Nghiên cứu và đánh giá chất lượng dịch vụ mạng IP bằng phần mềm mô phỏng OPNET

Tổng quan về giao thức TCP/IP 1.1.1 Kiến trúc của TCP/IP Hình 1.1- Mô hình tham chiếu TCP/IP Network Access Layer : Cung cấp các giao tiếp với mạng vật lý bao gồm các thiết bị hệ thống

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp em đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ và chỉbảo tận tình của quý thầy cô trường Đại học Công Nghệ Thông Tin & TruyềnThông - Đại Học Thái Nguyên Lời đầu tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến

thầy giáo ThS Lê Khánh Dương – Phó trưởng bộ môn Mạng & Truyền Thông

-Đại học Công Nghệ Thông Tin và Truyền Thông Người đã tận tình hướng dẫn vàgiúp đỡ em hoàn thành bản đồ án này

Em xin chân thành cảm ơn sự chỉ dẫn tận tâm của tất cả những giảng viên đã trựctiếp giảng dạy chúng em trong suốt thời gian học tập vừa qua đặc biệt sự quan tâmgiúp đỡ tận tình của quý thầy cô đang công tác tại bộ môn Mạng & Truyền Thông.Mặc dù đã cố gắng hoàn thiện đề tài bằng tất cả sự nhiệt tình và năng lực củamình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự đónggóp quý báu của thầy cô và các bạn!

Thái Nguyên, tháng 6 năm 2012 Sinh Viên

Phạm Lê Tiệp

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan về nội dung đồ án tốt nghiệp với tên đồ án "Nghiên cứu và đánh giá chất lượng dịch vụ mạng IP bằng phần mềm mô phỏng OPNET" là sản phẩm của

riêng cá nhân em, không sao chép lại của người khác Trong toàn bộ nội dung của

đồ án, những điều được trình bày là của cá nhân em hoặc là được tổng hợp từ nhiềunguồn tài liệu tham khảo Tất cả tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và đượctrích dẫn hợp pháp Em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷluật theo quy định cho lời cam đoan của mình

Thái Nguyên, tháng 6 năm 2012 Sinh Viên

Phạm Lê Tiệp

MỤC LỤC

MỤC LỤC 3

MỤC LỤC HÌNH ẢNH 5

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 7

LỜI NÓI ĐẦU 8

CHƯƠNG 1 9

TỔNG QUAN MẠNG IP 9

1.1 Tổng quan về giao thức TCP/IP 9

1.1.1 Kiến trúc của TCP/IP 9

1.1.2 Một số giao thức cơ bản trong mô hình TCP/IP 11

1.2 Địa chỉ IP 17

1.2.1 Địa chỉ IPv4 17

1.2.2 Địa chỉ IPv6 18

1.3 Phần cứng và thiết bị mạng IP 20

1.3.1 Card mạng (NIC-Network Interface Card) 20

1.3.2 Bộ chuyển tiếp–Repeater 21

1.3.3 Switch 21

1.3.4 Bộ định tuyến – Router 22

1.4 Phân loại mạng IP 23

1.4.1 Mạng cục bộ LAN (Local Area Network) 23

1.4.2 Mạng diện rộng WAN (Wide Area Network) 24

1.4.3 Mạng internet 25

CHƯƠNG 2 26

CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG IP 26

2.1 Tổng quan về chất lượng dịch vụ 26

2.1.1 Những tham số đánh giá chất lượng dịch vụ 27

2.1.2 Các nguyên tắc QoS 29

2.1.3 Các mô hình đảm bảo QoS 30

2.2 Chất lượng dịch vụ trong mạng IP 44

2.2.1 Sự cần thiết của QoS trong mạng IP 44

2.2.2 Các yêu cầu chất lượng dịch vụ trong mạng IP 46

2.2.3 Phân lớp lưu lượng trong mạng IP 47

2.2.4 Điều khiển tắc nghẽn trong mạng IP 49

CHƯƠNG 3 60

XÂY DỰNG KỊCH BẢN MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ QoS MẠNG IP 60

3.1 Phần mềm OPNET 60

3.1.1 Giới thiệu về OPNET 60

3.1.2 Lý do chọn OPNET 63

3.2 Xây dựng kịch bản mô phỏng đánh giá QoS mạng IP 64

3.2.1 Kịch bản mô phỏng 64

3.2.2 Các kết quả thu được khi thực hiện mô phỏng 67

KẾT LUẬN 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1- Mô hình tham chiếu TCP/IP 9

Hình 1.2 - Mô tả đóng gói dữ liệu theo kiến trúc TCP/IP 10

Hình1.3 - Mô hình phân lớp bộ giao thức TCP/IP 11

Hình 1.4 - Cấu trúc gói tin TCP 12

Hình 1.5 - Cấu trúc gói tin UDP 13

Hình 1.6 - Tiêu đề IP datagram 13

Hình 1.7 - ARP ánh xạ các địa chỉ IP vào các địa chỉ vật lý 16

Hình 1.8 - Cấu trúc các lớp địa chỉ IP 18

Hình 1.9 - Định dạng gói IPv6 19

Hình 1.10 - Card mạng 21

Hình 1.11 - Mô hình mạng LAN 24

Hình 1.12 - Mô hình mạng WAN 25

Hình 2.1 - Các mô hình đảm bảo QoS 31

Hình 2.2 - Mô hình Best – Effort 32

Hình 2.3 - Mô hình IntServ 33

Hình 2.4 - Hoạt động của mô hình mạng sử dụng RSVP 35

Hình 2.5 - Sơ đồ khối kiến trúc DiffServ 38

Hình 2.6 - Cấu trúc bit trong trường DSCP 40

Hình 2.7 - Cơ chế phân loại và điều hòa đến lưu lượng 42

Hình 2.8 - Mô tả trường ToS trong gói IP 48

Hình 2.9 - Hàng đợi FIFO 51

Hình 2.10 - Cơ chế hoạt động của hàng đợi CQ 52

Hình 2.11 - Cơ chế hoạt động của hàng đợi PQ 54

Hình 2.12 - Cơ chế hoạt động của hàng đợi WFQ 55

Hình 3.1 - Thứ tự xây dựng chương trình mô phỏng 60

Hình 3.2 - Một mô hình mạng trên cửa sổ Project Editor 61

Hình 3.3 - Giao diện chung của OPNET 62

Hình 3.4 - Nút công cụ 62

Hình 3.5 - Kịch bản mô phỏng 64

Hình 3.6 - Application Attributes 65

Hình 3.7 - QoS Attribute 65

Hình 3.8 - Profile Config Attribute 66

Hình 3.9 - PC Attribute 66

Hình 3.10 - Hàng đợi PQ 67

Hình 3.11 - Hàng đợi CQ 68

Hình 3.12 - Hàng đợi WFQ 69

Hình 3.13 - Traffic Sent 70

Hình 3.14 - Traffic Received 70

Hình 3.15 - Packet End–to–End Delay 71

Hình 3.16 - Packet Delay Variation 72

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

TCP Transmission Control Protocol

IP Internet Protocol

UDP User Datagram Protocol

SMTP Simple Mail Transfer Protocol

FTP File Transfer Protocol

DNS Domain Name System

ACK Acknowledgement

ARP Address Resolution Protocol

RARP Reverse Address Resolution Protocol

NIC Network Interface Card

MAC Medium Access Control address

LAN Local Area Network

CSMA/CD Carier sense Multiple Access/ Collision AvoidanceWAN Wide Area Network

ISDN Integrated Services Digital Network

DSL Digital Subscriber Line

QoS Quality of Service

RSVP Resource Reservation Protocol

LỜI NÓI ĐẦU

Trong xu hướng phát triển bùng nổ thông tin ngày này, các nhu cầu về thông tinliên lạc ngày càng mở rộng Nó đi đôi với nhu cầu đòi hỏi cao về chất lượng dịch

vụ Đối với nhà khai thác mạng nâng cao chất lượng dịch vụ đồng nghĩa với tăngkhả năng cạnh tranh Điều đó được ví như một điều tất yếu mà một nhà khai thácphải làm tốt để tồn tại

Bản đồ án với đề tài "Nghiên cứu và đánh giá chất lượng dịch vụ mạng IP bằng phần mềm mô phỏng OPNET" đã đề cập đến những vấn đề cơ bản về chất lượng

dịch vụ trong mạng IP Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu bản đồ án đã hoànthành với những nội dung chính sau đây:

Chương 1: Tổng quan về mạng IP

Chương 2: Chất lượng dịch vụ trong mạng IP

Chương 3: Xây dựng kịch bản mô phỏng đánh giá chất lượng dịch vụ trong mạngIP

Phần mô phỏng đánh giá chất lượng dịch vụ mạng IP được em xây dựng trênphần mềm OPNET Đó là một phần mềm cung cấp khả năng quản lý mạng và cácứng dụng Bên cạnh đó nó còn là một phần mềm rất hay cho việc học tập về mạngbởi khả năng phân tích,lên kế hoạch và giả lập môi trường mạng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN MẠNG IP

Giao thức TCP/IP được phát triển từ mạng ARPANET và Internet và được dùngnhư giao thức mạng và vận chuyển trên mạng Internet TCP (Transmission ControlProtocol) là giao thức thuộc tầng vận chuyển và IP (Internet Protocol) là giao thứcthuộc tầng mạng của mô hình OSI Họ giao thức TCP/IP hiện nay là giao thức được

sử dụng rộng rãi nhất để liên kết các máy tính và các mạng

Hiện nay các máy tính của hầu hết các mạng có thể sử dụng giao thức TCP/IP đểliên kết với nhau thông qua nhiều hệ thống mạng với kỹ thuật khác nhau Giao thứcTCP/IP thực chất là một họ giao thức cho phép các hệ thống mạng cùng làm việcvới nhau thông qua việc cung cấp phương tiện truyền thông liên mạng

1.1 Tổng quan về giao thức TCP/IP

1.1.1 Kiến trúc của TCP/IP

Hình 1.1- Mô hình tham chiếu TCP/IP

Network Access Layer : Cung cấp các giao tiếp với mạng vật lý bao gồm các

thiết bị hệ thống vận hành, các card giao diện mạng tương ứng… Lớp này thực hiệnnhiệm vụ các chi tiết phần cứng hoặc các giao tiếp vật lý với cáp Ngoài ra thực

hiện việc kiểm soát lỗi dữ liệu phân bổ trên mạng vật lý Lớp này không định nghĩamột giao thức riêng nào, nó hỗi trợ tất cả các giao thức chuẩn và độc quyền ví dụnhư Ethenet, Token Ring, Wireless, IP…Lớp này thực tế cũng quyết định khá nhiềutới chất lượng cung cấp dịch vụ của mạng, tuy nhiên việc cải tiến trên là khó khăn ,

do vậy người ta thường cải thiện theo hướng nâng cấp phần mềm

Internet Layer : Cung cấp chức năng đánh địa chỉ, độc lập với phần cứng , nhờ

đó dữ liệu có thể truyền độc lập giữa các mạng có mô hình vật lý khác nhau Lớpnày chịu trách nhiệm truyền các gói qua mạng, hỗi trợ các giao thức liên mạng IP,định tuyến các gói trong liên mạng

Transpost Layer : Chịu trách nhiệm truyền thông điệp từ một tiến trình tới mộttiến trình khác Nó có hai giao thức rất khác nhau là: giao thức điều khiển truyềndẫn TCP và giao thức người sử dụng UDP (User Datagram Protocol)

Applycation Layer : Điều khiển từng ứng dụng cụ thể Nghĩa là nó cũng bao gồmcác giao thức mức cao, mã hóa điều khiển hội thoại…hiện nay có hàng trăm thậmchí đến hàng nghìn giao thức thuộc lớp này

Dữ liệu gửi từ tầng ứng dụng đi suống , và khi qua mỗi tầng nó được định nghĩariêng về dữ liệu mà nó sử dụng

Hình 1.2 - Mô tả đóng gói dữ liệu theo kiến trúc TCP/IP

Tại nơi gửi, mỗi tầng nó coi gói tin từ tầng trên gửi xuống như là dữ liệu của nó

và thêm vào gói tin các thông tin điều khiển của mình, sau đó nó lại chuyển tiếpxuống tầng dưới Tại nơi nhận thì quá trình lại ngược lại, tại mỗi tầng nó tách thôngtin điều khiển của mình ra , tiếp đó nó chuyển tiếp lên tầng trên

1.1.2 Một số giao thức cơ bản trong mô hình TCP/IP

Hình1.3 - Mô hình phân lớp bộ giao thức TCP/IP

Applycation Layer (Tầng Ứng Dụng) :

- SMTP (Simple Mail Transfer Protocol): Giao thức truyền thư điện tử giữa các

máy tính Đây là dạng đặc biệt của truyền tệp được sử dụng để gửi các thông báo tớimột máy chủ qua thư hoặc giữa các máy với nhau Nó được sử dụng rất phổ biếntrên Internet , dùng để gửi các message “email” dựa trên địa chỉ của email

- FTP (File Transfer Protocol): Đây là một dịch vụ hướng kết nối và tin cậy, sử

dụng TCP để cung cấp truyền tệp giữa các hệ thống hỗ trợ FTP

- Telnet:Cho phép các phiên đăng nhập từ xa giữa các máy tính Do telnet hỗ trợ

chế độ văn bản nên giao diện người dùng thường ở dạng dấu nhắc lệnh tương tác

- DNS (Domain Name System): Chuyển đổi tên miền thành địa chỉ IP Giao thứcnày thường được các ứng dụng sử dụng khi người dùng ứng dụng này dùng tên chứkhông dùng địa chỉ IP.

Transpost Layer (Tầng Vận Chuyển) :

TCP (Transmission Control Protocol): Là một trong các giao thức cốt lõi của bộgiao thức TCP/IP TCP hoạt động theo hướng kết nối (Connection-Oriented), trướckhi truyền dữ liệu giữa 2 máy, nó thiết lập một kết nối giữa 2 máy theo phương thức

"bắt tay 3 bước (Three-Way-Hand-Shake)" bằng cách gửi gói tin ACK từ máy đíchsang máy nhận, trong suốt quá trình truyền gói tin, máy gửi yêu cầu máy đích xácnhận đã nhận đủ các gói tin đã gửi, nếu có gói tin bị mất, máy đích sẽ yêu cầu máygửi gửi lại, thường xuyên kiểm tra gói tin có bị lỗi hay ko, ngoài ra còn cho phépqui định số lượng gói tin được gửi trong một lần gửi (Window-Sizing), điều nàyđảm bảo máy nhận nhận được đầy đủ các gói tin mà máy gửi gửi đi

Hình 1.4 - Cấu trúc gói tin TCPUDP (User Datagram Protocol): Khác với TCP, UDP không cung cấp sự tin cậy

và thứ tự truyền nhận, các gói dữ liệu có thể đến không đúng thứ tự hay bị mất màkhông có thông báo Tuy nhiên UDP nhanh và hiệu quả hơn đối với các ứng dụngtruyền những file kích thước nhỏ và yêu cầu khắt khe về thời gian Do bản chất

không trạng thái nên UDP hữu dụng trong việc trả lời các truy vấn nhỏ cho số lượnglớn người yêu cầu Được hỗ trợ bởi nhiều dịch vụ phổ biến như DNS, VoiIP, TFTP.UDP không thực hiện quá trình bắt tay khi gửi và nhận thông tin, do đó được gọi

là Connectionless UDP không đảm bảo cho các tầng phía trên rằng thông điệp đãđược gửi và người gửi cũng không có trạng thái thông điệp UDP một khi gói tin đãđược gửi

Hình 1.5 - Cấu trúc gói tin UDP

Internet Layer (Tầng Liên Mạng) :

Giao Thức IP (Internet Protocol): IP là một giao thức phi kết nối và không tincậy Nó cung cấp dịch vụ chuyển gói nỗ lực nhất Nỗ lực nhất ở đây có nghĩa IPkhông cung cấp chức năng theo dõi và kiểm tra lỗi Nó chỉ cố gắng chuyển gói tớiđích chứ không có sự đảm bảo Nếu độ tin cậy là yếu tố quan trọng, IP phải hoạtđộng với một giao thức tầng trên tin cậy, chẳng hạn TCP

Các gói dữ liệu tại tầng IP được gọi là datagram Một datagram có chiều dài biếnthiên, gồm hai phần: tiêu đề và dữ liệu Phần tiêu đề có chiều dài từ 20 đến 60 byte,chứa các thông tin cần thiết cho định tuyến và chuyển phát dữ liệu

Hình 1.6 - Tiêu đề IP datagram

- Phiên bản (Version): Trường 4 bít này cho biết phiên bản IP tạo phần tiêu đềnày Phiên bản hiện tại là 4 Tuy nhiên phiên bản IPv6 sẽ thay thế IPv4 trong tươnglai

- Chiều dài tiêu đề (HL): Trường 4 bít này cho biết chiều dài của phần tiêu đề IPDatagram, tính theo đơn vị từ (32 bít) Trường này là cần thiết vì chiều dài của phầntiêu đề thay đổi (từ 20 đến 60 byte) Khi không có phần tuỳ chọn (Option), chiều dàiphần tiêu đề là 20 byte và giá trị của trường này là 5 (5 x 4 = 20) Khi phần tuỳ chọn

có kích thước tối đa thì giá trị của trường là 15 (15 x 4 = 60)

- Độ ưu tiên (Precedence): Trường này có chiều dài 3 byte, giá trị nằm trongkhoảng từ 0 (000) đến 7 (111) Nó chỉ rõ độ ưu tiên của datagram trong trường hợpmạng có tắc nghẽn

- Loại dịch vụ (TOS): Trường 5 bít này đặc tả các tham số về dịch vụ

- Độ dài tổng (Total Length IP): Trường 16 bít này cho biết chiều dài tính theobyte của cả datagram

- Số hiệu datagram (Datagram ID): Trường 16 bít này cùng với các trường kháckhác (như địa chỉ nguồn và địa chỉ đích) dùng để định danh duy nhất cho mộtdatagram trong khoảng thời gian nó vẫn tồn tại trên liên mạng Giá trị này đượctăng lên 1 đơn vị mỗi khi có datagram được trạm gửi đi Do vậy giá trị này sẽ quaylại 0 mỗi khi trạm đã gửi 65535 datagram

- Phân mảnh (Fragmentation): Trường 16 bít này được sử dụng khi datagramđược phân mảnh.

- Thời gian sống (Time To Live): Trường 8 bít này qui định thời gian tồn tại củadatagram trong liên mạng để tránh tình trạng datagram bị chuyển vòng quanh trênliên mạng Thời gian này do trạm gửi đặt và bị giảm đi 1 mỗi khi datagram qua mộtrouter trên liên mạng

- Giao thức (Protocol): Trường 8 bít này cho biết giao thức tầng trên sử dụngdịch vụ của tầng IP IP datagram có thể đóng gói dữ liệu từ nhiều giao thức tầngtrên, chẳng hạn TCP, UDP và ICMP Trường này chỉ rõ giao thức đích cuối cùng

mà IP datagram phải chuyển

- Tổng kiểm tra (Checksum): Trường 16 bít này chứa mã kiểm tra lỗi theophương pháp CRC (chỉ kiểm tra phần tiêu đề)

- Địa chỉ nguồn (Source Address): Trường 32 bít này chứa địa chỉ IP của trạmnguồn

- Địa chỉ đích (Destination Address): Trường 32 bít này chứa địa chỉ IP củatrạm đích

- Các tuỳ chọn IP (IP Options) : Trường này hỗ trợ một số thiết lập tiêu đề tuỳ ý

sử dụng cho việc kiểm tra, gỡ rối và an toàn

Giao thức phân giải địa chỉ (ARP) : Các máy tính trên một mạng cục bộ sử dụnggiao thức lớp Internet được gọi là giao thức phân giải địa chỉ (ARP – AddressResolution Protocol) để ánh xạ các địa chỉ IP vào các địa chỉ vật lý Một host phảibiết địa chỉ vật lý của bộ tương thích mạng đích để gửi bất kỳ dữ liệu nào đến nó Vì

lý do này, ARP là một giao thức rất quan trọng Tuy nhiên, các mạng IP thực hiệntheo cách thức sao cho ARP và tất cả các chi tiết của việc chuyển đổi địa chỉ hầunhư vô hình đối với người sử dụng Bộ tương thích mạng được xác định bởi địa chỉ

IP của nó Địa chỉ IP phải được ánh xạ đến một địa chỉ vật lý để một thông điệp đếnđích của nó

Mỗi host trên một đoạn mạng duy trì một bảng trong bộ nhớ được gọi là BảngARP hay bộ nhớ nhanh ARP (ARP Cache) ARP liên kết các địa chỉ IP của các hostkhác trên đoạn mạng với các địa chỉ vật lý Khi một host cần gửi dữ liệu đến mộthost khác trên đoạn, host kiểm tra bảng ARP để xác định địa chỉ vật lý của nơinhận Bảng ARP được hình thành một cách tự động Nếu địa chỉ nhận dữ liệu hiệnkhông được liệt kê trong bảng ARP, host gửi một broadcast được gọi là một khungyêu cầu ARP.

Hình 1.7 - ARP ánh xạ các địa chỉ IP vào các địa chỉ vật lýKhung yêu cầu ARP chưa được phân giải Khung yêu cầu ARP cũng chứa địa chỉ

IP và địa chỉ vật lý của host gửi yêu cầu Các host khác trên đoạn mạng nhận yêucầu ARP, và host có địa chỉ IP chưa phân giải hồi đáp bằng cách gửi địa chỉ vật lýcủa nó đến host gửi yêu cầu Ánh xạ địa chỉ IP và địa chỉ vật lý được thêm vào bảngARP của host yêu cầu

Thông thường, các mục trong bảng ARP sẽ hết hạn sau một khoảng thời gianđịnh trước Khi thời gian sống của một mục ARP kết thúc, mục đó sẽ bị loại bỏ khỏibảng Tiến trình phân giải bắt đầu lại ở thời điểm kế khi mà host cần gửi dữ liệu đếnđịa chỉ IP của mục đã bị loại bỏ

Giao thức phân giải địa chỉ ngược (RARP) : RARP là viết tắt của Reverse ARP

khi biết địa chỉ IP nhưng không biết địa chỉ vật lý RARP thì được sử dụng khi biếtđịa chỉ vật lý nhưng không biết địa chỉ IP Khi máy được bật, yêu cầu RARP đượctạo ra và được gửi quảng bá trên mạng cục bộ Một máy khác trên mạng biết về mọiđịa chỉ IP sẽ trả lời yêu cầu bằng bản tin trả lời RARP Máy yêu cầu RARP phảichạy chương trình RARP khách và máy trả lời RARP phải chạy chương trìnhRARP chủ.

1.2 Địa chỉ IP

1.2.1 Địa chỉ IPv4

Một địa chỉ IPv4 là một địa chỉ nhị phân 32 bit Địa chỉ 32 bit này được phânchia thành 4 đoạn 8 bit được gọi là các octet Con người không thoải mái khi làmviệc với các địa chỉ nhị phân 32 bit hay ngay cả các octet nhị phân 8 bit, vì thế địachỉ IPv4 hầu như luôn luôn được biểu diễn dưới dạng chấm thập phân Dưới dạngchấm thập phân, mỗi octet được gán một số thập phân tương ứng 4 giá trị thậpphân (4 × 8 = 32 bit) sau đó được phân biệt bằng các dấu chấm 8 bit nhị phân cóthể đại diện cho bất kỳ số nguyên nào từ 0 đến 255 Một địa chỉ IPv4 chấm thậpphân có dạng: 209.121.131.14.Một phần của địa chỉ IPv4 được sử dụng cho địnhdanh mạng, và một phần của địa chỉ được sử dụng cho định danh host Sự phức tạpcủa địa chỉ IPv4 là phần định danh mạng biến đổi

Mỗi địa chỉ IP được chia làm 2 phần : Phần địa chỉ mạng (Net ID) và phần địachỉ trạm (Host ID)

- Net ID: Dùng để nhận dạng những hệ thống trong cùng 1 khu vực vật lý cònđược gọi là Segment Mọi hệ thống trong cùng 1 Segment phải có cùng địa chỉmạng và phần địa chỉ này phải là duy nhất trong số các mạng hiện có

- Host ID: Dùng để nhận dạng một trạm làm việc, một máy chủ, nột router hoặcmột trạm TCP/IP trong một phân đoạn Phần địa chỉ trạm cũng phải là duy nhấttrong một mạng Sự kết hợp giữa Net ID và Host ID phải cho phép nhận dạng duynhất mỗi máy tính riêng biệt

Địa chỉ IPv4 chia ra 5 lớp A,B,C, D, E Hiện tại đã dùng hết lớp A,B và gần hếtlớp C, còn lớp D và E tổ chức internet đang để dành cho mục đích khác khôngphân.

Hình 1.8 - Cấu trúc các lớp địa chỉ IPBit nhận dạng là những bit đầu tiên : của lớp A là 0, của lớp B là 10, của lớp C là

110, của lớp D là 1110 còn của lớp E là 11110

1.2.2 Địa chỉ IPv6

Địa chỉ IPv6 dài 128 bít và được biểu diễn dưới dạng hexa hai chấm Trong cáchbiểu diễn này, 128 bít được chia thành 8 phần, mỗi phần dài 2 byte Hai byte đượcbiểu diễn bằng 4 số hexa Do đó, địa chỉ IP gồm 32 số hexa, cứ 4 số hexa có mộtdấu hai chấm để phân tách

Hình 1.9 - Định dạng gói IPv6

IPv6 gồm các loại chính sau đây:

Unicast Address: Dùng để xác định một Interface trong phạm vi các UnicastAddress Gói tin (Packet) có đích đến là Unicast Address sẽ thông qua Routing đểchuyển đến 1 Interface duy nhất

Anycast Address : Là địa chỉ đặc biệt có thể gán cho nhiều interface, gói tinchuyển đến Anycast Address sẽ được vận chuyển bởi hệ thống Routing đếnInterface gần nhất Hiện nay, địa chỉ Anycast được sử dụng rất hạn chế, rất ít tài liệunói về cách sử dụng loại địa chỉ này Hầu như Anycast addresss chỉ được dùng đểđặt cho Router, không đặt cho Host, lý do là bởi vì hiện nay địa chỉ này chỉ được sửdụng vào mục đích cân bằng tải

Ví dụ : khi một nhà cung cấp dịch vụ mạng có rất nhiều khách hàng muốn truycập dịch vụ từ nhiều nơi khác nhau, nhà cung cấp muốn tiết kiệm nên chỉ để mộtServer trung tâm phục vụ tất cả, họ xây dựng nhiều Router kết nối khách hàng vớiServer trung tâm, khi đó mỗi khách hàng có thể có nhiều con đường để truy cậpdịch vụ Nhà cung cấp dịch vụ đặt địa chỉ Anycast cho các Interfaces là các Routerkết nối đến Server trung tâm, bây giờ mỗi khách hàng chỉ việc ghi nhớ và truy cậpvào một địa chỉ Anycast thôi, tự động họ sẽ được kết nối tới Server thông quaRouter gần nhất Đây thật sự là một cách xử lý đơn giản và hiệu quả

Multicast Address: Trong địa chỉ IPv6 không còn tồn tại khái niệm địa chỉBroadcast Mọi chức năng của địa chỉ Broadcast trong IPv4 được đảm nhiệm thay

thế bởi địa chỉ IPv6 Multicast Địa chỉ Multicast giống địa chỉ Broadcast ở chỗ điểmđích của gói tin là một nhóm các máy trong một mạng, song không phải tất cả cácmáy Trong khi Broadcast gửi trực tiếp tới mọi host trong một subnet thì Multicastchỉ gửi trực tiếp cho một nhóm xác định các host, các host này lại có thể thuộc cácsubnet khác nhau Host có thể lựa chọn có tham gia vào một nhóm Multicast cụ thểnào đó hay không (thường được thực hiện với thủ tục quản lý nhóm internet -Internet Group Management Protocol), trong khi đó với Broadcast, mọi host làthành viên của nhóm Broadcast bất kể nó có muốn hay không.

1.3 Phần cứng và thiết bị mạng IP

Các thiết bị mạng sử dụng phổ biến trong mạng IP là NIC, Bộ chuyển tiếp,Brigde, router Phần này sẽ giới thiệu các thiết bị được sử dụng khi cài đặt mộtmạng IP, chức năng của chúng và cách chúng tương tác với các thiết bị khác khivận hành mạng

1.3.1 Card mạng (NIC-Network Interface Card)

Card mạng là một bảng mạch cung cấp cho mạng khả năng truyền thông giữa các

hệ thống máy tính Mỗi nhà sản xuất đặt một địa chỉ vật lý cho mỗi NIC

Điều khiển truy nhập hay địa chỉ MAC: các thiết bị, cổng kết nối trong mạngLAN yêu cầu phải có địa chỉ MAC MAC là địa chỉ được chuẩn hoá tại tầng liên kết

dữ liệu trong mô hình tham chiếu OSI Những thiết bị khác trong mạng sử dụng địachỉ MAC để định vị cổng trên mạng, tạo và cập nhật bảng định đường, cấu trúc dữliệu Địa chỉ MAC dài 6 byte, quản lý bởi IEEE MAC còn được gọi là địa chỉ phầncứng hay địa chỉ vật lý

Hình 1.10 - Card mạng

1.3.2 Bộ chuyển tiếp - Repeater

Là thiết bị kết nối tại tầng vật lý, được sử dụng để liên kết các phân đoạn củamạng IP khi mở rộng Một vấn đề thông thường đối với các thiết bị liên kết mạng

đó là khi chiều dài cáp và số lượng lớn thiết bị dẫn tới tín hiệu bị suy giảm Bộchuyển tiếp giúp nhiều phân đoạn cáp truyền được xem như một đường truyền duynhất, tránh gây thất thoát dữ liệu

Bộ chuyển tiếp nhận thông tin trên mạng như một nút trên mạng, sau đó truyềnlại thông tin đó bằng cách khuyếch đại, định tín shiệu thời gian Điều này tránhđược hiện tượng tín hiệu bị suy yếu do chiều dài của cáp truyền và số lượng lớn cácthiết bị kết nối trong mạng

Bộ chuyển tiếp không làm tinh dữ liệu, lọc nhiễu bộ chuyển tiếp chỉ đơn giảnchấp nhận dữ liệu rồi chuyển tới trạm làm việc của phân đoạn mạng xa hơn Tất cảtín hiệu điện tử bao gồm tín hiệu điện nhiễu và các lỗi khác được lặp lại và khuyếchđại Số lượng các bộ chuyển tiếp và số phân đoạn mạng được kết nối được giới handựa trên tín hiệu điều hoà thời gian và những vấn đề khác

1.3.3 Switch

Switch là các thiết bị tầng liên kết, liên kết các phân mạng IP vật lý thành mộtmạng lớn hơn Giống như cầu nối, Switch chuyển tíêp lưu thông trên mạng dữ trên

địa chỉ MAC Switch có thể sử dụng một vài kỹ thuật chuyển mạch, hai kỹ thuậtphổ biến là chuyển mạch lưu trữ - chuyển tiếp (Store And Forwad Switching) vàchuyển mạch cắt (Cut Through Switching).

Trong chuyển mạch lưu trữ - chuyển tiếp (Store And Forwad Switching), toàn bộkhung phải được nhận trước khi chuyển tiếp Có nghĩa thời gian sử lý tiêm tàng tỷ

lệ với kích thước khung, khung càng lớn thì thời gian trễ qua switch càng lớn

Chuyển mạch Cut-Through cho phép switch chuyển tiếp khung khi nhận đủ mộtlượng nhất định các khung Kỹ thuật này làm giảm thời gian trễ qua switch

Store And Forwad Switching cho phép switch có thể kiểm tra lỗi ở các khungtrước khi chuyển tiếp chúng, thuộc tính không chuyển các khung lỗi là thuộc tính

ưu việt của switch

Kỹ thuật chuyển mạch Cut – Through không có được ưu điểm này, do đó switch

có thể vẫn chuyển tiếp các khung có lỗi

1.3.4 Bộ định tuyến – Router

Làm việc ở tầng mạng của mô hình OSI, kết nối các mạng riêng biệt với nhữngkiến trúc và giao thức khác nhau, cho phép xác định được đường đi tốt nhất trongmôi trường mạng Bộ định tuyến bao gồm cả phần cứng và phần mềm, cung cấpgiao diện với Ethernet, Token Ring, Frame Relay, ATM và các công nghệ khác,phần mềm bao gồm hệ điều hành, giao thức định tuyến và các phần mềm điều khiển(tuỳ chọn)

Bộ định tuyến duy trì bảng định tuyến (ghi địa chỉ mạng) để biết địa chỉ đích gói

dữ liệu và xác định đường dẫn tốt nhất Bảng này liệt kê các thông tin sau: Toàn bộ

số địa chỉ mạng đã biết, cách kết nối vào các mạng khác, các lộ trình có thể có giữanhững bộ định tuyến, phí tổn truyền dữ liệu qua các lộ trình đó, khi bộ định tuyếnnhận gói dữ liệu gửi đến mạng ở xa, chúng sẽ truyền dữ liệu đến các bộ định tuyếnquản lý mạng đích Trong một số trường hợp đây là một lợi điểm vì nó có nghĩa là

bộ định tuyến có thể:

- Phân đoạn mạng lớn thành nhiều đoạn nhỏ hơn.

- Hoạt động như một rào cản an toàn giữa các đoạn mạng

- Ngăn chặn tình trạng phát rộng (broadcast storm)

- Cô lập và lọc lưu lượng trên mạng

Bộ định tuyến chỉ làm việc với các giao thức giao thức định tuyến được nhưDECnet, IP, IPX, OSI, XNS, DDP (AppleTalk) Có các giao thức không thể địnhtuyến được như LAT, NetBEUI Có hai bộ định tuyến là tĩnh và động Loại tĩnh đòihỏi người người quản trị mạng phải tự mình cài đặt và thiết lập cấu hình bảng địnhtuyến đồng thời tự định rõ mọi lộ trình Loại tự động phát hiện lộ trình và do đóđược lập cấu hình rất ít Chúng phức tạp hơn ở chỗ phải kiểm tra thông tin từ các bộđịnh tuyến khác và đưa ra quyết định về cách gửi dữ liệu qua mạng cho từng góimột

1.4 Phân loại mạng IP

1.4.1 Mạng cục bộ LAN (Local Area Network)

Mạng LAN là một nhóm máy tính và các thiết bị truyền thông mạng được nối kếtvới nhau trong một khu vực nhỏ như một tòa nhà cao ốc, khuôn viên trường đạihọc, khu giải trí,

Đặc điểm của mạng LAN :

- Băng thông lớn, có khả năng chạy các ứng dụng trực tuyến như xem phim, hộithảo qua mạng

- Kích thước mạng bị giới hạn bởi các thiết bị

- Chi phí các thiết bị mạng tương đối rẻ

- Quản trị đơn giản

Hình 1.11 - Mô hình mạng LAN

Các công nghệ LAN phổ biến gồm :

- CSMA/CD (Carier sense Multiple Access/ Collision Avoidance )

- Token Bus

- Token Ring

1.4.2 Mạng diện rộng WAN (Wide Area Network)

Mạng WAN bao phủ vùng địa lý rộng lớn có thể là một quốc gia, một lục địa haytoàn cầu Mạng WAN thường là mạng của các công ty đa quốc gia hay toàn cầu,điển hình là mạng Internet Do phạm vi rộng lớn của mạng WAN nên thông thường,mạng WAN là tập hợp các mạng LAN, WAN nối lại với nhau bằng các phương tiệnnhư : vệ tinh (satellites), sóng viba (microwave), cáp quang, cáp điện thoại, …

Đặc điểm của mạng WAN :

- Băng thông thấp, dễ kết nối, thường chỉ phù hợp với các ứng dụng offline nhưe-mail, web, ftp,

- Phạm vi hoạt động rộng lớn không giới hạn

- Do kết nối của nhiều LAN, MAN lại với nhau nên mạng rất phức tạp và cótính toàn cầu nên thường là có tổ chức quốc tế đứng ra quản trị.

- Chi phí cho các thiết bị và các công nghệ mạng WAN rất đắt tiền

Hình 1.12 - Mô hình mạng WAN

Các công nghệ WAN phổ biến bao gồm:

- Modem

- Integrated Services Digital Network (ISDN)

- Digital Subscriber Line (DSL)

CHƯƠNG 2 CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG IP

Một trong những vấn cần giải quyết trong mạng IP là tránh sự va chạm giữa cácdịch vụ và đảm bảo chất lượng dịch vụ của chúng ở mức người dùng có thể chấpnhận được Điều này khó có thể đảm bảo nếu mạng không áp dụng các kỹ thuậtQoS

Thuật ngữ “kỹ thuật QoS” được hiểu là kỹ thuật đảm bảo chất lượng cho phépmạng có thể ước lượng và dự đoán từng thay đổi của dịch vụ về các ứng dụng, lưulượng và sử dụng nó để nâng cao các tính năng như điều khiển nguồn tài nguyên,

dự trữ băng thông và đáp ứng các yêu cầu đặc biệt Ngoài ra QoS còn góp phầnnâng cao độ an toàn và tin cậy trong mạng và có thể mở rộng các dịch vụ trongtương lai

2.1 Tổng quan về chất lượng dịch vụ

Chất lượng dịch vụ (QoS–Quality of Service) là một khái niệm rộng và có thểtiếp cận theo nhiều hướng khác nhau Theo khuyến nghị của Hiệp hội viễn thôngquốc tế ITU-T (International Telecommunication Union) chất lượng dịch vụ là tậphợp các khía cạnh của hiệu năng dịch vụ nhằm xác định cấp độ thỏa mãn của người

sử dụng đối với dịch vụ Theo IETF [ETSI – TR102] nhìn nhận chất lượng dịch vụ

là khả năng phân biệt luồng lưu lượng để mạng có các ứng xử phân biệt đối với cáckiểu luồng lưu lượng, QoS bao gồm cả việc phân loại các dịch vụ và hiệu năng tổngthể của mạng cho mỗi loại dịch vụ Chất lượng dịch vụ được nhìn nhận từ hai khíacạnh: phía người sử dụng dịch vụ và phía nhà cung cấp dịch vụ mạng

Nhìn từ khía cạnh người sử dụng dịch vụ mạng, QoS là mức độ chấp nhận chấtlượng dịch vụ mà người sử dụng dịch vụ nhận được từ nhà cung cấp dịch vụ mạngđối với các dịch vụ riêng của họ hoặc các ứng dụng mà các nhà cung cấp dịch vụcam kết với khách hàng của mình như: Voice, video và dữ liệu

Nhìn từ khía cạnh nhà cung cấp dịch vụ mạng, QoS liên quan tới khả năng cungcấp các yêu cầu chất lượng dịch vụ cho người sử dụng Có hai kiểu khả năng mạngcần thiết để 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 lưulượng mà người sử dụng đầu cuối có thể xem xét để lựu chọn một hoặc nhiều lớplưu lượng trong số các lớp lưu lượng khác nhau đó

- Thứ hai, một khi mạng đã phân biệt được các lớp lưu lượng, nó phải có cơ chế

xử lý khác nhau đối với các lớp khác nhau bằng cách bảo đảm việc cung cấp tàinguyên và phân biệt dịch vụ trong mạng

Mức độ chấp nhận dịch vụ của người sử dụng đầu cuối được xác định thông quaviệc kiểm tra các thông số mạng như khả năng mất gói, độ trễ, jitter và xác suất tắcnghẽn Số lượng và các đặc tính của các tham số trên phụ thuộc vào các kỹ thuậtthực thi QoS khác nhau trên mạng

2.1.1 Những tham số đánh giá chất lượng dịch vụ

Băng thông – Bandwidth :

Thuật ngữ băng thông được sử dụng để chỉ khả năng truyền một lượng dữ liệucủa một giao thức, phương tiện hoặc của một kết nối Nói chung, kết nối của cácdịch vụ được đảm bảo sẽ có các yêu cầu đối với mạng để cấp phát một lượng băngthông tối thiểu

Ảnh hưởng của sự thiếu hụt băng thông là gì? Sự thiếu hụt băng thông là mộttrong nhiều nguyên nhân làm giảm hiệu năng của các ứng dụng trên mạng, đặc biệt

là các ứng dụng dễ bị ảnh hưởng bởi thời gian như voice hoặc các ứng dụng yêu cầubăng thông cao như video

Độ trễ - Delay :

Độ trễ là khoảng thời gian trung bình mà gói tin được truyền đi từ nơi gửi đếnnơi nhận Thời gian này được gọi là “Độ trễ đầu cuối đến đầu cuối” Mỗi thànhphần trong tuyến kết nối từ đầu cuối đến đầu cuối như: thiết bị phát, thiết bị truyền

dẫn, thiết bị chuyển mạch và định tuyến đều có thể gây ra trễ Nhìn từ góc độ tổngquát thì có ba thành phần gây trễ: trễ lan truyền, trễ xử lý, và trễ hàng đợi.

- Trễ lan truyền là tham số có giá trị cố định phụ thuộc vào phương tiện truyền,trong khi đó tham số trễ xử lý và trễ hàng đợi trong các thiết bị định tuyến là cáctham số có giá trị thay đổi do các điều kiện thực tế của mạng

- Trễ xử lý là khoảng thời gian cần thiết của một thiết bị định tuyến để chuyểnmột gói tin từ giao diện đầu vào tới hàng đợi đầu ra và phụ thuộc vào rất nhiều yếu

tố như: Tốc độ xử lý, mức độ chiếm dụng CPU, phương thức chuyển mạch IP, kiếntrúc bộ định tuyến và các đặc tính cấu hình giao diện đầu vào và đầu ra

- Trễ hàng đợi là khoảng thời gian của gói tin nằm chờ tại hàng đợi trong mộtthiết bị định tuyến Trễ hàng đợi phụ thuộc vào số lượng và kích thước các gói tintrong hàng đợi và băng thông khả dụng trên liên kết đầu ra của thiết bị định tuyến.Trễ hàng đợi còn phụ thuộc vào kỹ thuật xếp hàng các gói tin

Độ biến thiên trễ - Jitter :

Jitter được định nghĩa là sự biến đổi trễ xuyên qua mạng trong quá trình truyềntin Nguyên nhân chính của Jitter là thời gian trễ của các gói tin khi được phân phát

từ nơi gửi đến đích là khác nhau Trong mạng chuyển mạch gói, với các thành phần

có trễ biến đổi thì hiện tượng Jitter luôn xảy ra Bởi vậy một vấn đề cần đặt ra làlàm sao cho ảnh hưởng của Jitter không đủ để làm suy giảm chất lượng dịch vụ

Mất gói – Packet loss :

Tỉ lệ mất gói là tỉ lệ phần trăm số gói tin IP bị mất trên tổng số toàn bộ số gói IP

phía đầu gửi đã chuyển vào mạng cho phía đầu nhận Mất gói xảy ra khi các bộ địnhtuyến tràn không gian bộ đệm trong các giao diện đầu vào để tiếp nhận thêm các góitin mới đi vào Một bộ định tuyến có thể bỏ qua một số gói tin để dành không giancho các gói tin khác có độ ưu tiên cao hơn Các bộ định tuyến IP thông thường sẽloại bỏ gói tin vì một số lý do khác như: Loại bỏ gói tin tại hàng đợi đầu vào vìhàng đợi đầu vào đầy, loại bỏ các gói ở đầu ra vì bộ đệm đầu ra đầy, bộ định tuyến

quá tải không chỉ định được không gian bộ đệm rỗi cho các gói đi vào và một sốhiện tượng do gói tin bị lỗi khung.

2.1.2 Các nguyên tắc QoS

Nguyên tắc tích hợp :

Cho thấy rằng QoS phải có khả năng cấu hình được, có thể dự đoán trước và duytrì được trên toàn bộ các lớp cấu trúc để đáp ứng QoS từ đầu cuối đến đầu cuối Cácluồng di chuyển dọc theo các module tài nguyên (ví dụ như CPU, bộ nhớ, thiết bị đaphương tiện, mạng ) tại mỗi lớp từ thiết bị truyền thông nguồn, đi xuống ngăn xếpgiao thức nguồn, đi xuyên qua mạng, đi lên ngăn xếp giao thức phía thu và tới thiết

bị bên ngoài Mỗi module nguồn mà luồng đi qua phải cung cấp khả năng cấu hìnhQoS (dựa trên các đặc tính kỹ thuật của QoS), sự đảm bảo nguồn (được cung cấpbởi cơ cấu điều khiển QoS) và duy trì các luồng đang truyền

Nguyên tắc phân tách :

Cho thấy các việc truyền, điều khiển và quản lý là các hoạt động cấu trúc phânbiệt về chức năng Nguyên lý này cho thấy rằng các ngăn xếp đó phải được phântách theo cấu trúc QoS Framework Một khía cạnh của hoạt động này là sự phânbiệt giữa báo hiệu và dữ liệu truyền Thường luồng dữ liệu yêu cầu cấp băng thôngcao, trễ nhỏ như, nhưng có những luồng dữ liệu chỉ yêu cầu băng thông thấp nhưbáo hiệu và các dịch vụ thuộc loại được đảm bảo

Nguyên tắc trong suốt :

Cho thấy rằng các ứng dụng được bảo vệ khỏi sự phức tạp của các đặc tính kỹ

thuật cơ bản của QoS và việc quản lý QoS Một khía cạnh quan trọng của tính trongsuốt đó là API dựa trên cơ sở QoS mà tại đó các mức QoS cần thiết được khai báo.Lợi ích của tính trong suốt là nó giảm nhu cầu đưa các chức năng vào ứng dụng,giấu đi các chi tiết của đặc tính kỹ thuật cơ bản khỏi ứng dụng và nó giao phó sựphức tạp của việc xử lý các hoạt động quản lý QoS cho Framework nằm dưới

Nguyên tắc định lượng thời gian :

Hướng dẫn sự phân chia chức năng giữa các module cấu trúc gắn liền với môhình của cơ chế điều khiển và quản lý Đây là việc bắt buộc nó phản ánh trực tiếptính chính xác thời gian gốc, việc bắt buộc theo thời gian gốc là hoạt động songsong cùng với các hoạt động quản lý nguồn (ví dụ như lập lịch, quản lý luồng, địnhtuyến, quản lý QoS ) trong môi trường truyền thông phân tán

Nguyên tắc thực thi :

Gộp rất nhiều các quy tắc bổ sung vào các hệ thống truyền thông được thực hiệnbởi QoS được công nhận rộng rãi mà các hệ thống đó hướng dẫn sự phân chia chứcnăng trong việc cấu trúc nên các giao thức truyền thông để có hiệu quả cao tuỳ theocác nguyên lý thiết kế hệ thống, tránh phải ghép kênh, khuyến nghị cho việc cấutrúc nên các giao thức truyền thông, và sử dụng các trợ giúp phần cứng cho quátrình xử lý giao thức có hiệu quả

2.1.3 Các mô hình đảm bảo QoS

Hiện nay, có 3 mô hình chủ yếu đang thực thi QoS trên mạng IP đó là mô hìnhBest – Effort (Mô hình nỗ lực tối đa), mô hình Integrated service (Mô hình tích hợpdịch vụ) và Differentiated Services (Mô hình phân biệt dịch vụ)

Với mô hình Best – Effort, QoS không được áp dụng cho các gói tin truyền điqua mạng Nếu như các gói tin là không quan trọng, không cần biết nó đến đích haykhông, và các gói tin đến đích như thế nào thì mô hình Best – Effort là mô hìnhthích hợp để thực thi

Mô hình tích hợp dịch vụ (Integrated service) là mô hình nâng cao hiệu nănghoạt động của mô hình mạng IP bằng việc hỗ trợ việc truyền các lưu lượng thời gianthực và đảm bảo băng thông cho từng luồng lưu lượng này bằng cách dự trữ tàinguyên từ đầu cuối đến đầu cuối đảm bảo cho các luồng lưu lượng thời gian thựcđược bảo đảm theo yêu cầu

Mô hình phân biệt dịch vụ (Differentiated Services) không xử lý theo từng luồnglưu lượng riêng biệt, do đó nó không sử dụng trạng thái của từng luồng trong các bộđịnh tuyến mà nó nhóm từng luồng lưu lượng riêng biệt đó thành các nhóm hoặccác lớp lưu lượng cùng với các tham số khác nhau của QoS lại với nhau Đây là môhình được coi là bước phát triển tiếp theo nhằm khắc phục các hạn chế của mô hìnhtích hợp dịch vụ.

Hình 2.1 - Các mô hình đảm bảo QoS

Mô hình Best-Effort :

Mô hình Best – Effort là mô hình đầu tiên được áp dụng cho các gói tin quamạng Internet QoS không được áp dụng cho các gói tin truyền đi qua mạng Nókhông phân biệt các gói tin qua mạng và phân biệt các dịch vụ cho các gói tin, cácgói tin được truyền đi từ điểm đầu cuối này sang điểm đầu cuối khác mà không cóbất kì một cơ chế bảo đảm băng thông hoặc thời gian tối thiểu của độ trễ cho các góitin Các yêu cầu trên Internet được đối xử theo nguyên tắc “Đến trước, ra trước”.Điều này có nghĩa là tất cả các yêu cầu có cùng độ ưu tiên và được xử lý theo chiếnlược vào trước ra trước Vì vậy nó không có khả năng dành trước băng thông chocác kết nối đặc biệt hoặc ưu tiên cho các yêu cầu đặc biệt

Hình 2.2 - Mô hình Best – Effort

Ưu điểm của mô hình Best – Effort là gần như không hạn chế khả năng leo thangtrên mạng Chỉ có một cách duy nhất để hạn chế sự leo thang trên mạng là hạn chếbăng thông, trong trường hợp này tất cả lưu lượng đến có cùng tính chất như nhau.Nhược điểm của mô hình này là không bảo đảm chất lượng dịch vụ Các gói tinkhông có sự ưu tiên trong đối xử Gói tin quan trọng được đối xử như các gói tinbình thường Dịch vụ Best Effort rất phù hợp cho những ứng dụng của mạng dảirộng như truyền file hoặc email Cho đến thời điểm này đa phần các dịch vụ đượccung cấp bởi mạng Internet vẫn sử dụng mô hình dịch vụ này

Mô hình dịch vụ tích hợp (Integrated Service) :

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 truyềnthống Best Effort và các dịch vụ thời gian thực

Sau đây là những động lực thúc đẩy sự ra đời của mô hình này:

- Dịch vụ Best Effort không còn đủ đáp ứng nữa: Ngày càng có nhiều ứng dụngkhác nhau, các yêu cầu khác nhau về đặc tính lưu lượng được triển khai, đồng thờingười sử dụng cũng yêu cầu chất lượng dịch vụ ngày càng cao hơn

- Các ứng dụng đa phương tiện ngày càng xuất hiện nhiều: Mạng IP phải có khảnăng hỗ trợ không chỉ đơn dịch vụ mà còn hỗ trợ đa dịch vụ của nhiều loại lưulượng khác nhau từ thoại, số liệu đến video.

- Tối ưu hóa hiệu suất sử dụng mạng và tài nguyên mạng: Đảm bảo hiệu quả sửdụng và đầu tư Tài nguyên mạng sẽ được dự trữ cho lưu lượng có độ ưu tiên caohơn

- Cung cấp dịch vụ tốt nhất: 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 2.3 - Mô hình IntServMột số thành phần trong mô hình như:

- Giao thức thiết lập Setup: cho phép các máy chủ và các router dự trữ động tàinguyên mạng để xử lý các yêu cầu của các luồng lưu lượng riêng RSVP (ResourceReservation Protocol), Q2391 là một trong những giao thức đó

- Đặc tính luồng: xác định chất lượng dịch vụ QoS sẽ cung cấp cho các luồngxác định, luồng ở đây được định nghĩa như một luồng các gói từ nguồn đến đích cócùng yêu cầu về QoS như băng tần tối thiểu mà mạng bắt buộc phải cung cấp đểđảm bảo QoS cho các luồng yêu cầu

- Điều khiển lưu lượng: Trong các thiết bị mạng (máy chủ, router, chuyển mạch)

có thành phần điều khiển và quản lý tài nguyên mạng cần thiết để hỗ trợ QoS theoyêu cầu Các thành phần điều khiển lưu lượng này có thể được khai báo bởi giaothức báo hiệu RSVP hay nhân công Thành phần điều khiển lưu lượng bao gồm:

- Điều khiển chấp nhận: Xác định các thiết bị mạng có khả năng hỗ trợ QoStheo yêu cầu hay không

- Thiết bị phân lớp (Classifier): Nhận dạng và chọn lựa lớp dịch vụ trên nộidung của một số trường nhất định trong mào đầu gói

- Thiết bị lập lịch và phân phối (Scheduler): Cung cấp các mức chất lượng dịch

vụ (QoS) ở kênh đầu ra của thiết bị

Các mức QoS cung cấp bởi IntServ gồm:

- Dịch vụ Best Effort

- Dịch vụ đảm bảo GS (Guaranteed Service)

- Dịch vụ kiểm soát tải CL (Controlled Load)

Dịch vụ đảm bảo GS (Guaranteed Service) : GS cung cấp các dịch vụ chất lượngcao như: Dành riêng băng thông, giới hạn độ trễ tối đa và không bị mất gói tin tronghàng đợi Các ứng dụng có thể kể đến: Hội nghị truyền hình chất lượng cao, thanhtoán tài chính thời gian thực,

Dịch vụ kiểm soát tải CL (Controlled Load) : CL không đảm bảo về băng tần hay

trễ, nhưng khác với Best Effort ở điểm không giảm chất lượng một cách đáng kể khitải mạng tăng lên Dịch vụ này phù hợp cho các ứng dụng không nhạy cảm lắm với

độ trễ hay mất gói như truyền hình multicast audio/video chất lượng trung bình

Mô hình dịch IntServ có thể sử dụng giao thức báo hiệu RSVP cung cấp nhiềuloại hình dịch vụ khác nhau Guaranteed Rate Service loại hình này cho phép dànhsẵn độ rông băng thông để phù hợp với những yêu cầu của chúng, Ví dụ ứng dụngVoIP có thể dành 32 Mbps từ đầu cuối đến đầu cuối sử dụng loại hình dịch vụ này

QoS sử dụng xếp hàng cân bằng trọng số (WFQ) kết hợp với giao thức dành sẵn tàinguyên (RSVP) để cung cấp loại hình dịch vụ này.

Giao thức dành sẵn tài nguyên RSVP (Resource Reservation Protocol) :

RSVP là giao thức chuẩn cho phép cài đặt QoS đầu cuối đến đầu cuối trên mộtmạng hỗn hợp RSVP chạy trên nền IP rất hữu hiệu trong dự trữ băng thông mạng

Sử dụng RSVP, các ứng dụng có thể yêu cầu mức QoS xác định cho một luồng dữliệu vận chuyển qua mạng

Trên các nền ứng dụng của QoS, RSVP có thể được khởi tạo thông qua RSVPproxy RSVP cũng chỉ là một giao thức báo hiệu tiêu chuẩn được thiết kế để đảmbảo băng thông từ đầu cuối này đến đầu cuối kia trong mạng IP Nếu 1 node mạngkhông hỗ trợ RSVP thì RSVP sẽ di chuyển đến node kế tiếp Một node mạng có tùychọn là đồng ý hay từ chối sự dành riêng căn cứ vào tải của giao tiếp mà dịch vụyêu cầu

Hình 2.4 - Hoạt động của mô hình mạng sử dụng RSVPRSVP không định tuyến chính nó và không hiệu chỉnh bảng định tuyến IP, thayvào đó nó sử dụng các giao thức định tuyến để xác định ở đâu cần gửi các yêu cầudành riêng (reservation)

RSVP hoạt động trong mối liên kết với các cơ chế hàng đợi hiện thời Chúng ta

có thể sử dụng RSVP để điều khiển tải trọng và đảm bảo tốc độ dịch vụ

RSVP là một đặc tính quan trọng của QoS nhưng nó không giải quyết tất cả cácvấn đề đưa ra bởi QoS, Vd như thời gian cần để thiết lập một sự đăng ký dành riêng

từ đầu cuối đến đầu cuối, khả năng phát triển, điều khiển chấp nhận (admission) Các host và router phân phối các yêu cầu QoS tới các router trên suốt đườngtruyền dữ liệu và duy trì trạng thái cung cấp dịch vụ được yêu cầu từ trước, thôngthường đó là băng thông và yếu tố trễ RSVP sử dụng tốc độ truyền dữ liệu trungbình (mean data rate - lượng dữ liệu lớn nhất mà router có thể lưu trữ trong hàngđợi) và tối thiểu hóa QoS (đảm bảo lượng băng thông được yêu cầu) để xác địnhlượng băng thông dành riêng

Khi một Host dùng RSVP để yêu cầu một dịch vụ QoS nó sẽ gửi yêu cầu tớimạng trên một nửa của luồng truyền dữ liệu Dịch vụ QoS được yêu cầu bởi RSVP,tuy nhiên nó để cho các cơ chế hàng đợi thực hiện sự dành riêng đó

RSVP chuyên trở yêu cầu xuyên xuốt tất cả các nút trong mạng ở trên đườngtruyền dữ liệu Tại đó yêu cầu dự trữ tài nghuyên cho luồng dữ liệu thông quamodule điều khiển truy nhập của chính node đó

Chú ý rằng với RSVP, một ứng dụng có thể được gửi với tốc độ lớn hơn yêu cầuđưa ra bởi QoS, tuy nhiên dịch vụ đó chỉ được đảm bảo tại tốc độ yêu cầu tối thiểu.Nếu băng thông khả dụng lưu lượng sẽ được truyền đi với tốc độ lớn hơn tốc độ yêucầu, còn nếu như không đủ toàn bộ phần lưu lượng vượt quá sẽ bị rớt

Controlled Load Service, loại hình này cho phép các ứng dụng có độ trễ thấp vàtốc độ lưu lượng cao thậm trí ngay cả khi tắc nghẽn Ví dụ các ứng dụng khôngnhạy cảm với thời gian thực như khi phát lại băng ghi âm cuộc hội thoại có thể sửdụng loại hình dịch vụ này QoS sử dụng RSVP kết hợp với Weighted Randomearly Detect (WRED) cung cấp loại hình dịch vụ này

Mô hình Differentiated Service :

Việc đưa ra mô hình IntServ có vẻ như giải quyết được nhiều vấn đề liên quanđến QoS trong mạng IP Tuy nhiên trong thực tế mô hình này đã không đảm bảođược QoS xuyên suốt (end to end) Đã có nhiều cố gắng nhằm thay đổi điều nàynhằm đạt một mức QoS cao hơn cho mạng IP, và một trong những cố gắng đó là sự

ra đời của DiffServ

DiffServ sử dụng việc đánh dấu gói và xếp hàng theo loại để hỗ trợ dịch vụưutiên qua mạng IP Hiện tại IETF đã có một nhóm nghiên cứu DiffServ để đưa ra cáckhuyến cáo RFC về DiffServ

Nguyên tắc cơ bản của DiffServ như sau:

- Phân loại và đánh dấu các gói riêng biệt tại biên của mạng vào các lớp dịch vụ.Việc phân loại có thể dựa trên nhiều cách thức như sửa dạng lưu lượng, loại bỏ góitin, và cuối cùng là đánh dấu trường DS (DiffServ) trong mào đầu gói tin để chỉ thịlớp dịch vụ cho gói tin

- Điều chỉnh lưu lượng này tại biên mạng DS là mô hình có sự phân biệt dịch

vụ trong mạng có nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm cả lưu lượng thời gian thực

có thể được đáp ứng mức dịch vụ của chúng trong khi vẫn có khả năng mở rộng cáchoạt động trong mạng IP lớn Khả năng mở rộng có thể đạt được bằng:

- Chia nhỏ lưu lượng ra thành nhiều lớp khác nhau

- Ánh xạ nhiều ứng dụng vào trong các lớp dịch vụ này trên biên mạng Chứcnăng ánh xạ này đựơc gọi là phân loại (classification) và điều hoà (conditioning)lưu lượng

- Cung cấp các xử lý cố định cho mỗi lớp dịch vụ tại mỗi hop (được gọi là hop behavior - PHB) tương ứng với các yêu cầu QoS của nó PHB bao gồm hàngđợi, phân lịch, và các cơ chế loại bỏ gói tin