Nghiên cứu và triển khai dịch vụ QoS trên window server 2008

Ngày nay nghành công nghiệp viễn thông đã đạt được những thành tựu to lớn và trở thành một ngành không thể thiếu trong đời sống con người. Nhờ sự phát triển của kỹ thuật số, kỹ thuật phần cứng và các công nghệ phần mềm đã và đang đem lại cho người sử dụng các dịch vụ mới đa dạng và phong phú. Mạng IP và các dịch vụ ứng dụng công nghệ IP với các ưu điểm như tính linh hoạt, khả năng mở rộng dễ dàng và đạt hiệu quả cao … đã và đang dần chiếm ưu thế trên thị trường viễn thông thế giới. Nhiều nghiên cứu về công nghệ IP đã được thực hiện để đưa ra các giải pháp tiến đến một mạng hội tụ toàn IP. Tuy nhiên mạng IP hiện nay mới chỉ là mạng “Best Effort” -một mạng nỗ lực tối đa, mà không hề có bất kì một sự bảo đảm nào về chất lượng dịch vụ của mạng. Đồ án này nghiên cứu về QoS với mong muốn hiểu them về chất lượng dịch vụ trong mạng IP và đưa QoS vào mạng để có được một mạng IP có QoS chứ không chỉ là mạng “Best Effort”.

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

  

-ĐỒ ÁN CHUYÊN ĐỀ NGÀNH: MẠNG MÁY T ÍNH

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU VÀ TRIỂN KHAI DỊCH VỤ QoS TRÊN WINDOW SERVER 2008

GVHD: Th.S Lê Kim Trọng SVTH: Phan Tấn Bảo Lớp: CCMM07A

Qua đây , Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Th.S Lê Kim Trọng đã tận

tình chỉ bảo , giúp đỡ Em hiểu rõ hơn về vấn đề QoS trong mạng IP Em cũng xin cảm

ơn các Thầy Cô và Bạn bè trong khoa công nghệ thông tin đã tạo điều kiện để Emhoàn thành đồ án này

Trong quá trình làm đồ án, do thời gian hạn hẹp nên bài báo cáo chuyên đề chắcchắn sẽ không tránh khỏi những sai sót Kính mong nhận được sự góp ý từ quý Thầy,

Cô và các bạn để kiến thức của em ngày càng hoàn thiện hơn và rút ra những kinhnghiệm bổ ích có thể áp dụng vào thực tiễn một cách hiệu quả trong tương lai

Kính chúc thầy cô luôn vui vẻ, hạnh phúc, dồi dào sức khỏe và thành công trongcông việc

Em xin chân thành cảm ơn.

Đà Nẵng, tháng 6 năm 2016

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC HÌNH ẢNH 5

LỜI NÓI ĐẦU 6

CHƯƠNG 1 7

TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ QoS 7

1.1 KHÁI NIỆM VỀ QoS 7

CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ QoS VÀ CÁC THAM SỐ QoS 7

1.2.1.Các vấn đề chung của chất lượng dịch vụ QoS 8

1.2.2.Cấp độ dịch vụ GoS (Grade of Service) 11

1.2.3.Kiểu dịch vụ ToS và lớp dịch vụ CoS 12

1.2.4.Các tham số chất lượng dịch vụ 13

1.2 CÁC YÊU CẦU CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ 15

1.3 CÁC VẤN ĐỀ ĐỂ ĐẢM BẢO QOS 17

1.3.1 Cung cấp QoS 18

1.3.2 Điều khiển QoS 18

1.3.3 Quản lý QoS 19

CHƯƠNG 2 21

KỸ THUẬT ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ IP 21

2.1GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ QoS IP 21

2.1.1 Lịch sử phát triển các mô hình QoS cho mạng IP 21

2.1.2.Sự cần thiết của QoS trong mạng IP 23

2.1.3 Một số tham số cơ bản ảnh hưởng tới QoS IP thực tế 24

2.3 CÁC KỸ THUẬT ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ IP 32

2.3.1 Kỹ thuật đo lưu lượng và màu hoá lưu lượng 33

2.3.2 Kỹ thuật quản lý hàng đợi tích cực 37

2.3.3 Kỹ thuật lập lịch cho gói tin 39

2.3.4 Kỹ thuật chia cắt lưu lượng 43

CHƯƠNG III : QUẢN LÝ BĂNG THÔNG BẰNG CÁCH 46

TRIỂN KHAI GPO 46

KẾT LUẬN 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Các khía cạnh của chất lượng dịch vụ 9

Hình 1.2: Trường kiểu dịch vụ trong tiêu đề IPv4 12

Hình 1.3: Các thành phần trong cơ cấu đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS 18

Hình 2.1: Các bước phát triển của mô hình QoS 21

Hình 2.2: Tích hợp dịch vụ IntServ và phân biệt dịch vụ DiffServ 22

Hình 2.3: Băng thông khả dụng 24

Hình 2.4: Trễ tích luỹ từ đầu cuối tới đầu cuối 25

Hình 2.5: Trễ xử lý và hàng đợi 26

Hình 2.6: Tổn thất gói vì hiện tượng tràn bộ đệm đầu ra 27

Hình 2.7: Các yêu cầu chức năng cơ bản của một bộ định tuyến IP 28

Hình 2.8: Phương pháp phân loại gói đa trường chức năng 29

Hình 2.9: Phương pháp phân loại gói theo hành vi kết hợp BA 30

Hình 2.10: Nguyên lý quản lý hàng đợi thụ động 31

Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý của lập lịch gói tin IP 32

Hình 2.12: Khoảng thời gian CIR và CBS 33

Hình 2.13: Gáo C, gáo E và chế độ mù màu srTCM 34

Hình 2.14: Chế độ hoạt động rõ màu srTCM 35

Hình 2.15: Gáo rò C, P và chế độ hoạt động mù màu trTCM 36

Hình 2.16: Chế độ hoạt động rõ màu trTCM 37

Hình 2.17: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của RED 37

Hình 2.18: Hoạt động thông báo tắc nghẽn hiện ECN 39

Hình 2.19: Hàng đợi ưu tiên PQ 40

Hình 2.20: Hàng đợi công bằng FQ 41

Hình 2.21: Hàng đợi quay vòng theo trọng số WRR 42

Hình 2.22: Chia cắt lưu lượng thuần 43

Hình 2.23: Chia cắt lưu lượng bùng nổ kiểu gáo rò 44

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay nghành công nghiệp viễn thông đã đạt được những thành tựu to lớn vàtrở thành một ngành không thể thiếu trong đời sống con người Nhờ sự phát triển của

kỹ thuật số, kỹ thuật phần cứng và các công nghệ phần mềm đã và đang đem lại chongười sử dụng các dịch vụ mới đa dạng và phong phú

Mạng IP và các dịch vụ ứng dụng công nghệ IP với các ưu điểm như tính linhhoạt, khả năng mở rộng dễ dàng và đạt hiệu quả cao … đã và đang dần chiếm ưu thếtrên thị trường viễn thông thế giới Nhiều nghiên cứu về công nghệ IP đã được thựchiện để đưa ra các giải pháp tiến đến một mạng hội tụ toàn IP Tuy nhiên mạng IP hiệnnay mới chỉ là mạng “Best Effort” -một mạng nỗ lực tối đa, mà không hề có bất kì một

sự bảo đảm nào về chất lượng dịch vụ của mạng Đồ án này nghiên cứu về QoS vớimong muốn hiểu them về chất lượng dịch vụ trong mạng IP và đưa QoS vào mạng để

có được một mạng IP có QoS chứ không chỉ là mạng “Best Effort”

Chất lượng dịch vụ mạng luôn là một vấn đề quan tâm của cả người sử dụng dịch

vụ và nhà cung cấp dịch vụ Cùng với sự phát triển bùng nổ các dịch vụ trên nền IP làhàng loạt các yêu cầu và giải pháp kỹ thuật nhằm cải thiện chất lượng dịch vụ IP Sựphát triển mạnh mẽ của các giải pháp đã làm thay đổi rất lớn trong lĩnh vực này thậmchí cả những vấn đề khái niệm và định nghĩa

Đồ án này gồm 3 chương với nội dung như sau:

Chương 1 : Tổng quan về chất lượng dịch vụ QoS

Chương 2 : Kỹ thuật đảm bảo chất lượng dịch vụ IP

Chương 3 : Quản lí băng thông bằng cách triển khai GPO

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ QoS

Chương đầu tiên của cuốn đồ án này giới thiệu các vấn đề tổng quan về chất lượng dịch vụ QoS, phương pháp tiếp cận trong chương này đi từ các thuật ngữ, định nghĩa, yêu cầu và các vấn đề cơ bản của chất lượng dịch vụ tới các mô hình và cơ cấu khung làm việc của chất lượng dịch vụ QoS trong mạng chuyển mạch gói nói chung, các vấn đề chung sẽ được chi tiết hoá trong các chương tiếp theo.

1.1 KHÁI NIỆM VỀ QoS

Khái niệm về QoS Chất lượng dịch vụ (QoS – Quality of Service) là một kháiniệm rộng và có thể tiếp cận theo nhiều hướng khác nhau Theo khuyến nghị của Hiệphội viễn thông quốc tế ITU-T (International Telecommunication Union) chất lượngdịch vụ là tập hợp các khía cạch của hiệu năng dịch vụ nhằm xác định cấp độ thỏa mãncủa người sử dụng đối với dịch vụ Theo IETF [ETSI – TR102] nhìn nhận chất lượngdịch vụ là khả năng phân biệt luồng lưu lượng để mạng có các ứng xử phân biệt đốivới các kiểu luồng lưu lượng, QoS bao gồm cả việc phân loại các dịch vụ và hiệu năngtổng thể của mạng cho mỗi loại dịch vụ Chất lượng dịch vụ được nhìn nhận từ haikhía cạnh: 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 mạng đốivới các dịch vụ riêng của họ hoặc các ứng dụng mà các nhà cung cấp dịch vụ cam kếtvới 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 mạng cầnthiết 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 lớp lưulượng 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 cơchế 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 sửdụng đầu cuối được xác định thông qua việc kiểm tra các thông số mạng như khả năngmất gói, độ trễ, jitter và xác suất tắc nghẽn Số lượng và các đặc tính của các tham sốtrên phụ thuộc vào các kỹ thuật thực thi QoS khác nhau trên mạng

1.2.1 Các vấn đề chung của chất lượng dịch vụ QoS

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

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

khía cạnh của hiệu năng dịch vụ nhằm xác định cấp độ thoả mãn của người sử dụng đối với dịch vụ” ISO 9000 định nghĩa chất lượng là “cấp độ của một tập các đặc tính vốn có đáp ứng đầy đủ các yêu cầu” Trong khi IETF [ETSI - TR102] nhìn nhận QoS

là khả năng phân biệt luồng lưu lượng để mạng có các ứng xử phân biệt đối với cáckiểu luồng lưu lượng, QoS bao trùm cả phân loại hoá dịch vụ và hiệu năng tổng thểcủa mạng cho mỗi loại dịch vụ

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

chất lượng dịch vụ là xác định mức độ hài lòng của người sử dụng đối với dịch vụ”.

Ngoài ra, QoS mang một ý nghĩa là “khả năng của mạng đảm bảo và duy trì các mức

thực hiện nhất định cho mỗi ứng dụng theo như các yêu cầu đã được chỉ rõ của mỗi người sử dụng” Chất lượng dịch vụ QoS được nhìn nhận từ hai khía cạnh: phía người

sử dụng dịch vụ và phía mạng

Từ khía cạnh người sử dụng dịch vụ, QoS được coi là mức độ chấp nhận dịch vụcủa người sử dụng và thường được đánh giá trên thang điểm đánh giá trung bình MoS(Mean of Score) QoS cần được cung cấp cho mỗi ứng dụng để người sử dụng có thểchạy ứng dụng đó và mức QoS mà ứng dụng đòi hỏi chỉ có thể được xác định bởingười sử dụng, bởi vì chỉ người sử dụng mới có thể biết được chính xác ứng dụng củamình cần gì để hoạt động tốt Tuy nhiên, không phải người sử dụng tự động biết đượcmạng cần phải cung cấp những gì cần thiết cho ứng dụng, họ phải tìm hiểu các thôngtin cung cấp từ người quản trị mạng và chắc chắn rằng, mạng không thể tự động đặt raQoS cần thiết cho một ứng dụng của người sử dụng MOS dao động từ mức (1-tồi) đếnmức (5- xuất sắc) và các nhà cung cấp dịch vụ dựa vào mức MOS này để đưa ra mứcchất lượng dịch vụ phù hợp cho dịch vụ của mình

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

mô hình E là một giá trị truyền dẫn chung gọi là nhân tố tốc độ truyền dẫn R(Transmission Rating Factor) thể hiện chất lượng đàm thoại giữa người nói và ngườinghe R dao động từ 1 đến 100 tuỳ thuộc vào các sơ đồ mạng cụ thể Giá trị R càng lớnthì mức chất lượng dịch vụ càng cao Đối với dịch vụ thoại qua IP, mô hình E là mộtcông cụ đắc lực để đánh giá chất lượng dịch vụ Mô hình E có thể được sử dụng đểhiểu các đặc điểm của mạng và thiết bị ảnh hưởng như thế nào đến chất lượng thoạitrong mạng VoIP Các yếu tố ảnh hưởng đến sự suy giảm R là loại mã hoá, độ trễ,tiếng dội, mất gói, và thuật toán mã hoá thông tin Giá trị đầu ra của mô hình E có thể

chuyển thành giá trị MOS tương ứng để đánh giá chất lượng dịch vụ [1].

Từ khía cạnh dịch vụ mạng, QoS liên quan tới năng lực cung cấp các yêu cầuchất lượng dịch vụ cho người sử dụng Có hai kiểu năng lực mạng để cung cấp chấtlượng dịch vụ trong mạng chuyển mạch gói

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

 Thứ hai, một khi mạng có các lớp dịch khác nhau, mạng phải có cơ chế ứng xửkhác nhau với các lớp bằng cách cung cấp các đảm bảo tài nguyên và phân biệt dịch

vụ trong mạng

Hình 1.1: Các khía cạnh của chất lượng dịch vụ

Các phương pháp cơ bản để xác định chất lượng dịch vụ mạng bao gồm quá trìnhphân tích lưu lượng và các điều kiện của mạng, thông qua các bài toán được mô hìnhhoá hoặc đo kiểm trực tiếp các thông số mạng để đánh giá các tiêu chuẩn khách quan.Mức độ chấp nhận dịch vụ từ phía người sử dụng có thể được kiểm tra qua các thông

số mạng như khả năng tổn thất gói, độ trễ, trượt và xác suất tắc nghẽn Số lượng vàđặc tính các tham số chất lượng phụ thuộc rất lớn vào cơ cấu mạng cung cấp dịch vụ.Một khung làm việc chung của kiến trúc chất lượng dịch vụ QoS được nhìn từkhía cạnh mạng gồm có:

 Các phương pháp để yêu cầu và nhận các mức của dịch vụ qua các hình thứcthỏa thuận mức dịch vụ SLA (Service Level Agreements) Một SLA là định dạng yêucầu mức dịch vụ gồm có các tham số QoS như băng thông, độ trễ Các thỏa thuận này

là một hình thức giao kèo dịch vụ giữa khách hàng và nhà cung cấp dịch vụ Các nhàcung cấp dịch vụ cần SLA để hướng lưu lượng đầu vào của khách hàng tới mạng phù

hợp, còn người sử dụng cần SLA để hiểu các ứng dụng của mình nhận được các mứcdịch vụ như thế nào.

 Báo hiệu, phân phối bộ đệm và quản lý bộ đệm cho phép đáp ứng yêu cầu mứcdịch vụ thông qua các giao thức dành trước tài nguyên cho ứng dụng

 Điều khiển những ứng dụng có sai lệch trong việc thiết lập các mức dịch vụ,thông qua quá trình phân loại lưu lượng, hướng tới chính sách quản lý và thực thi đốivới từng luồng lưu lượng nhằm xác định kỹ thuật điều khiển lưu lượng phù hợp.Phânloại lưu lượng có thể sử dụng ở lớp liên kết, lớp mạng, truyền tải hoặc các lớp kháccao hơn Phương pháp sắp xếp cho luồng lưu lượng qua mạng trong một chừng mựcnào đó mà có thể đảm bảo thoả thuận các mức dịch vụ sử dụng, bằng các phương phápđịnh tuyến trên nền tảng QoS

 Các phương pháp tránh tắc nghẽn, quản lý tắc nghẽn, hàng đợi, và thiết lập đểngăn chặn các điều kiện sự cố mạng gây ra những hậu quả bất lợi ảnh hưởng tới mứcdịch vụ Quản lý tắc nghẽn cho phép các thành phần mạng để điều khiển tắc nghẽnbằng cách xác định thứ tự trong các gói được truyền đi dựa vào các quyền ưu tiên hoặc

là các mức dịch vụ gán cho các gói tin đó Nó cần tạo ra hàng đợi, chỉ định các gói tintới hàng đợi và thiết lập các gói tin trong hàng đợi Quản lý tắc nghẽn không phải là

cơ chế phòng ngừa, nhưng là một cơ chế tác động ngược khi các điều kiện tắc nghẽnphát sinh trong mạng Cắt giảm và dò tìm ngẫu nghiên RED (Random EarlyDetection) là một trong các kỹ thuật để ngăn ngừa tắc nghẽn Thuật toán RED tậndụng các tính năng tác động ngược của TCP và rất phù hợp tới mạng TCP/IP Các tácđộng ngược cho phép cắt giảm lưu lượng cấp phát vào mạng khi tốc độ đường truyềnchậm Tận dụng các tính năng này, thuật toán RED thực hiện cắt giảm các gói tin ngẫunhiên thậm chí trước khi sự tắc nghẽn xảy ra

 Chính sách quản lý cho phép thực hiện các luật áp dụng cho các gói tin quamạng trên nền chính sách chung Mỗi lớp lưu lượng có một giới hạn nhất định số cácgói tin được chấp nhận trong một khoảng thời gian nhất định Chính sách quản lý liênquan các hoạt động của thiết bị xử lý gói tin và hiện trạng của mạng từ đó sẽ quyếtđịnh hình thức thỏa thuận mức dịch vụ

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

 Lớp ứng dụng AL (Application Layer): Chất lượng dịch vụ QoS được nhậnthức là “mức độ dịch vụ” Khái niệm này rất khó được định lượng chính xác, chủ yếudựa vào đánh giá của con người, mức độ hài lòng đối với dịch vụ đó

 Lớp truyền tải TL (Transport Layer): Chất lượng dịch vụ được thực hiện bởikiến trúc logic của mạng, các cơ chế định tuyến và báo hiệu đảm bảo chất lượng dịchvụ.

 Lớp mạng NL (Network Layer): Chất lượng dịch vụ được thể hiện qua cáctham số lớp mạng tương đối gần với các tham số chúng ta thường gặp, được biểu diễnthông qua các đại lượng toán học như: Tỷ lệ lỗi, giá trị trung bình, giá trị lớn nhất củacác tham số như băng thông, độ trễ và độ tin cậy của luồng lưu lượng

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

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

1.2.2 Cấp độ dịch vụ GoS (Grade of Service)

Một khía cạnh kỹ thuật của chất lượng dịch vụ thường được nhìn nhận như là cấp

độ dịch vụ GoS, GoS thường được sử dụng trong công nghiệp viễn thông để chỉ ra cácthành phần bổ sung chất lượng dịch vụ tổng thể của người sử dụng nhận được Rấtnhiều các thành phần gồm cả phía kỹ thuật mạng và người sử dụng được đánh giá quacấp độ dịch vụ, chủ yếu là các thành phần kỹ thuật có thể đo được như (băng thông,trễ) Cấp độ dịch vụ được định nghĩa dưới đây:

Nếu có một sự kiện lỗi xảy ra trong một mạng, hoặc một phần của mạng thì lưulượng sẽ tăng lên rất nhanh vượt quá giới hạn xử lý của mạng, và kết quả là có hiệntượng tắc nghẽn xảy ra, hoặc kiến trúc của các thành phần chuyển tiếp thông tin tạo ragiới hạn độ thông qua Các giới hạn này ảnh hưởng tới dịch vụ cung cấp tới kháchhàng, và cấp độ của các giới hạn này được giải thích bằng các tham số GoS thích hợp(ví dụ như xác suất mất gói, trễ trung bình, tỉ lệ lỗi, v v) Vì vậy, cấp độ dịch vụ liênquan tới các khía cạnh thông tin cung cấp trên luồng lưu lượng của chất lượng dịch vụQoS

GoS được sử dụng lần đầu trong các ứng dụng chuyển mạch kênh, GoS xác địnhkhả năng tắc nghẽn hoặc trễ của các cuộc gọi trong một khoảng thời gian và thườngđược biểu diễn dưới dạng phần trăm (%) Khả năng tắc nghẽn cuộc gọi hay còn gọi làkhả năng tổn thất cuộc gọi xảy ra khi không thể thiết lập một cuộc gọi từ một tuyếnđầu vào rỗi ra một tuyến đầu ra thích hợp Các yếu tố ảnh hưởng chính tới GoS trongtrường hợp này là do cấu trúc trường chuyển mạch, kiến trúc điều khiển của hệ thống

chuyển mạch Khía cạnh trễ của các cuộc gọi trong chuyển mạch kênh là một tham sốđánh giá GoS bao gồm trễ thiết lập, trễ truyền và trễ giải phóng các kết nối cho cuộcgọi [2]

Một cách tổng thể, cấp độ dịch vụ GoS phụ thuộc rất lớn vào kiến trúc chuyểnmạch trên cả phương diện phần cứng và phần mềm điều khiển, đồng thời phụ thuộcvào mẫu lưu lượng đưa tới hệ thống Cùng với một kiến trúc xử lý với các mẫu lưulượng khác nhau sẽ có các cấp độ dịch vụ khác nhau

1.2.3 Kiểu dịch vụ ToS và lớp dịch vụ CoS

Khái niệm kiểu dịch vụ ToS (Type of Service) và lớp dịch vụ CoS (Class ofService) thường được mô tả tường minh tại tiêu đề của các gói tin Để dễ dàng nhậnthức các vấn đề này ta xem xét tại tiêu đề gói tin IP Lớp dịch vụ chia lưu lượng mạngthành các lớp khác nhau và cung cấp các dịch vụ cho từng gói tin theo lớp dịch vụ màgói tin thuộc vào đó Mỗi một lớp dịch vụ xác định một mức yêu cầu chất lượng dịch

vụ Đề nhận dạng một lớp dịch vụ, các thiết bị mạng xác định theo một số yếu tố gồm:Kiểu dịch vụ ToS và thứ tự ưu tiên của dịch vụ; Nhận dạng của thiết bị gửi, nhận dạngcủa thiết bị nhận dịch vụ Các trường chức năng của ToS trong tiêu đề IPv4 được trìnhbày trong hình 1.2 dưới đây

Hình 1.2: Trường kiểu dịch vụ trong tiêu đề IPv4 Bảng 1.1: Thứ tự và ý nghĩa các giá trị ưu tiên trong trường ToS

Giá trị ưu tiên Ý nghĩa

7 (111)6(110)5(101)4(100)3(011)2(010)1(001)0(000)

Điều khiển mạngĐiều khiển liên mạngTới hạn, đặc biệtTruyền nhanh (tràn lụt)Truyền nhanh

Lập tức

Ưu tiênBình thườngGiá trị ưu tiên (IP precedence) gồm 3 bit xác nhận mức độ ưu tiên, dựa vào đócác bộ định tuyến đưa ra các quyết định chuyển tiếp thông tin qua mạng Như chỉ ra

trên bảng 1.1, thứ tự ưu tiên cao nhất được gán cho các gói điều khiển mạng, điều đóđảm bảo các gói liên quan tới điều khiển và tái cấu hình mạng luôn có cơ hội chuyểnqua mạng cao nhất ngay cả trong những trường hợp tắc nghẽn cục bộ Các gói có thứ

tự ưu tiên thấp nhất là các gói sẽ được bỏ khi có hiện tượng tắc nghẽn xảy ra Cùng vớicác phân thứ tự ưu tiên cho các gói theo cách trên, ToS xác định thứ tự ưu tiên theomục tiêu chất lượng dịch vụ tương ứng với: Độ thông qua T (Throughput), trễ D(Delay) hoặc độ tin cậy R (Reliability) Các giá trị này đặt các bit T,D,R theo giá trị bit(0) cho giá trị bình thường và giá trị bit (1) cho các đặc tính ưu tiên tốt Một số bittrong trường chức năng ToS để dự phòng trong tương lai

Lớp dịch vụ CoS khi kết hợp với mô hình phân biệt dịch vụ DiffServ(Differentiated Service) sẽ thay thế 3 trường chức năng IP precedence bằng các giá trịđiểm mã dịch vụ được định nghĩa riêng bởi DiffServ để mô tả các thứ tự ưu tiên lưulượng Vấn đề này sẽ được trình bày trong chương 3

1.2.4 Các tham số chất lượng dịch vụ

Các yêu cầu chất lượng dịch vụ phải được biểu thị theo các tham số QoS đođược Các tham số thông thường nhất thường được biết đến là các tham số: Băngthông, độ trễ, trượt, giá và xác suất mất gói Các tham số sử dụng để tính toán QoS cóthể tuỳ thuộc vào kiểu mạng: Băng thông, độ trễ, giá và độ tin cậy là các tham sốthường được sử dụng trong mạng IP; sự biến đổi tốc độ tế bào, tỉ lệ mất tế bào và trễchuyển giao là các tham số thường sử dụng trong mạng ATM; Trong khi đó đối vớicác mạng không dây, các tham số đo thường sử dụng là băng thông, nhiễu, suy hao và

độ tin cậy Trong khung làm việc chung của QoS , ba dạng tham số đo tổng quát gồm:

 Các tham số tính cộng (ví dụ như trễ, trượt, giá và số bước nhảy)

 Các tham số tính nhân (ví dụ như độ tin cậy)

 Các tham số tính lõm (ví dụ như băng thông)

(i) Độ tin cậy

Để xác định độ ổn định của hệ thống, người ta thường xác định độ khả dụng của

hệ thống, đồng nghĩa với độ khả dụng của hệ thống và được nhìn nhận từ khía cạnhmạng là độ tin cậy của hệ thống Độ khả dụng của mạng càng cao nghĩa là độ tin cậycủa mạng càng lớn và độ ổn định của hệ thống càng lớn Độ khả dụng của mạngthường được tính trên cơ sở thời gian ngừng hoạt động và tổng số thời gian hoạt động

Ví dụ, độ khả dụng của các hệ thống chuyển mạch gói hiện nay là 99,995% thì thờigian ngừng hoạt động trong một năm vào khoảng 26 phút

(i) Băng thông

Băng thông biểu thị tốc độ truyền dữ liệu cực đại có thể đạt được giữa hai điểmkết cuối Có thể giải thích qua các phép tính toán như sau: Một mô hình trạng tháiQoS của mạng thường được biểu diễn dưới dạng một đồ thị G (V,E) Trong đó, V làcác nút còn E các liên kết Lưu lượng vào mạng qua nút Vi và ra khỏi mạng ở nút Vj.Mỗi liên kết có 2 đặc tính: C(i,j) là dung lượng liên kết, f(i,j) là lưu lượng thực tế GọiR(i,j) là băng thông dư Khi đó, nếu một kết nối có yêu cầu băng thông là Dk, thì kếtnối được gọi là khả dụng khi và chỉ khi R(i,j)≥Dk Một kết nối mới có thể được chấpnhận nếu tồn tại ít nhất một đường dẫn khả dụng giữa 2 nút Vi và Vj Băng thông là tốc

độ truyền thông tin được tính theo (bit/s)

(ii) Độ trễ

Là khoảng thời gian chênh lệch giữa các thiết bị phát và thiết bị thu Trễ tổng thể

là thời gian trễ từ đầu cuối phát tới đầu cuối thu tín hiệu (còn gọi là trễ tích luỹ) Mỗithành phần trong tuyến kết nối như thiết bị phát, truyền dẫn, thiết bị chuyển mạch vàđịnh tuyến đều có thể gây ra trễ Các thành phần gây trễ chủ yếu gồm:

 Trễ hàng đợi: Là thời gian một gói phải trải qua trong một hàng đợi khi nó phải

đợi để được truyền đi trong một liên kết khác, hay thời gian cần thiết phải đợi để thựchiện quyết định định tuyến trong bộ định tuyến Nó có thể bằng 0 hoặc rất lớn vì phụthuộc vào số gói có trong hàng đợi và tốc độ xử lý

 Trễ truyền lan: Thời gian cần thiết để môi trường vật lý truyền dữ liệu Ví dụ

trễ truyền lan trong các truyền dẫn quang thường nhỏ hơn trong môi trường vô tuyến

 Trễ chuyển tiếp: Thời gian sử dụng để chuyển gói tin từ một tuyến này sang

tuyến khác, hay thời gian được yêu cầu để xử lý các gói đã đến trong một nút Ví dụ,thời gian để kiểm tra tiêu đề gói và xác định nút tiếp theo để gửi đi

 Trễ truyền dẫn: Là thời gian được yêu cầu để truyền tất cả các bit trong gói qua

liên kết, trễ truyền dẫn được xác định trên thực tế của băng thông liên kết

(iii) Biến động trễ

Biến động trễ là sự khác biệt về thời gian truyền của các gói tin khác nhau cùngtrong một luồng lưu lượng Biến động trễ phát sinh chủ yếu do sự sai khác về thời gianxếp hàng của các gói liên tiếp trong một luồng gây ra và là một trong những vấn đềquan trọng nhất của QoS Khi biến động trễ nằm vào khoảng dung sai định nghĩatrước thì nó không ảnh hưởng tới chất lượng dịch vụ Nếu biến động trễ quá lớn sẽ làmcho kết nối trong mạng bị đứt quãng Các bộ đệm trễ thường được sử dụng để giảm tácđộng “trồi /sụt” của mạng và tạo ra dòng gói đến đều đặn hơn ở máy thu Trong một số

ứng dụng thời gian thực không thể chấp nhận biến động trễ lớn, ta có thể xử lý bằng

bộ đệm trễ, song chính các bộ đệm lại làm tăng trễ tổng thể nên lại nảy sinh các khókhăn khác

(iv) Tổn thất gói

Tổn thất gói có thể xảy ra theo từng cụm hoặc theo chu kỳ do mạng bị tắc nghẽnliên tục, hoặc xảy ra trên chính các trường chuyển mạch gói Mất gói theo chu kì ởkhoảng 5-10% số gói phát ra có thể làm giảm chất lượng mạng xuống cấp đáng kể.Từng gói bị mất không thường xuyên cũng khiến kết nối gặp khó khăn Xác suất mấtgói là giá trị giá trị được nhân lên từ xác suất mất gói được kỳ vọng ở mỗi một trongcác nút trung gian giữa một cặp nguồn và đích Xác suất tổn thất gói là một đại lượngquan trọng của QoS với cả các ứng dụng dữ liệu hay các dịch vụ thời gian thực Khikết nối yêu cầu truyền dữ liệu theo đúng thứ tự, thì tổn thất gói là nguyên nhân của quátrình truyền lại Điều này làm chậm lại quá trình xử lý truyền tin và làm giảm QoSnhận được Với các ứng dụng thời gian thực, sự truyền lại gói thường không khả thi

1.2 CÁC YÊU CẦU CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ

Tất cả các ứng dụng đều yêu cầu một mức chất lượng dịch vụ nào đó, mỗi mộtứng dụng đều có một số đặc tính cơ bản khác nhau Để nhận biết các yêu cầu chấtlượng dịch vụ, hệ thống thường nhận biết qua các lớp dịch vụ Theo quan điểm của ITU-

T, khuyến nghị I-1541 các lớp dịch vụ được chia thành các vùng như trên bảng 1.2 dướiđây

Bảng 1.2: Các đặc tính phân lớp QoS cho mạng IP theo ITU-T

Dữ liệu chuyển giao, tương tác cao

Dữ liệu chuyển giao, tương tácTổn hao thấp (chuyển giao ngắn, dữ liệu bulk, video)Các ứng dụng nguyên thuỷ của mạng IP ngầm định

Như vậy, theo quan điểm của ITU các tham số thời gian thực và tương tác caođược đặt lên hàng đầu đối với mạng IP, phần lớn các ứng dụng được thực hiện tốttrong các mạng chuyển mạch hướng kết nối (chuyển mạch kênh và ATM) đáp ứng tốtđược các yêu cầu này Trong khi đó, mạng IP nguyên thuỷ không hỗ trợ các đặc tính

trên, hay nói cách khác mạng IP nguyên thuỷ không hỗ trợ QoS cho các dịch vụ thờigian thực.

Dự án TIPHON của ETSI đề xuất định nghĩa phân lớp QoS được chỉ ra trên bảng1.3 dưới đây:

Bảng 1.3: Phân lớp QoS theo quan điểm của ETSI

Hội thoại thời gian

thực (thoại, video, hội

nghị)

Thoại, audio, Video,

đa phương tiện

Nhạy cảm với trễ và biến độngtrễ, có giới hạn lỗi và tổn thất, tốc

gian thực (Web

browsing)

và tổn thất, tốc độ bit thay đổi

Phi thời gian thực

(Email)

động trễ, nhạy cảm với lỗi, nỗ lựctối đa

Hướng tiếp cận của ETSI tập trung vào các dịch vụ thường sử dụng trên mạng IP

để phân ra các loại dịch vụ yêu cầu thời gian thực và không yêu cầu thời gian thực.Đối với các yêu cầu thời gian thực ETSI-TR102 phân biệt dịch vụ qua các độ nhạy cảm vớicác tham số QoS thông dung như : Trễ, biến động trễ, tổn thất gói và đặc tính tốc độ bit.Liên quan tới mạng tích hợp đa dịch vụ băng rộng B-ISDN, ITU-T định nghĩacác vùng dịch vụ, theo hướng liên quan tới công nghệ lõi của B-ISDN là công nghệATM chỉ ra trên bảng 1.4 dưới đây

Từ các phân vùng dịch vụ của B-ISDN, diễn đàn ATM đưa ra các phân lớp dịch

vụ ATM, các đặc tính ứng dụng cũng như đặc tính chất lượng dịch vụ được chỉ ratrong bảng 15 dưới đây:

Bảng 1.5: Phân vùng dịch vụ theo diễn đàn ATM

Tốc độ bit thay đổi- phi thời

gian thực (nrt- VBR)

Lưu lượng gói Tổn thất bình thường

Tốc độ bit khả dụng (ABR) Tương thích tốc

Không yêu cầu

1.3 CÁC VẤN ĐỀ ĐỂ ĐẢM BẢO QOS

Để nhận thức rõ các vấn đề cơ bản nhằm đảm bảo các yêu cầu chất lượng dịch vụtrên đây đã trình bày, ta xem xét một khung làm việc của cơ chế đảm bảo chất lượngdịch vụ chung Một cơ cấu đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS chung nhất gồm 3 phầnchính: Cung cấp QoS, điều khiển QoS và quản lý QoS như chỉ ra trên hình 1.2 dướiđây [3]

 Cung cấp QoS đưa ra hàng loạt các kỹ thuật nhằm thiết lập luồng và các giaiđoạn thoả thuận tài nguyên nhằm đảm bảo QoS từ đầu cuối tới đầu cuối

 Điều khiển QoS đưa ra hàng loạt các hành vi điều khiển như lập lịch, chiagói lập chính sách và điều khiển luồng.

 Quản lý QoS nhằm giám sát, điều đình lại tài nguyên và duy trì các điều kiệnđảm bảo QoS

sử dụng cho mục đích dành trước tài nguyên

 Module kiểm tra quản lý QoS chịu trách nhiệm kiểm tra độ khả dụng của nguồntài nguyên so với các yêu cầu và ra quyết định có cho phép các yêu cầu mới hoặckhông Một khi yêu cầu đảm bảo QoS từ đầu cuối tới đầu cuối cần tài nguyên tổng thể,các nguồn tài nguyên được phục vụ dựa trên quyết định điều khiển quản lý nhưngchúng được cam kết khi kiểm tra điều khiển quản lý thành công

Hình 1.3: Các thành phần trong cơ cấu đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS

 Module báo hiệu và dành trước tài nguyên sắp xếp các nguồn tài nguyên thíchhợp với các đặc tính QoS của người sử dụng Module quản lý QoS cần các dịch vụ này

để xác nhận các kiểm tra điều khiển quản lý thành công hoặc không Module ánh xạQoS cần phải quan tâm tới khả năng của các giao thức báo hiệu trước khi ghép các đặctính QoS vào mức chất lượng mạng

1.3.2 Điều khiển QoS

Thành phần điều khiển QoS hoạt động theo thước đo thời gian tại các tốc độtruyền thông tin, thành phần này cung cấp điều khiển lưu lượng thời gian thực dựa trêncác yêu cầu mức QoS từ giai đoạn cung cấp QoS Thành phần này gồm các modulesau:

 Module lập lịch luồng quản lý các luồng chuyển tiếp theo cùng một cách thức ở

cả hệ thống kết cuối và mạng Các luồng có đặc tính riêng tại hệ thống kết cuối sẽ tậphợp và liên kết trong lưu đồ được lập lịch bởi mạng

 Module định hướng luồng điều chỉnh các luồng lưu lượng dựa trên các mức yêucầu QoS, nó bao gồm các thuật toán để phân tích và định hướng các luồng tổ hợp tạibiên mạng và lập lịch trong mạng để cung cấp hiệu năng cao nhất

 Module chính sách thường sử dụng trong điều kiện lưu lượng người dùngchuyển qua vùng biên quản lý và cần loại bỏ giám sát Chính sách được sử dụng đểtheo dõi khi nào nhà cung cấp duy trì các điều kiện QoS hoặc không

 Module đồng bộ luồng được yêu cầu để điều khiển các sự kiện tương tác đaphương tiện theo trình tự và thời gian chính xác

 Module khả dụng QoS cho phép ứng dụng chỉ rõ các tham số QoS giam sát vàphản hồi để nhận ra hiệu năng cần thiết

 Module quản lý QoS cho phép so sánh mức QoS kiểm tra với hiệu năng mongmuốn và điều khiển tối ưu để đưa ra mức chất lượng dịch vụ Module này cũng đảmtrách các vấn đề liên quan tới xử lý và khôi phục lỗi trên liên kết và tại các node Đểduy trì các mức QoS cung cấp cần sử dụng các phương pháp đo lưu lượng nhằm giámsát và điều khiển lưu lượng mạng

 Modlue phân mức QoS gồm các phép đo để gia tăng sự phân mức cho kiến trúcQoS, các ứng dụng đa phương tiện cần có các phân mức nhằm thoả mãn các yêu cầubăng thông dòi hỏi khác nhau Module này gồm các thành phầnnhư bộ lọc QoS, tậphợp và kiến trúc phân lớp QoS

Tóm tắt chương 1:

Chương này đã trình bày một số vấn đề cơ bản về chất lượng dịch vụ như: Các định nghĩa, thuật ngữ, các mô hình và tham số cơ bản Khung làm việc chung của chất lượng dịch vụ được trình bày cùng với một số quan điểm nhìn nhận của các tổ chức viễn thông lớn trên thế giới nhằm giúp người đọc nhận thức các hướng tiếp cận khác nhau đối với vấn đề chất lượng dịch vụ.

CHƯƠNG 2

KỸ THUẬT ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ IP

Các kỹ thuật đảm bảo chất lượng dịch vụ IP sẽ được trình bày trong chương này theo hướng tiếp cận từ đơn giản tới chi tiết Các mô hình chung của QoS IP được trình bày qua tiến trình lịch sử phát triển, các tham số ảnh hưởng tới chất lượng dịch

vụ IP trong thực tế được trình bày đơn giản qua các hình thái đơn giản nhất của mạng nhằm hướng người đọc dần tới các vấn đề kỹ thuật trong các bài toán đảm bảo chất lượng dịch vụ IP.Chương 2 tập trung vào các giải pháp kỹ thuật được trình bày từ góc

độ bộ định tuyến IP, đây là các nội dung quan trọng nhất thể hiện trong các mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ IP.

2.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ QoS IP

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

Các mạng IP vào khoảng giữa thập kỷ 1990 là các mạng nỗ lực tối đa giống nhưmạng internet hiện nay Các hệ thống mạng doanh nghiệp và các mạng cung cấp dịch

vụ đã phát triển từ các mô hình nỗ lực tối đa thành các mô hình dịch vụ phân biệt phứctạp Điều đó có nghĩa là mạng chung phải đưa ra nhiều các ứng dụng với nhiều mứcdịch vụ khác nhau

Hình 2.1 dưới đây chỉ ra các bước phát triển của khái niệm QoS từ khoảng giữathập kỳ 1990 tới đây

Hình 2.1: Các bước phát triển của mô hình QoS

Nỗ lực tiêu chuẩn hoá chất lượng dịch vụ IP lần đầu tiên khi IETF phát hànhRFC 1633 vào tháng 6 năm 1994 RFC 1633 đưa ra mô hình dịch vụ tích hợp IntServ(Integrated Sevices) và tập trung vào giao thức dành trước tài nguyên RSVP (ResourceReservation Protocol) RSVP báo hiệu các yêu cầu về trễ và băng thông cho các phiênriêng biệt tới từng nút dọc theo tuyến đường dẫn mà gói đi qua Tại thời điểm khởi tạo,RSVP yêu cầu các nút dự trữ tài nguyên, điều này gặp phải trở ngại rất lớn khi hoạtđộng trong các môi trường không gian lớn như Internet, vì số lượng các bộ định tuyến,máy chủ, thiết bị chuyển mạch lớn và đa dạng.

Để giải quyết thách thức này, một tập tiêu chuẩn của mô hình phân biệt dịch vụđược đưa ra như một tiêu chuẩn thứ hai về chất lượng dịch vụ IP Mô hình Diffesrv(Differentiated Services) mô tả các hành vi khác nhau được đưa ra bởi mỗi nút Cácnút có thể sử dụng các đặc tính có sẵn (đặc tính chung hoặc riêng) được lựa chọn bởicác nhà cung cấp thiết bị cho phù hợp với đặc tính luồng lưu lượng Mô hình Diffservđịnh nghĩa các kỹ thuật đánh dấu gói, như thứ tự ưu tiên IPP (IP precendence) và nút

kế tiếp của nó, các điểm mã dịch vụ phân biệt DSCP (Differentiated Services CodePoints) phù hợp với các hành vi bước kế tiếp PHB (per-hop behaviors) cho các kiểulưu lượng

Hai mô hình tích hợp dịch vụ IntServ và DiffServ cùng được phát triển và bổsung các tính năng cần thiết cho người sử dụng Cả hai mô hình đều đưa ra các giảipháp hoàn thiện và các thành phần của hai mô hình có thể tổ hợp để cung cấp các ứngdụng tổng quát nhất cho miền rộng các lưu lượng và kiểu ứng dụng

Hình 2.2: Tích hợp dịch vụ IntServ và phân biệt dịch vụ DiffServ

IntServ sử dụng khái niệm dựa trên luồng cùng với giao thức báo hiệu dọc theođường dẫn gói tin Giao thức báo hiệu đảm bảo các nguồn tài nguyên thoả mãn yêu

cầu dịch vụ được cung cấp tại mỗi nút cho các luồng lưu lượng trước khi nó đượctruyền trên mạng Trong giai đoạn đầu khởi tạo, mô hình IntServ bị hạn chế bởi vấn đề

mở rộng vì rất nhiều luồng lưu lượng cần phải quản lý trong mạng đặc biệt là trongmạng đường trục

DiffServ sử dụng phương pháp đánh dấu gói để phân loại và ứng xử với từng góitheo các hành vi độc lập Mặc dù tính mềm dẻo lớn, nhưng DiffServ không cung cấpđảm bảo băng thông cho các gói trong cùng một luồng lưu lượng Các phân tích kỹlưỡng hơn về hai mô hình này sẽ được trình bày trong chương 3

Vào cuối những năm 1990, các kỹ thuật QoS được chú trọng nhiều hơn và trởthành vấn đề quan trọng khi tương thích với các công nghệ mạng tiên tiến như: Côngnghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS (Multiprotocol Label Switching) và cáccông nghệ mạng riêng ảo VPN (Virtual Private Network) Các chiến lược phát triển

mô hình chất lượng dịch vụ IP trong các khoảng thời gian gần đây tập trung vào tínhđơn giản và tự động, với mục tiêu cung cấp các kỹ thuật đảm bảo QoS thông minh trênmạng IP Các công nghệ QoS ngày càng đưa ra các mục tiêu quản lý chất lượng dịch

vụ rộng và chi tiết hơn, có thể giải quyết được các vấn đề chất lượng dịch vụ IP ởnhững cấu hình phức tạp Rất nhiều nhà quản trị mạng không muốn có các mức quản

lý phức tạp và họ muốn xu hướng của quản lý QoS càng đơn giản càng tốt, thậm chíphát triển các công nghệ QoS theo hướng công cụ bảo mật cho hệ thống

2.1.2 Sự cần thiết của QoS trong mạng IP

Ngày nay Internet và Intranet phát triển rất nhanh kèm theo đó là sự phát triểnnhiều loại dịch vụ khác nhau Người dùng sử dụng Internet có thể với nhiều mục đíchkhác nhau, có thể là mục đích riêng hoặc có thể là mục đích kinh doanh Dữ liệu đượctruyền đi qua mạng Internet và số lượng người sử dụng mạng Internet tăng theo hàm

mũ Các ứng dụng đa phương tiện – các ứng dụng thời gian thực, như thoại IP (IPTelephony) và hệ thống hội nghị video (Video conferencing system), IPTV, là các ứngdụng mới cần nhiều băng thông hơn rất nhiều so với các ứng dụng đã được sử dụng rấtsớm trên Internet, mặt khác các ứng dụng này yêu cầu việc truyền dữ liệu đi qua mạngphải liên tục, độ trễ thấp Trong khi đó, các ứng dụng truyền thống trên Internet nhưWWW, FTP, hoặc Telnet, không chấp nhận việc mất gói xẩy ra, không yêu cầu đỗ trễcao miễn sao dữ liệu khi bên nhận nhận được là đầy đủ và chính xác nội dung

Từ rất sớm mạng IP đã thực thi nhiều loại dịch vụ mạng khác nhau từ mạng điệnthoại Đầu tiên, mạng IP được thiết kế để mang dữ liệu không giống với voice, dữ liệukhông phải là dịch vụ thời gian thực Dữ liệu có thể được lưu trữ trên mạng và phát lạisau Nếu dữ liệu đã phát lại bị lỗi, thì nó có thể được truyền lại Đôi khi các dịch vụtruyền dữ liệu được đề cập đến như là dịch vụ “lưu và chuyển tiếp”

Chất lượng của các ứng dụng thoại phụ thuộc vào chất lượng đường truyền kếtnối từ đầu cuối đến đầu cuối, dấu hiệu của tín hiệu thoại không được đảm bảo chấtlượng thường gặp như truyền lỗi, nhiễu tín hiệu, tiếng vọng, … Ngay cả việc truyền dữliệu thời gian thực sử dụng giao thức thời gian thực RTP (Real Time Protocol) vẫn phụthuộc vào việc tận dụng các tài nguyên được phân phát trên cơ sở giao thức IP.

QoS là một kỹ thuật được sử dụng để bảo đảm các ứng dụng thời gian thực chạyđược trên Internet và các ứng dụng truyền thống được bảo đảm chất lượng tốt hơn

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

Cùng với các ứng dụng mới được bổ sung vào mạng internet là các yêu cầu chấtlượng dịch vụ Một số vấn đề liên quan tới chất lượng dịch vụ IP được nhìn nhận từphía người sử dụng là: Một số ứng dụng chậm; các ứng dụng video có chất lượng thấp;các dịch vụ IP telephony có chất lượng không đảm bảo; thời gian chuyển giao vàtruyền tải lưu lượng lớn có thời gian dài Từ góc độ mạng, các vấn đề trên có thể địnhlượng qua các tham số QoS của mạng như: Băng thông, độ trễ, trượt mất gói và điềukhiển quản lý [4]

(i) Băng thông

Băng thông là một trong những tham số quan trọng nhất của chất lượng dịch vụ

IP Sự thiếu hụt băng thông trong mạng Internet thường xuyên xảy ra do rất nhiềunguyên nhân, bản thân nguồn tài nguyên mạng không đủ đáp ứng hoặc các luồng lưulượng cùng tranh chấp một số nguồn tài nguyên Một thể hiện rõ nhất về băng thôngkhả dụng được chỉ ra trên các tài nguyên liên kết trong hình 2.3 dưới đây

Hình 2.3: Băng thông khả dụng

Băng thông lớn nhất của tuyến liên kết bằng giá trị băng thông lớn nhất của mộtđoạn liên kết Băng thông khả dụng được tính tương đối qua giá trị băng thông lớnnhất và lượng băng thông của luồng lưu lượng Tính toán băng thông khả dụng tươngđối phức tạp vì tham số băng thông mang tính lõm (như chỉ ra trên mục 1.1.4 trênđây)

Một số giải pháp đã được đưa ra nhằm giải quyết vấn đề sử dụng băng thôngkhông hiệu quả gồm:

 Tiếp cận tốt nhất là tăng dung lượng liên kết để phù hợp với tất cả các ứngdụng và người sử dụng với một số lượng băng thông dư Giải pháp này gặp phải một

số điểm hạn chế thực tế như thời gian, tiền và đôi khi còn từ giới hạn của công nghệtrong quá trình nâng cấp hệ thống

 Một lựa chọn khác là sử dụng phân loại lưu lượng thành các lớp QoS và sắpxếp thứ tự ưu tiên các luồng lưu lượng quan trọng Đây là giải pháp thường sử dụnghiện nay với rất nhiều cơ cấu kỹ thuật thường được các nhà cung cấp thiết bị hỗ trợtrực tiếp trên hệ thống của họ

 Tối ưu đường liên kết bằng cách nén các khung tải tin nhằm tăng băng thôngkhả dụng của liên kết Nén dữ liệu có thể thực hiện bằng phần cứng hoặc phần mềmqua các thuật toán nén Vấn đề khó khăn nảy sinh trong giải pháp này là quá trình nén

và giải nén sẽ làm tăng thời gian trễ vì độ phức tạp của thuật toán nén

 Tối ưu đường liên kết bằng các kỹ thuật nén tiêu đề Kỹ thuật này đặc biệthiệu quả tại môi trường truyền thông có các gói tin có tỉ số tiêu đề / tải tin lớn Ví dụđiển hình của nén tiêu đề là nén tiêu đề giao thức truyền tải tin cậy TCP (TransferControl Protocol) và giao thức thời gian thực RTP (Real Time Protocol)

(ii) Độ trễ

Độ trễ từ đầu cuối tới đầu cuối của một quá trình truyền tin IP được nhìn nhậnđơn giản trên hình 2.4 chủ yếu gồm hai thành phần trễ: Trễ truyền lan và trễ xử lý,hàng đợi Trễ tích luỹ gồm tất cả các thành phần trễ trên và mang tính cộng Trễ truyềnlan là tham số có giá trị cố định phụ thuộc và phương tiện truyền, trong khi đó tham sốtrễ xử lý và trễ hàng đợi trong các bộ định tuyến là các tham số có giá trị thay đổi docác điều kiện thực tế của mạng

Hình 2.4: Trễ tích luỹ từ đầu cuối tới đầu cuối

Trễ xử lý là khoảng thời gian cần thiết của một bộ định tuyến để chuyển một gói

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, kiến trúc bộ định tuyến

và các đặc tính cấu hình giao diện đầu vào và đầu ra

Hình 2.5: Trễ xử lý và hàng đợi

Trễ hàng đợi là khoảng thời gian của gói tin nằm chờ tại hàng đợi trong một bộđịnh tuyến Trễ hàng đợi phụ thuộc vào số lượng và kích thước các gói tin trong hàngđợi và băng thông khả dụng trên liên kết đầu ra của bộ định tuyến Trễ hàng đợi cònphụ thuộc vào kỹ thuật xếp hàng

Trễ truyền lan là thời gian truyền một gói qua liên kết, trễ truyền lan thường chỉphụ thuộc vào băng thông khả dụng của liên kết Các kỹ thuật truy nhập CSMA/CDcũng có thể gây thêm trễ vì xác suất tranh chấp tài nguyên trong trường hợp giao diệntiến gần tới trạng thái tắc nghẽn

Một số giải pháp cải thiện thời gian trễ gồm có:

 Tăng dung lượng liên kết, băng thông đủ sẽ khiến hàng đợi ngắn lại và cácgói không phải đợi trước khi truyền dẫn Tăng băng thông cũng đồng nghĩa làm giảmtrễ nối tiếp nhưng mặt khác, giải pháp này cũng làm tăng giá thành hệ thống khi phảinâng cấp

 Một tiếp cận hiệu quả hơn khi sử dụng các hàng đợi hợp lý Các hàng đợi ưutiên là một trong những thành phần chủ yếu trong tiếp cận này Các phân tích chi tiết

sẽ được trình bày trong mục 2.3 dưới đây

 Phương pháp nén tải tin và nén tiêu đề gói tin là một tiếp cận có các ưu vànhược điểm trái ngược nhau cùng tồn tại Việc nén thông tin làm kích thước gói nhỏ điđồng nghĩa với thời gian trễ thấp đi, đồng thời các kỹ thuật nén sẽ làm gia tăng trễ vìchính kỹ thuật nén cần phải có thời gian thực hiện

(iii) Tổn thất gói

Thông thường, tổn thất gói xảy ra khi các bộ định tuyến tràn không gian đệm.Hình vẽ 2.6 dưới đây chỉ ra trong trường hợp hàng đợi đầu ra đầy và các gói tin mớiđến bị loại bỏ

Hình 2.6: Tổn thất gói vì hiện tượng tràn bộ đệm đầu ra

Các bộ định tuyến IP thông thường loại bỏ gói vì một số lý do như: Loại bỏ góitại hàng đợi đầu vào vì bộ xử lý tắc nghẽn và không thể xử lý gói (hàng đợi đầu vàođầy), các gói bị loại bỏ tại đầu ra vì bộ đệm đầu ra đầy, bộ định tuyến quá tải khôngthể chỉ định được không gian đệm rỗi cho các gói đầu vào và một số hiện tượng lỗikhung truyền dẫn

Ngoài việc tăng dung lượng liên kết, một số tiếp cận sau được sử dụng để giảm

độ tổn thất gói:

 Đảm bảo băng thông và tăng không gian đệm để tương thích với các ứng dụng

có độ bùng nổ lưu lượng cao Một vài kỹ thuật hàng đợi thường sử dụng trong thực tế:Hàng đợi ưu tiên, hàng đợi theo yêu cầu, hàng đợi công bằng trọng số và hàng đợiphân lớp

 Chống tắc nghẽn bằng phương pháp loại bỏ gói sớm trước khi có hiện tượng tắcnghẽn xảy ra qua các kỹ thuật loại bỏ gói sớm

 Chia cắt lưu lượng và trễ lưu lượng thay vì loại bỏ gói, giải pháp này thườngđược sử dụng cùng với các hàng đợi phân lớp và có thứ tự ưu tiên

 Chính sách lưu lượng có thể giới hạn tốc độ của các gói tin ít quan trọng hơn đểcung cấp chất lượng dịch vụ tốt nhất cho các gói tin có yêu cầu cao (Tốc độ truy nhậpcam kết và chính sách phân lớp)

(iv) Điều khiển quản lý

Nhằm quản lý và nâng cao chất lượng dịch vụ trong mạng IP, các chức năng

quản lý QoS thường được phân tại mức tổng thể toàn mạng và tại từng thiết bị mạng

cụ thể Trong các bộ định tuyến thường có các công cụ hỗ trợ quản lý tắc nghẽn, hàngđợi, hiệu năng liên kết và các chính sách phân chia lưu lượng Quản lý chất lượng dịch

vụ tổng thể nhằm đặt ra các chính sách và mục tiêu quản lý chung liên quan tới lưulượng tổng thể trên mạng, các kỹ thuật QoS được sử dụng và đánh giá hiệu quả củacác phương pháp quản lý CÁC YÊU CẦU CHỨC NĂNG CHUNG CỦA IP QoSNhư chương 1 đã trình bày, để cung cấp chất lượng dịch vụ QoS qua mạng IP,mạng phải thực hiện hai nhiệm vụ cơ bản:

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

 (2) Phân biệt các lớp lưu lượng bằng các nguồn tài nguyên và ứng xử dịch

Hình 2.7: Các yêu cầu chức năng cơ bản của một bộ định tuyến IP

(i) Đánh dấu gói tin IP

Đánh dấu gói tin IP là chức năng đầu tiên mà các bộ định tuyến IP áp dụng vàocác luồng lưu lượng người sử dụng Chức năng đánh dấu gói đặt các bit nhị phân vàocác trường chức năng đặc biệt của của tiêu đề gói tin IP để phân biệt kiểu của gói tin

IP với các gói tin IP khác Một gói có thể phân biệt bởi địa chỉ nguồn, địa chỉ đíchhoặc tổ hợp cả hai, hoặc giá trị DSCP của trường chức năng IP precedence, kỹ thuậtđánh dấu DSCP sẽ được trình bày trong mục sau Các gói tin IP đến một cổng đầu vào

có thể được đánh dấu hoặc không Nếu gói tin đã được đánh dấu, nó có thể được đánhdấu lại nếu các giá trị đã được đánh dấu chỉ ra các đặc điểm vi phạm chính sách của bộđịnh tuyến đang thực hiện chuyển gói Nếu một gói chuyển qua nhiều vùng dịch vụphân biệt, các gói tin sẽ được đánh dấu theo cách phù hợp với các thoả thuận mức dịch

vụ SLA giữa các vùng Các gói tin chưa được đánh dấu sẽ được đánh dấu để nhận cácgiá trị phụ hợp với chính sách của bộ định tuyến

(ii) Phân loại gói tin IP

Phân loại gói sử dụng để nhóm các gói tin IP theo luật phân lớp dịch vụ Điểmkhởi tạo phân lớp lưu lượng có thể đặt tại thiết bị đầu cuối Trong mạng, các gói tin IPđược lựa chọn dựa trên các trường chức năng của tiêu đề IP sử dụng cho đánh dấu góitin IP Hai phương pháp phân loại gói tin là:

 Phân loại đa trường MF (Multi-Field)

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

Phương pháp phân loại đa trường chức năng được chỉ ra trên hình 2.8 dưới đây.Các gói được phân loại dựa trên tổ hợp các giá trị của một hoặc nhiều trường chứcnăng trong tiêu đều IP Thêm vào đó là các tham số khác như nhận dạng giao diệncổng vào cũng có thể sử dụng cho mục đích phân loại

Hình 2.8: Phương pháp phân loại gói đa trường chức năng