính của CBWFQ :