Nâng cao chất lượng dịch vụ mạng internet

3.2 Áp dụng các bài đo Chất lượng dịch vụ có phân loại tiêu biểu vào mạng thực tế của Bưu điện thành phố Hồ Chí Minh .... Trước sự bùng nổ về số lượng và chủng loại dịch vụ thông tin trê

Trần Anh Tuấn

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ

MẠNG INTERNET

Ngµnh: C«ng NghÖ §iÖn tö - ViÔn th«ng Chuyªn ngµnh: Kü thuËt v« tuyÕn ®iÖn tö vµ th«ng tin liªn l¹c M· sè: 2.07.00

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ng-êi h-íng dÉn khoa häc: PGS.TS NguyÔn C¶nh TuÊn

Hµ Néi – 2007

DANH MỤC HÌNH VẼ viii

MỞ ĐẦU……… x

CHƯƠNG 1: SỰ PHÁT TRIỂN CỦA MẠNG INTERNET VÀ YÊU CẦU VỀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ - CÁC MÔ HÌNH CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ (QoS) 1

1.1 Giới thiệu mạng Internet và chất lượng dịch vụ IP (IP QoS) 1

1.2 Lịch sử chất lượng dịch vụ giao thức Internet (IP QoS) 2

1.3 Các thước đo thông số vận hành 4 1.3.1 Dải thông Error! Bookmark not defined

1.3.2 Trễ và Trượt gói tin Error! Bookmark not defined

1.3.3 Mất gói Error! Bookmark not defined

1.4 Các chức năng QoS Error! Bookmark not defined

1.4.1 Đánh dấu và phân loại gói tin Error! Bookmark not defined

1.4.2 Quản lý tốc độ lưu lượng Error! Bookmark not defined

1.4.3 Cấp phát tài nguyên Error! Bookmark not defined

1.4.4 Chính sách tránh tắc nghẽn và loại bỏ gói Error! Bookmark not

defined

1.4.5 Giao thức báo hiệu QoS Error! Bookmark not defined

1.4.6 Chuyển mạch Error! Bookmark not defined

1.4.7 Định tuyến Error! Bookmark not defined

1.5 Các mức độ của chất lượng dịch vụ (QoS) Error! Bookmark not defined

1.5.1 Dịch vụ Nỗ lực cao nhất (Best-effort service) Error! Bookmark not

defined

1.5.2 Dịch vụ có phân loại Error! Bookmark not defined

1.5.3 Dịch vụ có bảo đảm Error! Bookmark not defined

1.6 Dịch vụ có bảo đảm (Intergrated Service): Giao thức dành trước tài nguyên

(RSVP) Error! Bookmark not defined

1.6.1 Giao thức dành trước tài nguyên (RSVP) Error! Bookmark not defined

1.6.1.1 Vận hành của RSVP Error! Bookmark not defined

1.6.1.2 Các thành phần RSVP Error! Bookmark not defined

1.6.1.3 Các bản tin RSVP Error! Bookmark not defined

1.6.2 Các kiểu dành trước Error! Bookmark not defined

1.6.2.1 Dành riêng riêng biệt Error! Bookmark not defined

1.6.2.2 Dành riêng chia xẻ Error! Bookmark not defined

1.6.3 Kiểu dịch vụ Error! Bookmark not defined

1.6.3.1 Tải kiểm soát Error! Bookmark not defined

1.6.3.2 Tốc độ Bit bảo đảm Error! Bookmark not defined

1.6.4 Tính quy mô của RSVP Error! Bookmark not defined

1.7 Cấu trúc dịch vụ có phân loại (Differentiated Services Architecture) Error!

Bookmark not defined

1.7.1 Cấu trúc diffserv Error! Bookmark not defined

1.7.2 Điểm mã dịch vụ có phân loại (DSCP) Error! Bookmark not defined

1.7.3 Khối điều hoà lưu lượng biên mạng Error! Bookmark not defined

1.7.4 Đặc tính truyền theo chặng (PHB) Error! Bookmark not defined

1.7.5 Chính sách phân bổ tài nguyên Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG 2: CÁC CƠ CHẾ THỰC HIỆN INTSERV VÀ DIFFSERV ÁP DỤNG

CHO THIẾT BI ĐỊNH TUYẾN CỦA CISCO Error! Bookmark not defined

2.1 Bộ điều hoà lưu lượng biên mạng: thiết bị phân loại, đánh dấu và quản lý tốc

độ lưu lượng Error! Bookmark not defined

2.1.1 Sự phân loại gói Error! Bookmark not defined

2.1.2 Đánh dấu gói Error! Bookmark not defined

2.1.3 Sự cần thiết của việc quản lý tốc độ lưu lượng Error! Bookmark not

defined

2.1.3.1 Khống chế lưu lượng: sử dụng Tốc độ truy cập cam kết (CAR) Error!

Bookmark not defined

2.1.3.2 Chỉ tiêu phù hợp lưu lượng Error! Bookmark not defined

2.1.3.3 Thiết bị đo lưu lượng Error! Bookmark not defined

2.1.3.4 Chính sách hành động Error! Bookmark not defined

2.1.4 Định dạng lưu lượng Error! Bookmark not defined

2.1.4.1 Thiết bị đo lưu lượng dùng cho định dạng lưu lượng Error!

Bookmark not defined

2.1.4.2 Định dạng lưu lượng chung (GTS) và Định dạng lưu lượng phân bố (DTS) Error! Bookmark not defined

2.2 Các cơ chế xếp lịch cho gói tin Error! Bookmark not defined

2.2.1 Xếp hàng Vào trước ra trước (FIFO) Error! Bookmark not defined

2.2.2 Nguyên lý cấp phát chia xẻ công bằng Max-Min Error! Bookmark not

defined

2.2.3 Xếp hàng công bằng (FQ) và Xếp hàng công bằng có trọng số (WFQ)

dựa trên tính toán số thứ tự Error! Bookmark not defined

2.2.4 Xếp hàng công bằng có trọng số theo luồng Error! Bookmark not

defined

2.2.5 WFQ phân tán theo từng luồng (FlowBased Distributed WFQ-DWFQ)

Error! Bookmark not defined

2.2.6 WFQ theo loại (Class-Based WFQ) Error! Bookmark not defined

2.2.7 Các cơ chế xếp hàng WFQ khác Error! Bookmark not defined

2.2.7.1 Xếp hàng công bằng có trọng số phân tán DWFQ theo ToS Error!

Bookmark not defined

2.2.7.2 Xếp hàng công bằng có trọng số phân tán DWFQ theo nhóm QoS

Error! Bookmark not defined

2.2.8 Xếp hàng ưu tiên (Priority Queuing – PQ) Error! Bookmark not

defined

2.2.9 Xếp hàng tuỳ biến (Custom Queuing-CQ) Error! Bookmark not

defined

2.2.10 Các cơ chế xếp lịch cho lưu lượng thoại Error! Bookmark not defined

2.2.10.1 WFQ theo loại với hàng đợi ưu tiên (PQ-CBWFQ) Error!

Bookmark not defined

2.2.10.2 Xếp hàng tuỳ biến với các hàng đợi ưu tiên (PQ-CQ) Error!

Bookmark not defined

2.2.11 Xếp hàng sử dụng thuật toán Round-Robin Error! Bookmark not

defined

2.2.11.1 Round Robin theo trọng số cải tiến (Modified Weighted Round

Robin - MWRR) Error! Bookmark not defined

2.2.11.2 Round Robin khấu trừ cải tiến (Modified Deficit Round Robin - MDRR) Error! Bookmark not defined

2.3 Các cơ chế tránh tắc nghẽn và chính sách loại bỏ gói tin Error! Bookmark

not defined

2.3.1 Khởi động chậm giao thức kiểm soát truyền dẫn (TCP Slow Start) và

Loại trừ nghẽn Error! Bookmark not defined

2.3.2 Hoạt động của lưu lượng TCP trong mô hình loại bỏ cuối hàng (Tail-Drop) Error! Bookmark not defined

2.3.3 Phát hiện sớm ngẫu nhiên (RED): Quản lý hàng đợi tích cực để tránh

nghẽn mạng Error! Bookmark not defined

2.3.4 Phát hiện sớm ngẫu nhiên có trọng số (WRED) Error! Bookmark not

defined

2.3.5 Phát hiện sớm ngẫu nhiên có trọng số theo luồng (Flow WRED) Error!

Bookmark not defined

CHƯƠNG 3: ĐO KIỂM MỘT SỐ CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA

DIFFERENTIATED SERVICE TRÊN THIẾT BỊ ĐỊNH TUYẾN CISCO Error!

Bookmark not defined

3.1 Kết quả đo thông số Diffserv Error! Bookmark not defined

3.1.1 Bài đo Tốc độ truy cập cam kết (CAR) Error! Bookmark not defined

3.1.2 Bài đo kích thước bursts bình thường và vượt quá Error! Bookmark not

defined

3.1.3 Bài đo chức năng Xếp hàng có trọng số theo loại (Class-Based Weighted

Fair Queuing - CB-WFQ) Error! Bookmark not defined

3.1.4 Bài đo WRED đối với đường truyền nghẽn nút cổ chai Error!

Bookmark not defined

3.1.5 Bài đo so sánh WFQ và PQ khi hỗ trợ lưu lượng EF Error! Bookmark

not defined

3.2 Áp dụng các bài đo Chất lượng dịch vụ có phân loại tiêu biểu vào mạng thực

tế của Bưu điện thành phố Hồ Chí Minh Error! Bookmark not defined

3.2.1 Mạng IP của Bưu điện thành phố Hồ Chí Minh Error! Bookmark not

defined

3.2.2 Bài đo cơ chế Tốc độ truy cập cam kết (CAR) Error! Bookmark not

defined

3.2.3 Bài đo chức năng Xếp hàng có trọng số theo loại (CB-WFQ) - Độ cách

ly lưu lượng (traffic isolation) Error! Bookmark not defined

3.2.4 Bài đo WRED đối với đường truyền nghẽn nút cổ chai Error!

Bookmark not defined

3.2.5 Bài đo so sánh WFQ và PQ khi hỗ trợ lưu lượng EF Error! Bookmark

not defined

KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined Tài liệu tham khảo 5

M Ở ĐẦU

Mạng viễn thông hiện đại ngày nay đang phát triển một cách mạnh mẽ cả về quy

mô cũng như công nghệ Ở Việt Nam, cùng với mức độ tăng trưởng chóng mặt của thuê bao điện thoại là tỷ lệ người dùng Internet băng thông rộng Làm việc và giải trí, giao tiếp trên môi trường mạng Internet nói riêng và mạng IP nói chung đang là hình thức giao tiếp hiệu quả và thuận tiện nhất Xu hướng hội tụ tất cả các dịch vụ viễn thông lên nền tảng IP đã được dự đoán và đang được kiểm chứng ngay tại Việt Nam Các dịch vụ trên nền IP rất đa dạng: từ gửi thư điện tử, truy cập web, thương mại điện tử đến truyền file, mạng riêng ảo, thoại VOIP, truyền hình trực tuyến, truyền hình hội nghị

Trước sự bùng nổ về số lượng và chủng loại dịch vụ thông tin trên mạng IP, các nhà sản xuất và cung cấp mạng ngày càng phải chú ý đến chất lượng dịch vụ Ngoài việc tăng cường đầu tư thiết bị mới để cung cấp dịch vụ, một việc hết sức cần thiết là sử dụng hạ tầng mạng một cách hiệu quả Các kỹ thuật Chất lượng dịch vụ QoS được đưa ra nhằm mục đích này Thực ra các kỹ thuật và khái niêm

IP QoS đã xuất hiện từ rất lâu nhưng phải đến những năm gần đây nó mới được thực sự chú ý đến Lý do là ban đầu, lưu lượng trên mạng Internet rất ít, chỉ gồm các dịch vụ như email, truyền file và truy cập web Đây là những dịch vụ băng hẹp, dùng ít dải thông và không phải là dịch vụ thời gian thực Ngày nay, số lượng dịch vụ đã tăng lên rất nhiều, bao gồm cả dịch vụ truyền thống và các dịch

vụ đòi hỏi thời gian thực như VOIP và hội nghị truyền hình Các nhà cung cấp dịch vụ phải tìm mọi cách thoả mãn khách hàng về lưu lượng thông tin và chất lượng thông tin Các kỹ thuật QoS có thể đảm nhiệm việc đảm bảo chất lượng thông tin cũng như sử dụng hiệu quả nhất băng thông của mạng Một mạng dù được trang bị băng thông lớn cũng cần phải có những chính sách QoS thích hợp

để cân bằng nhu cầu giữa các loại dịch vụ Trước những nhu cầu của thực tế khai thác vận hành mạng như vậy, tôi đăng ký đề tài nghiên cứu về các kỹ thuật đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS Nội dung của đề tài này là tìm hiểu các mô hình

QoS mạng IP và ứng dụng trên mạng Viễn Thông Việt Nam, đó là mô hình Nỗ lực cao nhất (Best effort), mô hình Dịch vụ có bảo đảm (Integrated Service) và

mô hình Dịch vụ phân biệt (Diffrentiated Service) Đặc biệt chú ý đến mô hình Dịch vụ phân biệt vì nó có thể đáp ứng chất lượng dịch vụ ở quy mô lớn Mục tiêu của đề tài là: Tìm hiểu tất cả các kỹ thuật của mô hình Dịch vụ có phân loại

để có thể ứng dụng mô hình này một cách tốt nhất trên mạng lưới Việt Nam Trên cơ sở các hiểu biết về QoS, đề tài cũng đề cập đến một số bài đo chất lượng dịch vụ trên nền tảng Dịch vụ phân biệt cho mạng IP của Bưu điện thành phố Hồ Chí Minh

Do thời gian nghiên cứu còn hạn chế nên một số vấn đề chưa được đề cập chi tiết , vì vậy luận văn chắc sẽ khó tránh khỏi các thiếu sót Tôi mong nhận được

sự quan tâm và đóng góp ý kiến của các thầy, cô và các bạn đồng nghiệp để hoàn thiện đề tài này

Xin cám ơn

CHƯƠNG 1: SỰ PHÁT TRIỂN CỦA MẠNG INTERNET VÀ YÊU CẦU

VỀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ - CÁC MÔ HÌNH CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ (QoS)

1.1 Giới thiệu mạng Internet và chất lượng dịch vụ IP (IP QoS)

Mạng IP lớn nhất là mạng Internet toàn cầu Internet phát triển với tốc độ chóng mặt trong suốt vài năm gần đây cùng với một số lượng lớn các ứng dụng trên nền tảng Internet Khi Internet và các mạng intranet tiếp tục phát triển, nhiều ứng dụng khác ngoài dữ liệu truyền thống như thoại trên nền IP (VoIP) và hội nghị truyền hình (video-conferencing) cũng xuất hiện theo đó Ngày càng nhiều ứng dụng và người dùng hướng đến Internet mỗi ngày, vì vậy, Internet cần có chức năng để hỗ trợ chất lượng các dịch vụ hiện có cũng như tương lai Dịch vụ phổ biến nhất mà Internet cung cấp hiện nay là dịch vụ “nỗ lực cao nhất” (best-effort) Dịch vụ best-effort không bảo đảm gói được chuyển giao đến nơi nhận khi nào hoặc có chuyển đến hay không, trong khi đó các gói thường xuyên bị loại bỏ trong lúc nghẽn mạng

Trong một mạng, thông thường các gói theo từng luồng (flow) được phân biệt bởi năm trường trong mào đầu gói IP: Địa chỉ IP nguồn, địa chỉ IP đích, trường phương thức IP, cổng nguồn, và cổng đích Một luồng riêng lẻ được tạo bởi các gói xuất phát từ một ứng dụng trên một máy nguồn đến một ứng dụng trên một máy đích, và các gói thuộc một luồng mang các giá trị năm trường mào đầu giống nhau

Để hỗ trợ lưu lượng thoại, và video, và ứng dụng dữ liệu với các yêu cầu dịch

vụ khác nhau từ mạng, các hệ thống tại mạng lõi IP cần phân biệt và đáp ứng các dạng lưu lượng khác nhau dựa trên cơ sở nhu cầu của chúng Tuy nhiên,với dịch

vụ best-effort, không thể phân biệt trong số hàng nghìn luồng lưu lượng tồn tại

trong mạng lõi IP Vì vậy, không có mức ưu tiên hay sự đảm bảo cho bất cứ luồng lưu lượng ứng dụng nào Điều này hạn chế cơ bản khả năng của mạng IP

để truyền lưu lượng trong khi mạng đó chỉ có một nguồn tài nguyên hạn chế cùng với các yêu cầu kèm theo về bảo đảm dịch vụ Chất lượng dịch vụ IP nhằm

để giải quyết vấn đề này Các chức năng IP QoS hướng đến việc cung cấp các

dịch vụ được đảm bảo và đa dạng bằng cách trao cho nhà khai thác mạng quyền kiểm soát và cách sử dụng tài nguyên mạng Internet QoS là một tập hợp các yêu cầu dịch vụ mà mạng phải đáp ứng trong khi truyền một luồng QoS cung cấp sự bảo đảm dịch vụ từ điểm đầu đến điểm cuối (end-to-end) và sự điều khiển các phương pháp vận hành mạng IP, như các cơ chế cấp phát tài nguyên, chuyển mạch, định tuyến, xếp lịch và loại bỏ gói

Một số lợi ích chính của IP QoS:

- Giúp các mạng có thể hỗ trợ các yêu cầu dịch vụ và ứng dụng multimedia hiện có cũng như đang xuất hiện Các ứng dụng mới như Voice over IP (VoIP) sẽ có được các yêu cầu QoS rõ ràng cụ thể đối với mạng

- Cho phép nhà vận hành mạng điều khiển tài nguyên mạng và cách thức sử dụng chúng

- Cung cấp sự đảm bảo dịch vụ và sự phân biệt lưu lượng trên mạng Điều này cần thiết để hội tụ lưu lượng thoại, video và dữ liệu trên một mạng IP duy nhất

- Nó cho phép các nhà cung cấp dịch vụ đưa ra thêm các dịch vụ chất lượng cao cùng lúc với các dịch vụ best-effort hiện tại Nhà cung cấp có thể phân loại các dịch vụ chất lượng cao của họ thành các mức ví

dụ như mức Bạch kim, Platinum, Vàng hay Bạc, và đặt cấu hình mạng

để theo đó phân biệt các loại dịch vụ khác nhau nói trên

- QoS đóng vai trò chủ chốt trong việc đưa ra những dịch vụ mạng mới như Mạng riêng ảo (VPNs)

1.2 Lịch sử chất lượng dịch vụ giao thức Internet (IP QoS)

IP QoS không phải là mới xuất hiện Các nhà sáng chế ra Internet đã sớm nhận thấy sự cần thiết này và đưa ra một byte có tên gọi Dạng dịch vụ (ToS) trong mào đầu IP để làm cho QoS trở thành một phần đặc điểm kỹ thuật IP ban đầu Mục đích của byte ToS được miêu tả như sau:

Dạng dịch vụ thể hiện những thông số tóm tắt của chất lượng dịch vụ mong

muốn Những thông số này được sử dụng để hướng dẫn lựa chọn các thông số dịch vụ thực tế khi truyền một datagram qua một mạngcụ thể [5]

Cho đến cuối những năm 1980, Internet vẫn còn ở mức độ nghiên cứu và chỉ

có một ít dịch vụ và lưu lượng thông tin Vì vậy, sự hỗ trợ ToS không đóng vai trò quan trọng, và hầu hết tất cả các triển khai mạng IP đều bỏ qua byte ToS Những ứng dụng IP không đánh dấu rõ byte ToS, và các router cũng không sử dụng nó để điều khiển cách thức chuyển tiếp gói IP Tầm quan trọng của QoS trên Internet đã tăng lên cùng với sự phát triển của Internet đạt đến mức độ phổ biến và thương mại như hiện nay Mạng Internet dựa trên cơ sở dịch vụ gói end-to-end không kết nối thường cung cấp các công cụ truyền tải best-effort (nỗ lực cao nhất), dùng bộ Giao thức điều khiển truyền dẫn/Giao thức Internet (TCP/IP) Mặc dầu thiết kế không kết nối cung cấp cho mạng Internet tính linh hoạt và mạnh mẽ, sự linh hoạt của gói tin của nó cũng là nguyên nhân của hiện tượng tắc nghẽn, đặc biệt tại các router kết nối các mạng với rất nhiều dải thông khác nhau

Tập hợp các chức năng QoS ban đầu được thiết lập cho các host Internet Một vấn đề lớn đối với những kết nối mạng diện rộng (WAN) có giá thành cao là việc kích thước mào đầu quá lớn so vớicác gói TCP nhỏ được tạo bởi những ứng dụng như telnet và rlogin Thuật toán Nagle đã giải quyết vấn đề này và ngày nay được hỗ trợ bởi tất cả các ứng dụng host IP Thuật toán Nagle báo trước sự ra đời của chức năng QoS Internet trong mạng IP [4]

Vào năm 1986, Van Jacobson phát triển tập hợp tiếp theo các công cụ QoS Internet Đó là cơ chế tránh tắc nghẽn cho hệ thống đầu cuối, cơ chế này đang được sử dụng trong những ứng dung TCP Những cơ chế này là khởi động chậm

và tránh tắc nghẽn, và chúng đã hỗ trợ rất lớn trong việc ngăn chặn sự sập mạng

do tắc nghẽn của Internet hiện nay Chúng bước đầu khiến các luồng TCP có khả năng đáp ứng những tín hiệu báo tắc nghẽn (những gói bị mất) trong mạng Hai

cơ chế nữa là tái truyền nhanh và khôi phục nhanh được bổ sung thêm vào năm

1990, cung cấp hoạt động tối ưu trong thời đoạn mất gói

Mặc dù những cơ chế QoS trong hệ thống đầu cuối là yếu tố cần thiết, chúng vẫn không làm nên QoS end-to-end cho đến khi những cơ chế tương xứng được ứng dụng vào các router để truyền tải lưu lượng dữ liệu giữa các hệ thống đầu cuối Vì vậy, khoảng năm 1990, QoS tập trung vào các router Những router chỉ

có cơ chế xếp hàng vào trước, ra trước (FIFO) thì thể không cung cấp cơ chế để phân loại và cấp ưu tiên cho lưu lượng Xếp hàng FIFO gây ra loại bỏ cuối hàng (tail drop) và không bảo vệ được những luồng đang hoạt động chuẩn khỏi những luồng hoạt động không chuẩn WFQ, một thuật toán xếp lịch gói, và WRED, một thuật toán quản lý xếp hàng, được chấp nhận rộng rãi để lấpbù đắp những khiếm khuyết của mạng đường trục Internet

Sự phát triển của QoS Internet tiếp tục với những nỗ lực tiêu chuẩn hoá trong

việc cung cấp QoS end-to-end trên Internet Nhóm hoạt động IETF (Internet

Engineering Task Force) về dịch vụ có bảo đảm hướng tới cung cấp các công cụ

cho các ứng dụng để thể hiện những yêu cầu tài nguyên end-to-end với những cơ chế hỗ trợ trong các router và những công nghệ mạng con RSVP là một giao thức báo hiệu cho mục tiêu này Mô hình dịch vụ có bảo đảm (inteserv) đòi hỏi các trạng thái theo từng luồng dọc theo tuyến kết nối, do đó intserv không thể mở rộng ở quy mô mạng đường trục Internet, nơi phục vụ hàng nghìn luồng tại một thời điểmbất kỳ

Byte ToS IP không được sử dụng nhiều trong quá khứ, nhưng nó lại được tăng cường sử dụng sau này như một cách để báo hiệu QoS Byte ToS đã trở thành một kỹ thuật ban đầu cho việc cung cấp dịch vụ có phân loại (diffserv) trên Internet, và để phục vụ mục đích này, nhóm hoạt động ITEF diffserv đã tiêu chuẩn hoá việc sử dụng TOS như là byte dịch vụ có phân loại

1.3 Các thước đo thông số vận hành

Sự triển khai QoS nhằm mục đích cung cấp một kết nối với những giới hạn hoạt động nào đó từ mạng Độ rộng băng thông, trễ và trượt gói tin, mất gói là những thước đo phổ biến được sử dụng để mô tả vận hành của kết nối trong mạng Chúng được miêu tả trong những phần sau đây