QoS end to end trong mạng lõi IPMPLS

LỜI MỞ ĐẦU Mạng IP/MPLS là một mạng hội tụ, được triển khai sử dụng để chạy các dịch vụ của mạng truyền tải, di động như dữ liệu IP, thoại, di động và các dịch vụ video tương ứng với các

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, thông số trong chương cuối cùng là số liệu của tôi thu thập, phân tích từ tài liệu triển khai của công ty Vinaphone và chưa từng được công bố trong luận văn khác

Số liệu các chương khác là công trình tôi tham khảo trong các tài liệu trong và ngoài nước, tôi cam đoan không chép nguyên văn cả chương của đồ án khác

Tác giả luận văn

Nguyễn Văn Lực

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC BẢNG BIỂU 9

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 10

LỜI MỞ ĐẦU 12

CHƯƠNG 1 – QoS VÀ CÁC MÔ HÌNH HOẠT ĐỘNG, KHUYẾN NGHỊ CỦA 3GPP VỀ QoS CHO MẠNG IP/MPLS DI ĐỘNG 13

1.1.Tổng quan và vai trò của QoS 13

1.1.1 Định nghĩa QoS 13

1.1.2 Vai trò QoS 13

1.1.3 Các thông số QoS 14

a Độ tin cậy: 14

b Băng thông: 15

c Độ trễ: 15

d Biến động trễ: 16

e Tổn thất gói: 16

1.2 Mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ 17

1.2.1 Mô hình tích hợp dịch vụ IntServ 17

1.2.2 Mô hình phân biệt dịch vụ (DiffServ) 19

1.3 Chuẩn 3GPP cho QoS trong mạng IP/MPLS phục vụ cho di động 23

CHƯƠNG 2 – THIẾT KẾ QOS CHO MẠNG IP/MPLS 26

2.1 Thiết bị biên mạng (Edge device) 26

2.2 Thiết bị lõi mạng (Core device) 26

2.3 Phân loại và đánh dấu gói tin 26

2.3.1 Mối quan hệ giữa IP Precedence, DSCP và ToS 27

2.3.2 Trường MPLS Experimental 30

2.3.3 Trường 802.1p CoS 31

2.4 Giới hạn tốc độ và tối ưu hóa lưu lượng 31

2.4.1 Giới hạn tốc độ (Policing) 31

2.4.2 Tối ưu hóa luồng lưu lượng (Shaping) 32

2.5 Quản lý nghẽn, tránh tắc nghẽn bằng kỹ thuật hàng đợi 35

2.5.1 Hàng đợi FIFO 36

2.5.2 Hàng đợi Priority (PQ) 37

2.5.3 Hàng đợi Custom (CQ) 37

2.5.4 Hàng đợi WeightedFair (WFQ) 38

2.5.5 Hàng đợi Class-Based Weighted Fair 41

2.5.6 Hàng đợi Low-Latency 43

2.6 Thực thi MPLS QoS 45

2.7 Các chế độ hoạt động của MPLS QoS 47

2.7.1 Uniform mode 47

2.7.2 Pipe Mode 49

2.7.3 Short Pipe Mode 50

2.7.4 Long Pipe Mode 51

CHƯƠNG 3 – THIẾT KẾ VÀ TRIỂN KHAI QoS CHO MẠNG IP/MPLS CỦA VINAPHONE 53

3.1 Tổng quan hiện trạng mạng Vinaphone 53

3.2 Thiết kế QoS trên router trong mạng IP/MPLS Vinaphone 58

3.2.1 Phân loại lớp dịch vụ trong mạng thông tin di động Vinaphone 58

3.3 Cấu hình QoS trên các thiết bị của VNP 61

3.3.1 QoS trên router biên (7609) 61

a QoS trên LAN card Cisco 7600 : 62

b QoS trên card SIP-400 : 74

3.3.2 Cấu hình QoS trên P Router CRS-1 77

KẾT LUẬN 79 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Kí

hiệu

Từ viết tắt Nghĩa tiếng Việt

1G One Generation Cellular Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ

nhất 2G Second Generation Cellular Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ

hai 3G Third Generation Cellular Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ

ba

4G Four Generation Cellular Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ

tư 3GPP Third Generation Partnership Project Dự án hợp tác thế hệ 3

A

ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền không đồng bộ

AF Assured Forwarding Chuyển tiếp đảm báo

B

BGP Border Gateway Protocol Giao thức định tuyến biên mạng

C

CE Customer Edge Biên mạng phía khách hàng

CoS Cost of Service Giá trị dịch vụ

CRS Carrier Routing System Hệ thống định tuyến mạng lõi

CS Class Selector Lựa chọn lớp

I

ITU International Telecommunication

Union

Liên minh viễn thông quốc tế

IP Internet Protocol Giao thức Internet

ISP Internet Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ internet

IETF Internet Engineering Task Force Lực lượng quản lý kỹ thuật

L

LAN Local Area Network Mạng nội bộ

LLQ Low Latency Queue Hàng đợi độ trễ thấp

MQC Modular QoS Command Line Cấu hình QoS theo module

MPLS Multi Protocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức

PE Provider Edge Biên mạng nhà cung cấp

PHB Per Hop Behavior Ứng xử từng hop

Q

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

R

RNC Radio Network Controller Trung tâm điều khiển mạng vô tuyến

RR Route Reflector Phản xạ định tuyến

RSVP Resource Reservation Protocol Giao thức phân bố tài nguyên

S

SNMP Simple Network Managerment

Protocol

Giao thức quản lý mạng đơn giản

SLA Service Level Agreement Điều khoản mức dịch vụ

T

ToS Type of Service Loại dịch vụ

TE Traffic Engineering Kỹ thuật lưu lượng

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 1 Ánh xạ giữa PHB và DSCP 21

Bảng 1 2 Mức độ ưu tiên loại bỏ gói của các lớp AF 22

Bảng 2 1 Các giá trị IP Precedence 28

Bảng 2 2 Mức ưu tiên loại bỏ gói trong 1 lớp 29

Bảng 3 1 Các lớp lưu lượng mạng IP/MPLS Vinaphone 59

Bảng 3 2 Bảng đánh dấu DSCP chi tiết cho các giao diện mạng VNP 61

Bảng 3 3 Bảng trọng số được sử dụng bởi WRR 64

Bảng 3 4 Ánh xạ lớp QoS đến các hàng đợi và các ngưỡng 72

Bảng 3 5 Gán trọng số băng thông WRR 72

Bảng 3 6 Kích thước giới hạn hàng đợi trên giao diện LAN 7600 73

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1 1 Kết nối giữa các thiết bị của nhà cung cấp dịch vụ di động 23

Hình 2 1 Mào đầu của gói tin IPv4 27

Hình 2 2 Các lớp DSCP 30

Hình 2 3 Trường EXP 31

Hình 2 4 Thẻ 802.1Q trong trường 802.1p 31

Hình 2 5 Policing và Shaping 34

Hình 2 6 Quá trình tổng hợp của QoS 35

Hình 2 7 Hàng đợi FIFO 36

Hình 2 8 Hàng đợi Priority 37

Hình 2 9 Hàng đợi Weighted Fair 39

Hình 2 10 Hàng đợi CBWFQ 42

Hình 2 11 Hàng đợi LLQ 44

Hình 2 12 Các điều kiện thực thi MPLS QoS 46

Hình 2 13 Mô hình Uniform Mode 48

Hình 2 14 Mô hình Pipe Mode 50

Hình 2 15 Mô hình Long Pipe Mode 51

Hình 3 1 Tổng quan mạng IP-Core Vinaphone 55

Hình 3 2 Mạng IP/MPLS Core Vinaphone 56

Hình 3 3 Thiết kế mạng IPBB tại site chính 57

Hình 3 4 Các thiết bị đấu vào node mạng 57

Hình 3 5 End-to-end QoS cho mạng di động 58

Hình 3 6 Kiến trúc QoS của router Cisco 7600 62

Hình 3 7 Lịch trình đầu ra cổng LAN router Cisco 7600 65

Hình 3 8 Cấu hình hàng đợi trên cổng LAN router 7600 66

Hình 3 9 Cấu hình hàng đợi ưu tiên 66

Hình 3 10 Cấu hình băng thông cho từng hàng đợi 67

Hình 3 11 Quá trình ip2mpls 68

Hình 3 12 Quá trình mpls2mpls với nhãn xếp chồng 69

Hình 3 13 Quá trình mpls2mpls bóc tách nhãn 69

Hình 3 14 Quá trình mpls2ip 70

Hình 3 15 Cấu hình phân lớp QoS cho router Cisco 7600 – Trust DSCP 71

Hình 3 16 Cấu hình hàng đợi trên giao diện LAN 7600 74

Hình 3 17 QoS trên Cisco FlexWAN, SIP200/SIP400 74

Hình 3 18 Cấu hình QoS trên card SIP-400 76

Hình 3 19 Ứng xử QoS trong Cisco CRS-1/XR 77

Hình 3 20 Cấu hình QoS trong router Cisco CRS-1 78

LỜI MỞ ĐẦU

Mạng IP/MPLS là một mạng hội tụ, được triển khai sử dụng để chạy các dịch vụ của mạng truyền tải, di động như dữ liệu IP, thoại, di động và các dịch vụ video tương ứng với các nhu cầu đa dạng của khách hàng

Trong quá trình phát triển mạng, các dịch vụ mới liên tục được đưa ra, đi kèm với

nó là sự tăng trưởng lưu lượng chạy trong mạng backbone truyền dẫn IP/MPLS, điều này lý giải sự cần thiết phải đánh giá lại cơ sở hạ tầng mạng lưới QoS (Quality of Service) là thuật ngữ dùng để chỉ chất lượng dịch vụ, trong mạng viễn thông, các dịch

vụ thoại, video, các ứng dụng multicast đều có một tiêu chuẩn nhất định để có thể hoạt động tốt, vì vậy, việc triển khai QoS trong mạng IP/MPLS là điều bắt buộc để có thể

hỗ trợ tốt hơn các dịch vụ đã và sẽ triển khai trong mạng

Bản luận văn tập trung nghiên cứu về vấn đề QoS trong mạng IP/MPLS cho mạng

di động, mô hình QoS Diffserv của IETF, chuẩn QoS trong mạng di động của 3GPP,

về hỗ trợ QoS trong các thiết bị Cisco sử dụng trong mạng lưới Ngoài ra còn đưa ra

mô hình triển khai cụ thể đã áp dụng trong mạng Vinaphone

Về nội dung, luận văn được chia làm ba chương:

Chương 1: Trình bày tổng quan về QoS, các mô hình hoạt động QoS chính, khuyến nghị của 3GPP về QoS cho mạng IP/MPLS của mạng di động

Chương 2: Trình bày về thiết kế QoS trong mạng IP/MPLS

Chương 3:Trình bày về thiêt kế và triển khai QoS cho mạng IP/MPLS của Vinaphone

Em xin trân trọng cảm ơn cô giáo TS.Trương Thu Hương đã tận tình hướng dẫn và cung cấp cho em nhiều tài liệu phục vụ việc hoàn thiện luận văn này

CHƯƠNG 1 – QoS VÀ CÁC MÔ HÌNH HOẠT ĐỘNG,

KHUYẾN NGHỊ CỦA 3GPP VỀ QoS CHO MẠNG IP/MPLS DI

ĐỘNG 1.1 Tổng quan và vai trò của QoS

1.1.1 Định nghĩa 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 các kiểu luồng lưu lượng, QoS bao trùm cả phân loại hoá dịch vụ và hiệu năng tổng thể của 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”

1.1.2 Vai trò QoS

Với các xu hướng phát triển ồ ạt các dịch vụ thương mại điện tử (e-commerce), vấn đề đảm bảo chất lượng dịch vụ cho các ứng dụng trên mạng Internet trở nên cần thiết hơn bao giờ hết

Nhìn chung có 2 nhân tố cơ bản dẫn đến yêu cầu về chất lượng dịch vụ

 Thứ nhất, với các công ty kinh doanh trên web, họ cần chất lượng dịch vụ để cải thiện và nâng cao chất lượng vận chuyển các thông tin và dịch vụ của họ đến khách hàng như một yếu tố để thu hút ngày càng nhiều khách hàng

 Thứ 2, các nhà cung cấp dịch vụ Internet ISPs cần thêm nhiều các dịch vụ giá trị gia tăng trên mạng của họ để tăng lợi nhuận

Việc các nhà cung cấp không ngừng phát triển các dịch vụ, số lượng khách hàng ngày càng nhiều Theo truyền thống nếu một mạng làm việc không có QoS thì giải pháp để giải quyết các tắc nghẽn trong mạng đòi hỏi một lượng băng thông lớn Điều này là không khả thi đối với các nhà cung cấp dịch vụ (ISP) và các nhà kinh doanh mạng khác về giá thành cũng như tính hiệu quả của nó.Vì thế yêu cầu phải cung cấp chất lượng dịch vụ QoS là rất cần thiết

1.1.3 Các thông số QoS

Các yêu cầu chất lượng dịch vụ phải được biểu thị theo các tham số QoS đo được Các tham số thông thường nhất thường được biết đến là các tham số: Băng thông, độ trễ, trượt, giá và xác suất mất gói Các tham số sử dụng để tính toán QoS có thể tuỳ thuộc vào kiểu mạng: Băng thông, độ trễ, giá và độ tin cậy là các tham số thường được

sử dụng trong mạng IP; sự biến đổi tốc độ tế bào, tỉ lệ mất tế bào và trễ chuyển giao là các tham số thường sử dụng trong mạng ATM; Trong khi đó đối với các 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:[3]

 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)

a 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 cạnh

mạng là độ tin cậy của hệ thống Độ khả dụng của mạng càng cao nghĩa là độ tin cậy của mạng càng lớn và độ ổn định của hệ thống càng lớn Độ khả dụng của mạng thường 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 thời gian ngừng hoạt động trong một năm vào khoảng 26 phút

b Băng thông:

Băng thông biểu thị tốc độ truyền dữ liệu cực đại có thể đạt được giữa hai điểm kết cuối Có thể giải thích qua các phép tính toán như sau: Một mô hình trạng thái QoS của mạng thường được biểu diễn dưới dạng một đồ thị G (V,E) Trong đó, V là các 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 Gọi R(i,j) là băng thông dư Khi đó, nếu một kết nối có yêu cầu băng thông là Dk, thì kết nối được gọi là khả dụng khi và chỉ khi R(i,j)≥Dk Một kết nối mới có thể được chấp nhận 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)

c 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) Mỗi thành phần trong tuyến kết nối như thiết bị phát, truyền dẫn, thiết bị chuyển mạch và định 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 thực hiện quyết định định tuyến trong bộ định tuyến Nó có thể bằng 0 hoặc rất lớn vì phụ thuộc 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

e Tổn thất gói:

Tổn thất gói có thể xảy ra theo từng cụm hoặc theo chu kỳ do mạng bị tắc nghẽn liên tục, hoặc xảy ra trên chính các trường chuyển mạch gói Mất gói theo chu kì ở khoảng 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 mất gói là giá trị được nhân lên từ xác suất mất gói được kỳ vọng ở mỗi một trong các nút trung gian giữa một cặp nguồn và đích Xác suất tổn thất gói là một đại lượng quan trọng của QoS với cả các ứng dụng dữ liệu hay các dịch vụ thời gian thực Khi kết nối yêu cầu truyền dữ liệu theo đúng thứ tự, thì tổn thất gói là nguyên nhân của quá trình

truyền lại Điều này làm chậm lại quá trình xử lý truyền tin và làm giảm QoS nhận được.Với các ứng dụng thời gian thực, sự truyền lại gói thường không khả thi

1.2 Mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ

1.2.1 Mô hình tích hợp dịch vụ IntServ

Mô hình IntServ phát triển vào giữa thập niên 1990, mô hình này là nỗ lực đầu tiên trong việc cung cấp QoS toàn diện, điều mà được các ứng dụng thời gian thực mong đợi IntServ dựa trên cách ra hiệu tường minh và quản lý, dành riêng tài nguyên mạng cho những ứng dụng cần nó và yêu cầu nó IntServ thường được gọi là QoS Cứng (Hard-QoS), vì QoS Cứng đảm bảo những đặc tính như băng thông, độ trễ và mất mát gói tin ở mức độ chấp nhận được, vì vậy nó cung ứng một mức độ dịch vụ có thể dự báo từ trước Giao thức dành trước tài nguyên (Resource Reservation Protocol - RSVP) là giao thức tạo tín hiệu mà mô hình này sử dụng Khi ứng dụng yêu cầu được cấp băng thông dành riêng thì nó phải chờ cho RSVP truyền tín hiệu dọc theo đường dẫn từ nguồn tới đích, từng bước nhảy (hop) một vài yêu cầu dành riêng băng thông cho luồng ứng dụng Nếu như nỗ lực dành riêng tài nguyên của RSVP thành công, ứng dụng sẽ bắt đầu vận hành Trong khi ứng dụng đang hoạt động, dọc theo con đường đã tạo từ trước, router cung cấp băng thông mà chúng đã dành riêng cho ứng dụng Nếu RSVP thất bại trong việc dành riêng băng thông từng hop một từ điểm nguồn tới điểm đích, thì ứng dụng không thể thi hành được

Để thực hiện thành công IntServ và hỗ trợ cho cả RSVP, thì nên chạy các chức năng hay hàm trên router hay switch trong hệ thống mạng bên dưới

 Trạm thu nhận (Admission control) – Trạm thu nhận trả lời các yêu cầu của ứng dụng cho các tài nguyên Nếu tài nguyên được cung ứng mà ảnh hưởng đến các ứng dụng hiện có, thì yêu cầu đó bị loại bỏ

 Phân lớp (Classification) – traffic thuộc một ứng dụng thực hiện việc dành riêng tài nguyên cần được phân lớp và được nhận diện bởi các router trung chuyển để

chúng có thể đưa ra các dịch vụ phù hợp cho các gói tin đó

 Lập chính sách (Policing) – Là việc đánh giá và theo dõi ứng dụng không được phép vượt quá mức sử dụng tài nguyên đã thiết lập từ trước Các tham số tốc độ

và khối dữ liệu (burst) được dùng để đánh giá hành vi của một ứng dụng Tùy thuộc vào việc ứng dụng vượt quá mức sử dụng tài nguyên đã thỏa thuận từ trước, những hành động thích hợp sẽ được thi hành

 Hàng đợi (Queuing) – Có nhiều kỹ thuật hàng đợi dùng để lưu và chuyển tiếp các gói tin theo những cách riêng biệt nhau

 Lập lịch (Scheduling) – Lập lịch làm việc kết hợp với hàng đợi Nếu như có nhiều hàng đợi trên cung một interface, tổng lượng dữ liệu bị loại khỏi hàng đợi và chuyển tiếp trên mỗi hàng trong mỗi chu kỳ, thì khi đó sự quan tâm tương đối mà mỗi hàng đợi có, được gọi là thuật toán lập lịch Việc lịch bị buộc phải dựa trên các kỹ thuật hàng đợi được cấu hình trên interface của router

Khi IntServ được triển khai, các luồng ứng dụng được xác nhận cho đến khi các yêu cầu tài nguyên không còn được cung cấp thêm nữa Bất kỳ ứng dụng mới nào cũng không thể chạy được vì các yêu cầu RSVP cho tài nguyên đã bị từ chối Trong mô hình này, RSVP tạo ra các yêu cầu QoS cho từng luồng Những yêu cầu này bao hàm cả việc định danh thiết bị đưa ra yêu cầu (requestor), đồng thời được gọi là người dùng được ủy quyền (authorized user) hay đối tượng ủy quyền và “policy traffic” cần thiết cũng được gọi là đối tượng “policy” Để cho phép tất cả các router trung gian giữa máy nguồn và máy đích để xác định mỗi luồng, RSVP cung cấp các thông số của luồng như

là địa chỉ IP và số cổng (port) Ưu điểm của mô hình IntServ có thể tóm tắt như sau:

 Trạm thu nhận tài nguyên tường minh

 Trạm thu nhận chính sách cho mỗi yêu cầu

 Tạo tín hiệu cho các số cổng số động (dynamic port)

Một vài hạn chế khi sử dụng IntServ là:

 Mỗi luồng kích hoạt có một tín hiệu liên tục Tổng chi phí thực chất có thể lớn như số luồng gia tăng Đó là do kiến trúc câu lệnh của RSVP

 Bởi vì mỗi luồng được theo dõi và bảo quản, IntServ là một mô hình dựa trên luồng (flow-based) không được xem là mô hình có khả năng mở rộng cho việc triển khai trên các mạng lớn như Internet

1.2.2 Mô hình phân biệt dịch vụ (DiffServ)

Differentiated Services (DiffServ) là mô hình mới nhất trong các mô hình của QoS và việc phát triển nó nhằm mục đích là giải quyết được những giới hạn của các

mô hình trước đó.DiffServ không phải là một mô hình có thể đảm bảo hoàn toàn QoS cho ứng dụng, nhưng nó là mô hình có khả năng mở rộng rất cao.Trong khi IntServ được gọi là mô hình “Hard QoS” thì DiffServ được gọi là mô hình “Soft QoS”

DiffServ không sử dụng tín hiệu, nó dựa trên hành vi của từng hop (per-hop behavior - PHB) PHB có nghĩa là mỗi hop trong mạng lưới phải được lập trình trước

để cung ứng một loại dịch vụ nhất định cho mỗi lớp traffic PHB sau đó không cần tín hiệu trong khi traffic được đánh dấu để xác định là một trong các lớp traffic mà nó chờ đợi Mô hình này có tính mở rộng hơn IntServ bởi vì theo dõi tín hiệu và trạng thái cho mỗi luồng là không cần thiết Mỗi nút (hop) được chuẩn bị trước để làm việc với nhiều lớp traffic khác nhau.Điều này có nghĩa là nếu có hàng ngàn luồng cùng hoạt động thì chúng vẫn được phân vào một trong các lớp đã được định nghĩa từ trước và mỗi luồng

bằng cách sử dụng các kỹ thuật lập chính sách và trạm thu nhận

Sau đây là ba điểm chính yếu của mô hình DiffServ:

 Traffic mạng được phân lớp

 Các chính sách QoS áp đặt các cách ứng xử phân biệt lên các lớp traffic được định nghĩa từ trước

 Các lớp traffic và chính sách được định nghĩa dựa trên các yêu cầu kinh doanh; người quản trị sẽ lựa chọn cấp độ dịch vụ cho mỗi lớp traffic

Ưu điểm chính của mô hình DiffServ là tính mở rộng.Ưu điểm thứ hai là nó cung cấp một khung sườn linh động để định nghĩa nhiều lớp dịch vụ như các nhu cầu đòi hỏi trong kinh doanh Hạn chế chính của mô hình DiffServ là nó không cung cấp một mức độ dịch vụ đảm bảo tuyệt đối Đó là lý do mà nó được gọi là “Soft QoS” Hạn chế khác của mô hình này là một vài kỹ thuật phức tạp phải được cài đặt ổn định trên tất cả

các thành tố của mạng cho mô hình để có thể đạt được kết quả mong muốn

Kiến trúc DiffServ định nghĩa đối xử từng chặng PHB cho việc xử lý chuyển tiếp gói tin tại mỗi node mạng áp dụng một tập hợp đối xử Nó mô tả các đặc tính về chất lượng dịch vụ như độ trễ, độ trượt hay mất gói của gói tin khi đi qua node dịch vụ DiffServ

Các node dịch vụ DiffServ sẽ ánh xạ các gói tin đến các chặng PHB tương ứng

với các giá trị DSCP của nó Bảng 1.1 biểu diễn việc ánh xạ giữa PHB và DSCP

DiffServ không hoàn toàn có chức năng ánh xạ PHB đến DSCP mà nó chỉ thực hiện công việc này khi được yêu cầu Các nhóm PHB là thành phần của các đặc tính DiffServ đó là: xúc tiến đẩy gói (Expecdited Forwarding), đảm bảo đẩy gói (Assured Forwarding), chọn lớp (Class Selector) và mặc định (Default) Một node chuyển mạch

có thể được hỗ trợ nhiều nhóm PHB tương tự nhau.Các node thực thi các nhóm PHB này sẽ sử dụng cơ chế đệm và lập lịch gói tin

 Xúc tiến đẩy gói (Expedited Forwarding)

Đối xử từng chặng EF PHB là đối xử có độ trễ , độ trượt và tỉ lệ mất gói thấp mà một node DiffServ có thể thực thi Vì vậy EF PHB được sử dụng cho những luồng có

độ ưu tiên rất cao Nó có thể được thực hiện bằng việc sử dụng các thuật toán như CBQ (Class Based Queue) hoặc sử dụng hàng đợi ưu tiên đơn lẽ Những thuật toán khác nhau nhằm thỏa mãn yêu cầu EF sẽ tạo ra những độ trượt khác nhau đối với từng gói dữ liệu

 Đảm bảo đẩy gói (Assured Forwarding)

AF là một nhóm PHB với 4 lớp đảm bảo đẩy gói khác nhau với 3 mức độ ưu tiên

loại bỏ gói xác định khác nhau mà một node DiffServ có thể hỗ trợ Bảng 1.2 liệt kê

các lớp AF với mức độ ưu tiên loại bỏ gói

Ưu tiên loại bỏ gói AF1 AF2 AF3 AF4

Bảng 1 2 Mức độ ưu tiên loại bỏ gói của các lớp AF

Các nhóm AF PHB hoạt động phụ thuộc lẫn nhau và không chứa các đặc tính như

độ trễ hay độ trượt Việc mỗi nhóm cung cấp các đảm bảo dich vụ phụ thuộc vào các tài nguyên của các node, số lượng các luồng đến tại node và các ưu tiên mức loại bỏ gói Các tài nguyên tại các node chính là băng thông và không gian bộ đệm

 Các lựa chọn lớp (Class Selectors)

Diffserv định nghĩa các lựa chọn lớp CS PHBs để đưa ra tính tương thích ngược với việc sử dụng mức ưu tiên IP trong octet ToS của IPv4 Các lựa chọn lớp đảm bảo

thứ tự ưu tiên tương đối (ví dụ như giá trị cao sẽ tương ứng với thứ tự tương đối cao) Các đặc tính của CS PHBs là không trễ, không trượt và không mất gói

 PHB mặc định (Default PHB)

Miền Diffserv cần phải cung cấp một PHB mặc định để đưa ra dịch vụ best-effort, với các đặc tính không trễ, không trượt và mất gói, miền DiffServ phải đẩy càng nhiều gói tin đi càng sớm càng tốt

1.3 Chuẩn 3GPP cho QoS trong mạng IP/MPLS phục vụ cho di động

Mạng IP/MPLS được sử dụng chủ yếu để vận chuyển lưu lượng IP cho dịch vụ di động, và do đó việc bảo đảm các đặc tính của ứng dụng và thiết bị di động là cần thiết

Từ quan điểm QoS, các nhà khai thác di động thường sử dụng tiêu chuẩn công nghiệp

và các nền tẳng được khuyến cáo như là tài liệu tham khảo khi xây dựng bản đồ lưu lượng để phân lớp dịch vụ.Tiêu chuẩn được sử dụng ở đây là tiêu chuẩn 3GPP

Hình 1 1 Kết nối giữa các thiết bị của nhà cung cấp dịch vụ di động

Chương trình hợp tác thế hệ thứ 3 (3GPP) đã tăng cường khả năng của truy cập

vô tuyến gói chung (GPRS) để có thể kết hợp sự hỗ trợ của QoS Để đáp ứng tiêu chuẩn 3GPP cho thông tin di động GSM, kiến trúc DiffServ cần phải đơn giản và dễ dàng quản lý sử dụng Số lớp được định nghĩa là tối thiểu để đảm bảo rằng sự phân mảnh của các nguồn tài nguyên bộ đệm không làm cho các gói tin nhận được là mất trật tự

Bốn lớp khác nhau của QoS đã được định nghĩa bởi 3GPP: đàm thoại, trực tuyến, tương tác và lớp nền tảng Thuộc tính truy cập sóng mang vô tuyến (RAB) có thể được dùng để phân biệt sự quản lý của sóng mang truy cập vô tuyến trong mạng UMTS cũng được xác định

Những thuộc tính này bao gồm:

 Lớp dịch vụ

 Tốc độ bit cao nhất

 Tốc độ bit đảm bảo

 Yêu cầu chuyển phát

 Dữ liệu dịch vụ tối đa

 Định dạng thông tin SDU

 Tỷ lệ lỗi SDU

 Tỷ lệ lỗi bit dư

 Sai lệch truyền SDU

 Trễ truyền

 Ưu tiên xử lý giao thông (THP)

Khung 3GPP không định nghĩa làm thế nào để dịch hoặc ánh xạ bất cứ thuộc tính nào đến mạng backbone.Tuy nhiên nếu mạng backbone là mạng IP/MPLS (trong trường hợp của Vinaphone), chuẩn 3GPP chỉ ra rằng tiêu chuẩn DiffServ của IETF sẽ được sử dụng Thuộc tính dịch vụ mà DiffServ sử dụng để đánh dấu và ánh xạ sẽ được

gán vào gói tin tại biên mạng, sử dụng các node hỗ trợ GPRS (SGSN), gateway hỗ trợ GPRS (GGSN), hoặc RNC … để thiết lập đường truyền vô tuyến giữa các thiết bị cầm tay và trạm cơ sở qua mạng IP/MPLS Các nhà cung cấp mạng điện thoại di động phải phân loại lưu lượng truy cập trước khi vận chuyển chung qua mạng lõi Riêng đối với việc vận chuyển dữ liệu, điều này là lựa chọn duy nhất trong toàn mạng vì không thể

mở rộng các router PE biên mạng để thực hiện một chính sách phân loại Khi một dữ liệu được khởi tạo, các thiết bị di động sẽ đánh dấu lưu lượng với một trường DiffServ thích hợp

Ngoài ra, chuẩn 3GPP chỉ ra rằng dịch vụ mạng lõi không phải là dảnh riêng cho UMTS (ví dụ, nó có thể sử dụng cho một số mục đích khác) Trong các triển khai như vậy, quan trọng là phải hiểu rằng kiến trúc QoS được thực hiện trong mạng backbone

sẽ chia sẻ giữa các luồng 3GPP và các người dùng khác, bao gồm cả lưu lượng internet, mạng lưới thông tin liên lạc dữ liệu và lưu lượng truy cập VPN

Quan trọng hơn, DiffServ định nghĩa cách xử lý phân biệt các gói tin khi tắc nghẽn xảy ra trên một giao diện cụ thể

CHƯƠNG 2 – THIẾT KẾ QOS CHO MẠNG IP/MPLS

2.1 Thiết bị biên mạng (Edge device)

Các thiết bị biên mạng chịu trách nhiệm kiểm tra các gói tin IP đến từ các thiết bị

CE về các đặc tính khác nhau như loại ứng dụng (thoại, video …) và đích đến của gói tin Các gói tin này có thể được phân loại sau đó dựa vào giá trị IP DSCP đã được thỏa thuận với khách hàng từ trước đó Ví dụ, tất cả các lưu lượng nhận được từ khách hàng trong mạng NGN có thể được phân vào lớp ưu tiên, có nghĩa là tất cả các lưu lượng khác sẽ ở mức ưu tiên thấp hơn nó Hoặc thậm chí, tất cả các lưu lượng thuộc về một loại ứng dụng nhất định (ví dụ như thoại) có thể được gán vào một lớp

Các thiết bị biên mạng cũng cung cấp quản lý băng thông đầu vào từ các giao diện người sử dụng và quản lý hàng đợi đầu ra đến thiết bị lõi Bằng cách này, các thiết bị biên mạng đảm bảo rằng không có khách hàng nào (ví dụ: khách hàng trong trường hợp của Vinaphone là các thiết bị CE trong mạng) có thể làm nghẽn mạng để gây thiệt hại cho người khác Quá trình áp dụng CoS/QoS yêu cầu CPU xử lý chuyên sâu và chỉ giới hạn ở biên mạng Khi cần thiết tăng cường sức mạnh xử lý, đơn giản là chỉ cần thêm vào các thiết bị biên mạng (PE)

2.2 Thiết bị lõi mạng (Core device)

Các thiết bị lõi thực hiện đẩy nhanh gói tin trong khi việc phân chia mức QoS được thực hiện tại các thiết bị biên mạng Thiết bị lõi thực hiện điều này bằng cách kết hợp các giá trị ToS hoặc Experimental trong nhãn của các gói tin với các hàng đợi ra khác nhau trong quá trình truyền tải, cung cấp lớp thích hợp của dịch vụ Do đó, thiết

bị lõi không cần biết về yêu cầu dịch vụ của khách hàng vì tất cả các vấn đề về phân loại đã được thực hiện ở thiết bị biên mạng.[1]

2.3 Phân loại và đánh dấu gói tin

Phân loại là quá trình phân loại lưu lượng vào các lớp đã được xác định từ trước trong mạng Các lớp này được gán những đặc tính khác nhau như độ ưu tiên và độ trễ

cho lưu lượng liên quan Lưu lượng thường được đánh dấu ở đầu vào của mạng Một khi lưu lượng đã được đánh dấu, mạng phải được thiết lập để cung cấp dịch vụ khác biệt cho các lưu lượng khác nhau Phương pháp phổ biến để phân biệt lưu lượng trong mạng lõi của nhà cung cấp bao gồm: giá trị CoS trong mào đầu gói tin lớp 2, IP precedence và DSCP trong mào đầu gói tin lớp 3, hoặc giá trị MPLS Experimental

trong mào đầu nhãn MPLS

2.3.1 Mối quan hệ giữa IP Precedence, DSCP và ToS

Hình 2.1 hiển thị mào đầu của gói tin IPv4 với 8 bit của trường ToS Trường ToS thì sử dụng thuận tiện để cung cấp QoS trong mạng IP Tuy nhiên, từ khi ra đời

mô hình Diffserv nó được thay thế bởi giá trị IP Precedence hay giá trị DSCP

Hình 2 1 Mào đầu của gói tin IPv4

3 bit đầu tiên của trường ToS như trên hình 2.1, chỉ ra gía trị IP Precedence được gán cho gói tin IP Những giá trị được định nghĩa trước để nhận dạng IP Precedence thì được định nghĩa trong bảng 2.1

Bảng 2 1 Các giá trị IP Precedence Giá trị IP Precedence chỉ định lớp dịch vụ cho từng gói tin và có thể được sử

dụng để phân biệt đến sáu lớp dịch vụ trong một mạng MPLS Hai giá trị Precedence cuối cùng (6 và 7) được sử dụng cho mạng nội bộ, chủ yếu trong đó là kiểm soát lưu lượng

DSCP, Như trên hình 2.1 là 6 bit đầu của trường ToS (3 bit IP Precedence + 3

bit tiếp theo ) Trong tiêu chuẩn mô hình phân biệt dịch vụ diffserv thì trường ToS sẽ được đổi tên thành Differentiated Services Code Point (Mã phân tách dịch vụ - được

gọi tắt là trường DSCP) và sẽ có một ý nghĩa mới Việc định nghĩa lại trường ToS nhằm mục đích bỏ qua sự tồn tại của trường ToS trong gói tin IPv4 (RFC791) và

trường Class trong gói tin IPv6

Chuẩn DSCP được xây dựng để tương thích ngược với giá trị IP Precedence, Giá trị DSCP được gọi là Class Selector nếu bit 3 và 4 bằng 0 ( bit 5 không sử dụng và bằng 0 ), Giá trị DSCP được gọi là AF hoặc EF nếu bit 3 và 4 khác 0

Các gói tin IP mà có cùng giá trị IP Precedence thì được xếp vào cùng 1 lớp dịch vụ, và trong 1 lớp dịch vụ thì lại có các mức ưu tiên loại bỏ gói khác nhau, tương ứng với các bit 3 và 4 Các lớp chính là lớp expedited forwarding (EF) và lớp assured forwarding (AF) Ta có bảng 2.2 sau :

Bảng 2 2 Mức ưu tiên loại bỏ gói trong 1 lớp

Nhìn vào bảng 2.2 ta thấy có mức ưu tiên loại bỏ gói thấp, trung bình vào cao tương ứng với bít 3 và 4 là : 01, 10, 11

Hình 2.2 sẽ cho ta rõ hơn về cách xếp lớp và xa hơn là các mức ưu tiên loại bỏ gỏi trong cùng 1 lớp

Hình 2 2 Các lớp DSCP

Các lớp AF với IP Precedence bằng 2 và 1 thì tương tự như với các lớp có IP Precedence là 3 và 4, Ta không miêu tả trong hình này Còn lại là lớp background (BE)

2.3.2 Trường MPLS Experimental

Nhãn của gói tin MPLS bao gồm một số trường Một trong số đó là trường Experimental được thể hiện trong hình dưới Trường EXP ban đầu được gọi là trường CoS khi Cisco bắt đầu phát triển chuyển mạch nhãn Khi MPLS trở thành một tiêu chuẩn chính thức, trường CoS được đổi tên thành Experimental hay EXP nhưng công dụng của nó vẫn chưa thực sự rõ ràng Tuy nhiên, trường EXP vẫn còn được sử dụng

để mang các bit CoS (Class of Service) Lõi mạng sẽ sử dụng giá trị EXP được đánh dấu để áp dụng những ưu tiên cần thiết

Hình 2 3 Trường EXP

2.3.3 Trường 802.1p CoS

802.1p là một phần trong tiêu chuẩn 802.1q cho phép đánh dấu khung lớp 2 với một giá trị ưu tiên Trường 802.1p dài 3 bit, và do đó dễ dàng tương thích với giá trị IP Precedence và trường MPLS EXP Một khung 802.1q được khởi tạo từ một khung Ethernet bằng cách thay đổi loại của khung sang 0x8100 (tức 802.1q) và chèn 4 byte tag 802.1q như sau:

Hình 2 4 Thẻ 802.1Q trong trường 802.1p

Thẻ 802.1Q có thể tiếp tục chia thành một số trường Trường có liên quan ở đây là

ba bit ưu tiên 802.1p Trường này có thể được ánh xạ trực tiếp tới trường IP DSCP hoặc trường MPLS EXP.[2]

2.4 Giới hạn tốc độ và tối ưu hóa lưu lượng

2.4.1 Giới hạn tốc độ (Policing)

Chính sách lưu lượng là luôn theo dõi, điều chỉnh lưu lượng truy cập mạng cho phù hợp với hợp đồng lưu lượng, và nếu như được yêu cầu, nó sẽ làm giảm hoặc thậm

chí vứt bỏ lưu lượng vượt quá ngưỡng nhằm mục đích thực thi chính sách phù hợp trên đường truyền Hợp đồng ở đây có thể là cam kết về tỷ lệ thông tin, cam kết về Burst và giá trị Burst vượt quá được gán vào một giao diện nhất định Lưu lượng vượt quá hợp đồng có thể được gán thẻ không tuân thủ Các hành động được áp dụng lên các lưu lượng không tuân thủ hợp đồng có thể khác nhau tùy thuộc vào từng cấu hình Cấu hình phổ biến nhất khi áp dụng chính sách là vứt bỏ lưu lượng này Các tác vụ có thể khác bao gồm đánh dấu lưu lượng với lớp dịch vụ, IP DSCP/ Precedence, hoặc giá trị EXP thích hợp Ví dụ: lưu lượng truy cập tuân thủ theo hợp đồng được chỉ định có thể được phép đi qua, đồng thời cũng được đánh dấu bằng các mã tương ứng Một khả năng khác là việc đánh dấu lại hoặc đánh dấu lưu lượng đã vi phạm hợp đồng Việc đánh dấu lại là quá trình cho phép lưu lượng truy cập vượt quá được phép thông qua, nhưng với mức độ ưu tiên thấp hơn trong lõi mạng với các lưu lượng tuân thủ hợp đồng Các chính sách có thể được sử dụng ở các địa điểm khác nhau của mạng để hạn chế số lượng của lưu lượng truy cập vào một liên kết cho phép Nó hữu dụng nhất ở phía biên mạng để hạn chế lưu lượng người sử dụng và đánh dấu giá trị QoS thích hợp

Phía tiếp nhận lưu lượng đã qua chính sách sẽ theo dõi lượng gói tin bị mất trong suốt quá trình truyền dẫn nếu lưu lượng này vượt quá hợp đồng Nếu nguồn không có cơ chế phản hồi gửi lại, việc truyền dẫn sẽ được tiếp tục, và ở phía người nhận sẽ xuất hiện bản tin đầu ra có lỗi liên kết hoặc một số lỗi khác gây mất gói tin ngẫu nhiên

2.4.2 Tối ưu hóa luồng lưu lượng (Shaping)

Các công cụ định hình lưu lượng (traffic-shaping - TS) làm chậm các gói tin khi các gói đi ra khỏi một router sao cho tốc độ truyền tổng thể không vượt quá một giới hạn đã định nghĩa Traffic policer đo lường tốc độ truyền các gói khi vào và ra một cổng của router Nếu tốc độ truyền thực sự vượt quá tốc độ định nghĩa, router sẽ loại

bỏ đủ số lượng gói tin sao cho tốc độ giới hạn không bị vượt qua Hoặc router cũng có thể đánh dấu vài gói tin sao cho các gói tin có thể bị loại bỏ về sau

Công cụ điều hoà lưu lượng Traffic Shaping ngăn ngừa tốc độ truyền các gói tin vượt quá một mức được cấu hình Để làm được việc này, router sẽ giám sát tốc độ gửi

dữ liệu Nếu tốc độ này vượt quá tốc độ đã được cấu hình, công cụ điều hoà lưu lượng Traffic Shaping sẽ làm chậm các gói tin lại, đưa các gói tin vào trong các hàng đợi shaping Hàng đợi shaping queue này khác với các hàng đợi software của cổng Sau đó router sẽ giải phóng các gói tin ra khỏi hàng đợi sao cho tốc độ truyền dữ liệu tổng thể không vượt quá tốc độ giới hạn

Traffic Shaping giải quyết hai vấn đề tổng quát có thể xảy ra trong môi trường đa truy cập Một là, nếu một nhà cung cấp dịch vụ loại bỏ bất kỳ lưu lượng nào một cách

cố ý trên một mạch ảo VC của khách hàng khi tốc độ truyền vượt quá tốc độ cam kết, lúc đó router sẽ không gửi vượt quá tốc độ cam kết CIR là một điều hợp lý Hai là, công cụ TS giúp giải quyết hiện tượng nghẽn ngõ ra (egress blocking) Hiện tượng nghẽn ngõ xảy ra khi router gửi dữ liệu vào một mạng Frame relay hoặc ATM và các tổng đài FR hay ATM phải đưa dữ liệu vào hàng đợi trước khi tổng đài có thể chuyển

ra router ở đầu bên kia của mạch ảo VC

Ví dụ: khi một router với một kết nối T1 gửi dữ liệu, nó phải gửi ở tốc độ T1 Nếu

router trên đầu xa của kết nối chỉ có tốc độ 256Kbps, các frame/cell sẽ phải chờ trong hàng đợi ra của tổng đài Tương tự, nếu cùng có 20 site có tốc độ 256Kbps cùng gửi về router T1, các frame/cell cũng sẽ bị xếp hàng để chờ thoát khỏi tổng đài để về router T1 Trong trường hợp này, công cụ shaping có thể được dùng để ngăn ngừa hiện tượng trên, router sẽ chuyển các gói tin vào trong hàng đợi, ở đó các gói tin sẽ bị thao tác với các công cụ hàng đợi

Một câu hỏi được đặt ra là: Shaping và Policy khác gì nhau? Shaping cung cấp một hàng đợi và bộ nhớ đệm để làm chậm gói tin trong khi policy thì không Ngoài ra, Shaping cung cấp chức năng tạo lịch trình cho gói tin trong trường hợp gói tin đến đích chậm do bị trì hoãn

Hình 2 5 Policing và Shaping

Tổng hợp lại những gì đã được trình bày, ta có:

- Phân loại: là quá trình xác định, phân loại các loại lưu lượng khác nhau

- Policing (chính sách giới hạn tốc độ): là quá trình đo lưu lượng, đảm bảo hợp đồng lưu lượng không bị vi phạm, đánh dấu các lưu lượng vi phạm và xử lý với các lưu lượng vi phạm tùy theo cấu hình đã được định sẵn

- Shaping: là cách delay lưu lượng truyền qua mạng nhằm mục đích không có lưu lượng nào bị loại bỏ

Hình 2 6 Quá trình tổng hợp của QoS

 Classifier: lựa chọn gói tin trong luồng lưu lượng dựa vào tiêu đề hoặc một số trường trong tiêu đề của gói tin

 Meter: kiểm tra các thông số của luồng lưu lượng, đưa ra kết quả cho Shaper/Dropper để đưa ra hành động với luồng lưu lượng đến

 Marker: ghi/ghi lại DSCP

 Shaper: làm trễ một số gói tin để phù hợp với thông tin đã được định sẵn

2.5 Quản lý nghẽn, tránh tắc nghẽn bằng kỹ thuật hàng đợi

Nghẽn mạng xảy ra khi tốc độ đầu vào interface vượt quá tốc độ đầu ra khỏi một interface Đôi khi traffic đi vào một thiết bị từ một cổng tốc độ cao và đi ra thông qua một cổng tốc độ chậm Để kiểm soát vần đề này cần sử dụng thuật toán hàng đợi là

để sắp xếp các traffic và xác định một số phương pháp để ưu tiên phân cấp traffic Hàng đợi được dùng gồm các loại sau :

 First-in, first-out (FIFO)

 Priority queuing (PQ)

 Custom queuing (CQ)

 Weighted fair queuing (WFQ)

 Low Latency Queuing (LLQ)

Hàng đợi chỉ là giải pháp tạm thời Nếu gói tin đến không chuyển đi bằng lúc đến thì sẽ được giữ lại và giải phóng Trình tự các gói tin bị giải phóng phụ thuộc vào các thuật toán hàng đợi Nếu hàng đợi đầy thì các gói tin tới hop sẽ bị loại bỏ, hiện tượng này gọi là “cắt đuôi” (tail drop) Để tránh tail drop người ta loại bỏ đi một số gói tin để cho các gói tin khác có chỗ trong hàng đợi, việc lựa chọn này tùy thuộc vào thuật toán hàng đợi

2.5.1 Hàng đợi FIFO

FIFO là quy luật hàng đợi mặc định trong hầu hết các interface ngoại trừ những interface nào có tốc độ 2,048 Mbps hay thấp hơn (E1) FIFO là thuật toán đơn giản và không cần cấu hình, gói tin được xếp hàng dài trong hàng đợi; lớp gói tin, độ ưu tiên và kiểu không đóng vai trò nào hết trong một hàng đợi FIFO Do không có thuật toán loại bớt gói tin, việc lập lịch thì những ứng dụng lớn sẽ chiếm hết băng thông của interface Kết quả là các ứng dụng khác sẽ bị hủy và tăng độ trễ Trên các interface tốc độ cao khó có khả năng xảy ra tắc nghẽn thì FIFO được xem là quy luật xếp hàng thích hợp nhất

Hình 2 7 Hàng đợi FIFO

Hàng đợi có bốn gói 4, 3, 2, 1, theo thuật toán thì gói 1 đi qua đầu tiên và tiếp theo là ba gói 2, 3, 4

2.5.2 Hàng đợi Priority (PQ)

PQ có bốn hàng đợi ưu tiên là: high, medium, normal và low Danh sách truy cập thường được dùng để định nghĩa gói tin vào các hàng đợi này Hàng đợi nào có ưu tiên cao sẽ được PQ chuyển gói tin cho hết thì mới tới hàng đợi có độ ưu tiên thấp hơn Nếu như hàng đợi high quá bận, hàng đợi medium có nhiều traffic thì hàng đợi normal và low sẽ không được phục vụ Hiện tượng này sẽ gây ra “đói” dịch vụ (starving) cho các hàng đợi có độ ưu tiên thấp

Trong mô hình này, các gói tin, dựa trên giao thức, địa chỉ nguồn, địa chỉ đích, kích thước, cổng nguồn hay cổng đích, có thể được gán cho một trong bốn hàng đợi

PQ thường được khuyên dùng cho các interface băng thông thấp ở đó ta muốn gán mức

ưu tiên tuyệt đối cho ứng dụng hay traffic trọng yếu

Hình 2 8 Hàng đợi Priority

2.5.3 Hàng đợi Custom (CQ)

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

CQ sẽ phục vụ cho tất cả các hàng đợi có trong interface của nó thậm chí khi xẩy ra nghẽn mạng CQ có tất cả 16 hàng đợi, như vậy nó cho phép tối đa 16 lớp dịch vụ (vừa

đủ cho các loại dịch vụ ngày nay) CQ còn không cung cấp cho một hàng đợi đặc biệt

nào đó có mức ưu tiên cao hơn các hàng đợi khác và cũng không ưu tiên hàng đợi nào

có low delay, low jitter, low loss…

CQ cung cấp một lượng băng thông ngang nhau cho tất cả các hàng đợi, việc lập lịch của CQ như sau: CQ sẽ kiểm tra lần lượt các hàng đợi, bắt đầu từ hàng đợi thứ 1,

CQ sẽ lấy gói tin từ hàng đợi này cho tới khi số gói tin mà nó lấy vượt quá hoặc bằng giá trị cho phép, sau khi hàng đợi này đã được phục vụ với số gói tin nhu trên hoặc hàng đợi này không có gói tin thì CQ sẽ chuyển qua phục vụ cho hàng đợi kế tiếp và quá trình lặp lại như trên CQ không cho phép cấu hình băng thông cho từng hàng đợi

mà chỉ cho phép cấu hình số gói tin sẽ lấy từ hàng đợi đó

2.5.4 Hàng đợi WeightedFair (WFQ)

WFQ là một kỹ thuật xếp hàng quan trọng khác của router Cisco với hai nguyên do chính Thứ nhất, WFQ là hàng đợi mặc định trên các interface serial ở tốc độ 2,048 Mbps (E1) hay thấp hơn; thứ hai, WFQ được dùng bởi CBWFQ và LLQ, là hai phương pháp hàng đợi cao cấp, hiện đại và phổ dụng hơn cả WFQ có các mục đích và mục tiêu quan trọng sau:

 Chia traffic thành các luồng

 Cung cấp việc định vị băng thông cân bằng cho các luồng đang hoạt động

 Cung cấp cách lập lịch nhanh cho các luồng đang ngưng hoạt động có volume thấp

 Cung ứng nhiều băng thông hơn cho các luồng có mức ưu tiên cao hơn

 WFQ giải quyết được các hạn chế của cả FIFO và PQ:

 FIFO làm tăng độ trễ, độ biến động trễ (jitter) và có thể làm đói dịch vụ cho một số gói tin (đặc biệt đối với các traffic tương tác)

 PQ sẽ làm đói dịch vụ các gói tin thuộc hàng đợi có ưu tiên thấp và trong mỗi hàng đợi của PQ, dựa trên FIFO, hạn chế của FIFO vẫn còn hiện diện Phân lớp và lập lịch WFQ

WFQ là thuật toán xếp hàng dựa trên luồng Các gói tin vừa đến sẽ được phân lớp thành các luồng và mỗi luồng được gán cho một hàng đợi FIFO Các luồng được xác định dựa trên các trường bên dưới của IP và hoặc là thuộc header TCP hay UDP:

Hình 2 9 Hàng đợi Weighted Fair

Nếu tất cả các luồng có cùng mức ưu tiên (trọng số) WFQ sẽ chia băng thông cho các luồng hiện có Luồng nào có dung lượng thấp sẽ được lập lịch và

chuyển tiếp đến hàng đợi phần cứng Còn những luồng cao nằm trong hàng đợi tương ứng sẽ bị hoãn lâu hơn và có thể bị loại bỏ

Điều quan trọng cần biết rằng các hàng đợi hiện có của hệ thống WFQ dựa trên số các luồng đang hoạt động; nói cách khác, WFQ tự động tạo và xóa các hàng đợi Băng thông sẽ được chia cho các luồng dựa trên mức ưu tiên của chúng

Vì thế, không giống với CQ, WFQ không làm việc được với truyền liên mạng

“tunneling” và mã hóa (encryption), bởi vì WFQ cần truy xuất vào các trường header của gói tin để tính giá trị băm dùng cho việc gán gói tin vào các hàng đợi

Số hàng đợi mà hệ thống WFQ có thể tạo ra cho các luồng đang hoạt động là

có giới hạn Số hàng đợi tối đa, cũng được gọi là hàng đợi động WFQ, mặc định

là 256 WFQ cho phép sử dụng đến 8 hàng đợi cho các gói tin hệ thống và 1000 cho các luồng RSVP Khi số luồng vượt quá số hàng đợi thì luồng đó sẽ được gán vào hàng đợi đã có từ trước

Những ưu điểm của WFQ:

 Cấu hình WFQ đơn giản và không yêu cầu phân lớp tường minh

 WFQ không làm đói dịch vụ các luồng và đảm bảo thông lượng cho tất

 Phân lớp và lập lịch WFQ không thể cấu hình và thay đổi được

 WFQ chỉ hỗ trợ cho các kết nối chậm (2,048Mbps hay thấp hơn)

 WFQ không đảm bảo băng thông và độ trễ cho các luồng traffic

 Nhiều luồng traffic có thể được gán vào cùng một hàng đợi bên trong hệ thống WFQ