Đảm bảo chất lượng dịch vụ cho truyền thông đa phương tiện thời gian thực trên internet

Giới thiệu chung về truyền thông đa phương tiện Multimedia Trước đây, khi mà Internet chủ yếu là truyền data thì người ta không cần quan tâm đến việc phân biệt và ưu tiên cho các gói ti

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

HOÀNG TRỌNG THỦY

ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ CHO TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN THỜI GIAN THỰC TRÊN INTERNET

NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

CHUYÊN NGÀNH: TRUYỀN DỮ LIỆU VÀ MẠNG MÁY TÍNH

MÃ SỐ:

LUẬN VĂNTHẠC SĨNGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

GVHD: PGS TS Nguyễn Đình Việt

Hà Nội - 2016

Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn giúp đỡ của PGS TS Nguyễn Đình Việt Các kết quả được viết chung với các tác giả khác đều được sự đồng ý của tác giả trước khi đưa vào luận văn Trong toàn bộ nội dung nghiên cứu của luận văn, các vấn đề được trình bày đều là những tìm hiểu và nghiên cứu của chính cá nhân tôi hoặc là được trích dẫn từ các nguồn tài liệu có ghi tham khảo rõ ràng, hợp pháp

Trong luận văn, tôi có tham khảo đến một số tài liệu của một số tác giả được liệt kê tại mục tài liệu tham khảo

Hà nội, tháng 11 năm 2016

Tác giả luận văn

Hoàng Trọng Thủy

Để hoàn thành tốt luận văn này, đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến Thầy Nguyễn Đình Việt, người đã tận tình và trực tiếp hướng dẫn tôi trong suốt quá trình triển khai và nghiên cứu đề tài, tạo điều kiện đểtôi hoàn thành luận văn này

Thứ hai, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới toàn thể các thầy cô giáo trong khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã dạy bảo tận tình tôi trong suốt quá trình tôi học tập tại khoa

Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã luôn bên em cổ vũ, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn

Mặc dù đã cố gắng hoàn thành luận văn trong phạm vi và khả năng cho phép nhưng chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót tôi rất mong được sự góp ý chân thành của thầy cô và các bạn để tôi hoàn thiện luận văn của mình

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 11 năm 2016

Học viên

Hoàng Trọng Thủy

MỤC LỤC

Chương 1 GIỚI THIỆU 2

1.1 Tổng quan về bộ giao thức TCP/IP và sự phát triển của mạng Internet 2

Giới thiệu chung 2

1.2 Tổng quan về truyền thông đa phương tiện (Multimedia) và chất lượng dịch vụ (QoS) 3

1.2.1 Giới thiệu chung về truyền thông đa phương tiện (Multimedia) 3

1.2.2 Giới thiệu chung về chất lượng dịch vụ (QoS) 4

1.3 Kiến trúc QoS cở bản 8

1.3.1 QoS nhận dạng và đánh dấu 8

1.3.2 QoS trong một thiết bị mạng 9

1.4 Các mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ 9

1.4.1 Mô hình các dịch vụ được tích hợp IntServ 9

1.4.2 Mô hình các dịch vụ phân biệt DiffServ 13

1.5 Kiến trúc DiffServ trong bộ mô phỏng NS2 17

1.5.1 Router MRED (Milti RED) 18

1.5.2 Các cơ chế đánh dấu gói tin và chính sách phục vụ 19

1.5.3 Các cơ chế lập lịch hàng đợi 20

1.6 Thách thức của việc truyền thông đa phương tiện trên Internet hiện nay 20

1.6.1 Hạn chế của việc truyền thông đa phương tiện hiện nay 20

1.6.2 Các phương pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ trên nền các dịch vụ cố gắng tối đa (best effort) 20

Chương 2 CÁC CHIẾN LƯỢC QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI VÀ KHẢ NĂNG ÁP DỤNG ĐỂ ĐẢM BẢO QOS CHO TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN THỜI GIAN THỰC 21

2.1 Các chiến lược quản lý hàng đợi truyền thống 21

2.1.1 Hàng đợi FIFO (First in first out) 21

2.1.2 Chiến lược hàng đợi ưu tiên PQ ( Priority Queue ) 22

2.1.3 Chiến lược Packet-Based Round Robin 23

2.1.4 Bộ lập lịch lý tưởng GPS - Generalized Processor Sharing 24

2.1.5 Chiến lược Flow-Based Weighted Fair Queuing (WFQ) 25

2.1.6 Chiến lược Class-Based Weighted Fair Queuing (CBQ) 27

2.2 CÁC CHIẾN LƯỢC QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI ĐỘNG 30

2.2.1 Chiến lược quản lý hàng đợi truyền thống và hệ quả 30

2.2.2 Ưu điểm các chiến lược quản lý hàng đợi động 31

2.2.3 Thuật toán RED trong chiến lược quản lý hàng đợi động 32

2.2.4 Thuật toán A-RED 40

2.2.5 Thuật toán RIO 42

2.2.6 Thuật toán A-RIO 45

Chương 3 ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ ĐẢM BẢO QOS CHO TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN THỜI GIAN THỰC CỦA MỘT SỐ CHIẾN LƯỢC QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI 47

3.1 Đánh giá bằng mô phỏng hiệu quả của thuật toán RED 47

3.2 Đánh giá bằng mô phỏng việc áp dụng kiến trúc mạng Diffserv có sử dụng RED 50

3.2.1 Cấu hình mạng mô phỏng 51

3.3 Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

7 CBR Constant Bit Rate

8 CBS Committed Burst Size Kích thước cụm cam kết

9 CIR Committed Information

Rate

Tốc độ thông tin cam kết

10 CP Code Point

11 DiffServ Differentiated Services Dịch vụ phân biệt

12 EBS Excess Burst Size Kích thước cụm vượt mức

13 ECN Explicit Congestion

Notification

Cờ thông báo tắc nghẽn

14 EF Expedited Forwarding

15 FIFO First In First Out

16 FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền file

17 IntServ Integrated Services Dịch vụ tích hợp

18 IP Internet Protocol

19 ISP Internet Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ

20 LAN Local Area Network Mạng cục bộ

21 NS Network Simulator

22 PBS Peak Burst Size Kích thước cụm tối đa

23 PIR Peak Information Rate Kích thước cam kết tối đa

24 PQ Priority Queue Hàng đợi ưu tiên

25 PRI Priority

26 PHB Per-Hop Behavior Đối xử theo chặng

27 QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

28 RED

Random Early Detection/Random Early Drop

Phát hiện sớm ngẫu nhiên, Loại

bỏ sớm ngẫu nhiên

29 RIO RED with In/Out bit

30 RIO – C Rio Coupled

31 RIO - D Rio DeCoupled

32 RR Round Robin

35 TSW Time Sliding Window Cửa sổ thời gian trượt

36 UDP User Datagram Protocol

37 WAN Wide Area Network Mạng diện rộng

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1.Sự phát triển của QoS

Hình 1.2.Các kỹ thuật QoS

Hình 1.3.Mô hình nguyên lý hoạt động của giao thức RSVP

Hình 1.4.Kiến trúc DiffServ đơn giản

Hình 1.4.Phân loại và đánh dấu gói tin ở router biên

Hình 2.1.Cơ chế phục vụ FIFO

Hình 2.2.Cơ chế phục vụ hàng đợi ưu tiên

Hình 2.3.Cơ chế phục vụ hàng đợi Packet-Based Round Robin

Hình 2.4.Cơ chế WFQ

Hình 2.5.IP Precedence bits

Hình 2.5 Chia sẻ băng thông trong CBQ

Hình 2.7.Giải thuật tổng quát cho RED gateway

Hình 2.8Giải thuật RED chi tiết

Hình 2.9.Các tham số thuật toán RED

Hình 2.10.Giải thuật tổng quát cho A-RED gateway

Hình 2.11.Giải thuật RIO

Hình 3.1.Mô phỏng DropTail

Hình 3.2.Mô phỏng RED

Hình 3.3.Giải thuật RIO

Hình 3.4 Topo mạng mô phỏng

Hình 3.5 So sánh thông lượng các kết nối UDPtrường hợp tắc nghẽn ít

Hình 3.6.So sánh kích thước hàng đợi trung bìnhtrường hợp tắc nghẽn ít

Hình 3.7.So sánh độ trễ hàng đợi trung bình trường hợp tắc nghẽn ít

Hình 3.8 So sánh thông lược các kết nối UDP trường hợp tắc nghẽn nhiều Hình 3.9.So sánh kích thước hàng đợi trung bình trường hợp tắc nghẽn nhiều Hình 3.10 So sánh độ trễ hàng đợi trung bìnhtrường hợp tắc nghẽn nhiều

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 So sánh RED với DropTail

Bảng 3.2.Thông kê gói tin trường hợp tắc nghẽn ít

Bảng 3.3.Thống kê Từng kết nối Trường hợp tắc nghẽn ít

Bảng 3.4.Thông kê gói tin trường hợp tắc nghẽn nhiều

Bảng 3.5 Thống kê Từng kết nối trường hợp tắc nghẽn nhiều

MỞ ĐẦU

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Sự phát triển mạnh mẽ của mạng Internet ngày này kéo theo sự sự phát triển của các ứng dụng trên Internet Dữ liệu trao đổi trên mạng không chỉ đơn thuần là văn bản (text) nữa mà thêm vào đó là dữ liệu đa phương tiện (multimedia) bao gồm có hình ảnh (image), âm thanh (audio), phim, nhạc… Các ứng dụng đa phương tiện phổ biến

có thể kể đến như gọi điện qua mạng (Internet telephony), hội thảo trực tuyến (video conferencing) hoặc các ứng dụng xem video theo yêu cầu (video on demand) càng ngày càng được sử dụng rộng rãi Vấn đề đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) đang trở nên quan trọng hơn bao giờ hết

2 MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN VĂN

Do sự bùng nổ mạng mẽ của mạng Internet như hiện nay khiến cho dữ liệu vận chuyển quan mạng Internet trở nên khổng lồ, nhu cầu quá lớn khiến cho việc tắc nghẽn xảy ra thường xuyên và vấn đề đặt ra là làm sao hạn chế tối đa tắc nghẽn trên mạng Internet và duy trì sự ổn định cao nhất cho mạng Các kỹ thuật truyền thống nhằm giảm thiểu tắc nghẽn trên mạng ngày càng kém hiệu quả Mục đích của luận văn là nghiên cứu một giải pháp quản lý và điều khiển nhằm hạn chế tối đa tắc nghẽ trên mạng Internet Thay vì sử dụng hàng đợi FIFO truyền thống (Trong bộ mô phỏng NS2 được gọi với cái tên DropTail) luận văn này sẽ nghiên cứu sâu các chiến lược quản lý hàng đợi động mà tiêu biểu là RED (Random Early Detection of Congestion; Random Early Drop), Adaptive-RED, A-RIO (Adaptive – RED with In and Out)

3 BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN

a) Chương 1: Giới thiệu

b) Chương 2: Các chiến lược quản lý hàng đợi và khả năng áp dụng để đảm bảo QoS cho truyền thông đa phương tiện thời gian thực

c) Chương 3: Đánh giá hiệu quả đảm bảo QoS cho truyền thông đa phương tiện thời gian thực của một số chiến lược quản lý hàng đợi

Chương 1 GIỚI THIỆU 1.1 Tổng quan về bộ giao thức TCP/IP và sự phát triển của mạng Internet

Giới thiệu chung

Năm 1967 từ một thí nghiệm mạng do Robert L.G đề xuất ARPA trực thuộc bộ quốc phòng Mỹ đã kết nối 4 địa điểm đầu tiên vào tháng 7 năm 1967 gồm: Viện nghiên cứu Standford, Đại học California tại Los Angeles, Đại học tổng hợp Utah và Đại học California tại Santa Barbara Đó là mạng WAN đầu tiên được xây dựng được gọi là ARPANET sau này là mạng Internet [17]

Bộ giao thức TCP/IP chính thức ra đời năm 1983 và được coi là chuẩn đối với ngành quân sự Mỹ và tất cả các máy tính nối với mạng ARPANET phải sử dụng theo chuẩn mới này Sự phát triển như vũ bão khiến cho mọi trường đại học đều muốn gia nhập vào mạng này và việc quản lý mạng trở nên khó khăn Chính vì lẽ đó mạng ARPANET được tách ra thành 2 phần là MILNET và ARPANET mới vào năm 1983, tuy tách rời nhưng hai mạng này vẫn liên kết với nhau nhờ giao thức liên mạng IP

Sự ra đời của TCP/IP đánh dấu mốc lịch sử quan trọng và càng ngày càng hiện rõ điểm mạnh của nó nhất là khả năng liên kết các mạng khác với nhau một cách dễ dàng Vào thập kỷ 80 khi hội đồng Khoa học quốc gia Mỹ NSF (Nation Science Foundation) thành lập mạng liên kết các trung tâm máy tính lới với nhau gọi là NSFNET Các doanh nghiệp đã chuyển từ ARPANET sang NSFNET Sau gần 20 năm hoạt động ARPANET đã dừng hoạt động vào khoảng năm 1990

Sự phát triển của backbone NSFNET và những mạng khác đã tạo ra mội trường thuận lợi cho sự phát triển của Internet Năm 1995 NSFNET thu lại thành một mạng nghiên cứu và Internet thì tiếp tục phát triển Cùng với khả năng kết nối mở Internet đã trở thành một mạng lớn nhất thế giới, mạng của các mạng xuất hiện trong mọi linh vực thương mại, chính trị, quân sự, xã hội… Ngày nay khi cơ sở hạ tầng của mạng Internet được nâng cao đã làm cho nhu cầu của các ứng dụng đa phương tiện qua mạng tăng lên nhanh chóng

1.2 Tổng quan về truyền thông đa phương tiện (Multimedia) và chất lượng dịch

vụ (QoS)

1.2.1 Giới thiệu chung về truyền thông đa phương tiện (Multimedia)

Trước đây, khi mà Internet chủ yếu là truyền data thì người ta không cần quan tâm đến việc phân biệt và ưu tiên cho các gói tin bởi vì lúc này băng thông mạng và các tài nguyên khác đủ để cung cấp cho các ứng dụng trong mạng, vì vậy các ISPs sẽ cung cấp cho khách hàng của họ dịch vụ theo kiểu “Cố gắng tối đa” (Best-Effort - BE) khi đó tất cả các khách hàng sẽ được đối xử như nhau họ chỉ khác nhau ở loại kết nối Đây là dịch vụ phố biến trên mạng Internet hay mạng IP nói chung Các gói thông tin được truyền đi theo nguyên tắc “đến trước được phục vụ trước” mà không quan tâm đến đặc tính lưu lượng của dịch vụ là gì Điều này dẫn đến rất khó hỗ trợ các dịch vụ đòi hỏi độ trễ thấp như các dịch vụ thời gian thực hay video Cho đến thời điểm này,

đa phần các dịch vụ được cung cấp bởi mạng Internet vẫn sử dụng nguyên tắc Best Effort này

Dữ liệu truyền thông trên mạng Internet thường được chia làm 2 loại chính là dữ liệu dạng tĩnh và dữ liệu dạng động Các ứng dụng trên Internet truyền thống như Web, email, file tranfer thường truyền dữ liệu dạng tĩnh Dữ liệu được truyền một cách nhanh nhất có thể Tuy nhiên trộ trễ đầu cuối có thể lên tới 10s hoặc hơn vẫn chấp nhận được

Dữ liệu động ở đây thường là Audio hoặc Video và các ứng dụng truyền thông loại dữ liệu trên được gọi chung là ứng dụng đa phương tiện Loại dữ liệu này rất nhạy cảm với độ trễ nhưng lại cho phép sự mất mát gói tin trong một ngưỡng chấp nhận được Tính chất hoàn toàn trái ngược với các ứng dụng truyền thống nên nó đòi hỏi chất lượng dịch vụ khác hoàn toàn với các ứng dụng truyền thống Tùy theo từng yêu cầu về chất lượng dịch vụ có thể chia ứng dụng đa phương tiện thành 3 lớp cơ bản sau:

 Truyền audio và video đã được lưu trữ

 Truyển audio và video thời gian thực

 Ứng dụng tương tác audio và video thời gian thực

1.2.2 Giới thiệu chung về chất lượng dịch vụ (QoS)

Quality of Service – QoS: chỉ khả năng cung cấp các dịch vụ mạng cho một lưu

lượng nào đó Mục đích chính là điều khiển băng thông, độ trễ và jitter Giảm độ trễ, giảm tỉ lệ mất mát gói tin cho các ứng dụng thời gian thực và tương tác trong khi vẫn đảm bảo phục vụ tốt cho các luồng dữ liệu khác

Theo khuyến nghị của CCITT, E800 đưa ra một tính chất chung qua QoS: “Hiệu ứng chung của đặc tính chất lượng dịch vụ là xác định mức độ hài lòng của người sử dụng đối với chất lượng dịch vụ”

Khuyến nghị ETR300003 của ETSI chia và cải tiến định nghĩa của ITU thành các định nghĩa nhỏ hơn, nó phù hợp với các yêu cầu và quan điểm của các nhóm khác nhau trong viễn thông đó là:

 Yêu cầu QoS của người sử dụng

 Đề nghị QoS của nhà cung cấp dịch vụ

 Sử cảm nhận QoS từ khách hàng

 Việc thực hiện QoS của nhà cung cấp dịch vụ

 Yêu cầu QoS của nhà cung cấp dịch vụ

Như vậy một cách tổng quan QoS mang ý nghĩa là “Khả năng của mạng đảm bảo

và duy trì các mức thực hiện nhất định cho mỗi ứng dụng theo như yêu cầu đã chỉ rõ của mỗi người sử dụng” Một ý trong định nghĩa này chính là chìa khóa để hiểu được QoS là gì từ góc nhìn của nhà cung cấp mạng Nhà cung cấp dịch vụ mạng đảm bảo QoS cung cấp cho người sử dụng và thực hiện các biện pháp duy trì mức QoS khi điều kiện mạng thay đổi vì các nguyên nhận như tắc nghẽn, hỏng hóc thiết bị hay lỗi đường truyền v v… QoS cần được cung cấp cho mỗi ứng dụng để người sử dụng có thể chạy ứng dụng đó tuy nhiên người sử dụng cũng cần phải tìm hiểu các thông tin từ người quản trị để hiểu mạng phải cung cấp những gì cần thiết cho mỗi sứng dụng

Đảm bảo chất lượng dịch vụ thường phụ thuộc nhiều vào tài nguyên của hệ thống, việc quản lý tài nguyên đó bao gồm có:

 Tính toán hiệu suất sử dụng tài nguyên

 Dành tài nguyên cho dịch vụ

 Lập lich truy cập tài nguyên

Các tham sốQoS chính liên quan đ

a) Độ trễ (Delay): là th

tốc độ truyền tin T

Delay liên quan chặ

thì băng thông càng l

b) Thông lượng (Throughput)

dữ liệu truyền được trong 1 đơn v

c) Jitter: là sự biến thiên đ

biến đổi của độ trễ

xác hơn thì jitter đư

Jitter theo lý thuyết có th

: là thời gian truyền 1 gói tin từ nguồn tới đích, nó ph

n tin Tốc độ truyền tin càng lớn thì độ trễ càng nh

ặt chẽ tới băng thông Với các ứng dụng giăng thông càng lớn độ trễ càng nhỏ

ng (Throughput): là khả năng truyền tin được tính b

c trong 1 đơn vị thời gian ví dụ: packet/s

n thiên độ trễ Thông số QoS jitter thiết lập gi

mà một ứng dụng có thể gặp phải trên mđược xem như là biến động trễ

t có thể là một giá trị tương đối hoặc tuy

ng dụng được thiết lập là 100ms, jitter có thểtrễ đảm bảo phải dao động trong khoảng t

iá trị jitter là 5ms thì độ trễ phải dao động trong kho

ng dụng nhạy cảm nhất với jitter là các ứng d

i đích, nó phụ thuộc vào càng nhỏ và ngược lại

ng giới hạn băng thông

như voice, video streaming nhưng lại không quan trọng đối với các ứng dụng như web hoặc truyền file qua mạng…

Đây là vấn đề cố hữu trọng mạng chuyển mạch gói do cơ chế định tuyến và chuyển mạch các gói tin trong mạng của cùng một luồng có thể đi theo nhiều đường khác nhau để đến đích khi đó độ trễ của các gói tin nay là khác nhau dẫn tới việc jitter là không thế nào tránh khỏi

d) Tỉ lệ mất gói tin (Packet loss ratio): là số đơn vị gói tin bị mất trong một đơn vị

thời gian, đây là một tham số QoS không thường xuyên được nói đến Bản chất của Internet hiên nay vẫn dựa trên nền “BE” thế nên việc mất gói tin là không tránh khỏi Chính vì thế tham số QoS Packet loss không nên định rõ một giới hạn trên đối với anh hưởng của lỗi mà nên cho phép người sử dụng xác định xem có lựa chọn cách sửa lỗi bằng việc truyền lại không hoặc các cơ chế khắc phục khác

e) Độ khả dụng (Đáng tin cậy): Các mạng tồn tại để phục vụ người sử dụng , tuy

nhiện mạng cần có các biện pháp bảo dưỡng và phòng người trước các tình huống hỏng hóc tiềm tàng được phát hiện và dự đoán trước Một chiến lược đúng đắn bằng cách định kì tách các thiết bị ra khỏi mạng và thực hiện các công việc bảo dưỡng và chẩn đoán trong một thời gian gnawns để có thể giảm thời gian ngưng hoạt động do hỏng hóc Thậm chí với biện pháp bảo dưỡng hoàn hảo nhất cũng không thể tránh được các lỗi không tiên đoán trước và các lỗi nghiêm trọng của các thiết bị và kết nối theo thời gian

Việc bảo trì mạng dữ liệu trở nên đơn giản hơn, hầu hết mạng dữ liệu sinh ra dành cho kinh doanh thường là từ 8h sáng đến 6h chiều từ thứ 2 đến thứ 6 Các hoạt động bổ trở hoặc bảo trì có thể được thực hiện ngoài giờ hoặc trong các ngày nghỉ Internet và web đã thay đổi tất cả, một mạng toàn cầu phải giải quyết được vấn đề rằng thực sự có một số người luôn cố gắng truy nhập vào mạng tại một số địa điểm và thậm chí Internet còn có ích cho một số người vào giờ ngoài hành chính hơn

Một năm có 31.536.000 giây, giả thiết rằng độ khả dụng của một mạng là 99% thì điều này có nghĩa rằng nhà cung cấp dịch vụ có 315.360 giây hay 87,6 giờ mạng không hoạt động trong 1 năm Khoảng thời gian này là tương đối lớn Nếu giá trị này 99,99% thì sẽ tốt hơn nhiều Tất nhiên nhà cung cấp dịch vụ cần nhiều

cơ chế dự phòng và khắc phục lỗi để đảm bảo độ sẵn sàng của mạng càng cao Ngày ngay QoS khả dụng của mạng thường khoảng 99,995%

f) Bảo mật: Đây là một tham số mới trong danh sách các tham số QoS nhưng lại là

một tham số quan trọng, thực tế trong một số trường hợp độ bảo mật có thể được xét ngay sau băng thông Gầy đây sự đe dọa rông rãi của các hacker và sự lan tràn virus trên mạng Internet toàn cầu thì tham số này càng trở nên quan trọng hơn Hầu hết vấn đề bảo mật liên quan tới tính riêng tư, tự tin cậy và xác nhận Server – Client Các vấn đề bảo mật thường được gắn với một vài hình thức của phương pháp mật mã như mã hóa giữ liệu và giải mã Các phương pháp trên mạng cũng được sử dụng như xác thực (Authentication) Một tham số QoS bảo mật điển hình có thể là “Mã hóa và xác thực đòi hỏi trên tất cả các luồn lưu lượng” Ngày nay tầm quan trọng của bảo mật như một tham số QoS là rất lớn

không thể đánh giá hết được

g) Ngoài ra còn một số tham số như “Kích thước mất tin” hoặc “độ tin cậy”

Hình 1.2: Các kỹ thuật QoS

Mức QoS:

 Best-Effort: Đây là mức thấp nhất, dịch vụ kết nối không đảm bảo đặc trưng

bởi hàng đợi FIFO, không có sự phân loại giữa các luồng dữ liệu

 QoS Cứng: là sự đặt trước tài nguyên phục vụ cho một luồng dữ liệu xác định

trước thường được cung cấp bởi giao thức RSVP và CBR có trong kiến trúc IntServ

 QoS Mềm: trong kiến trúc mạng phân loại (Differentiated service) dựa trên sự

phân loại các luồng dữ liệu theo nhiều mức ưu tiên thì một luồng dữ liệu nào đó

sẽ được ưu tiên phục vụ tốt hơn các luồn còn lại

Việc lựa chọn loại dịch vụ nào để triển khai trong mạng phụ thuộc vào các yếu tố sau:

 Ứng dụng hoặc tính chất của bài toán cần giải quyết

 Chi phí cho cài đặt và triển khai dịch vụ

1.3 Kiến trúc QoS cở bản

QoS cơ bản bảo gồm có 3 phần chính

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

 QoS trong từng thành phần mạng đơn (Các chiến lược, công cụ quản lý, lập lịch hàng đợi)

 Các chính sách điều khiển QoS giám sát lưu lượng đầu cuối qua mạng

1.3.1 QoS nhận dạng và đánh dấu

Điểm cơ bản trong việc đảm bảo chất lượng cho các dịch vụ trên Internet là việc

ta nhận dạng, phân loại và đánh dấu được từng mức ưu tiên cho các dịch vụ để cung cấp các chính sách phục vụ ưu tiên cho các lớp lưu lượng cũng như dịch vụ có độ ưu tiên cao hơn các lớp còn lại Điều này thường được thực hiện bằng cách dựa vào các trường trong tiêu đều gói tin IP như: IP nguồn, Ip đích, Port nguồn, Port đích, hoặc các giá trị trong trường Type Of Service…

1.3.2 QoS trong một thiết bị mạng

QoS trong một thiết bị mạng thường bao gồm các cơ chế sau:

a) Quản lý tắc nghẽn: do sự phát triển của mạng Internet kéo theo sự phát triển mạnh mẽ của các ứng dụng đa phương tiên thời gian thực, các ứng dụng này thường có lưu lượng dữ liệu bùng nổ lớn khiến cho mạng thường xuyên xảy ra tắc nghẽn Nếu tắc nghẽn xảy ra thì các router sẽ phản ứng như thế nào để giảm thiểu tác hại của tắc nghẽn

b) Quản lý hàng đợi: Vì kích thước của hàng đợi không vô hạn và độ dài của hàng đợi tỉ lệ với độ trễ của gói tin vậy nên cần có cơ chế quản lý hàng đợi hợp lý sao cho lượng gói tin bị drop và độ trễ hàng đợi của gói tin là chấp nhận được cũng như khả năng hấp thu các lưu lượng đột biệt của hàng đợi

c) Hiệu suất đường truyền: router phải có các cơ chết kết hợp để đạt được hiệu suất đường truyền cao nhất nhằm tránh lãng phí đường truyền, mặt khác cũng cần phải cân bằng với các tham số QoS khác như độ trễ và tỉ lệ mất gói tin

1.4 Các mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ

1.4.1 Mô hình các dịch vụ được tích hợp IntServ

Mô hình IntServ (Integrated Services) được IETF (Internet Engineering Task Force) giới thiệu vào giữa thập niên 90 và được định nghĩa trong RFC (Request For Comments) 1633 Mô hình này nhằm cung cấp khả năng đảm bảo chất lượng dịch vụ cho một số luồng lưu lượng bằng cách đặt trước tài nguyên từ nguồn tới đích thông qua giao thức đặt trước tài nguyên RSVP IntServ đưa ra khả năng cho các ứng dụng lụa chọn trong nhiều khả năng các mức điều khiển cho các gói dữ liệu, hỗ trợ QoS theo luồng Nó yêu cầu kiến trúc phức hợp bao gồm phân loại, xếp hang và định trình dọc theo một tuyến đường truyền bất kỳ từ nguồn tới đích IntServ phát triển dựa trên nền BestEfford Internet nhưng mở rộng cho các ứng dụng tương tác và thời gian thực IntServ hỗ trợ cho hai lớp ứng dụng:

Các ứng dụng thời gian thực có yêu cầu chặt chẽ về băng thông và độ trễ mà người sử dụng không có được ở mạng chỉ hỗ trợ BestEffort

Các ứng dụng truyền thống mà trong đó người sử dụng không phải quan tâm đến lưu lượng cũng những người sử dụng khác, khi đó mạng được xem như mạng BestEffort có mức tải thấp

Nguyên lý căn bản của mô hình IntServ là dành riêng tai nguyên mạng: băng thông, độ trễ,… cho từng luồng dữ liệu xuyên suốt từ nguồn phát cho tới đích Tài nguyên này không được chiếm dụng cho bất cứ một luồng dữ liệu nào khác, vì tài nguyên bị chiếm dụng nhưng nếu không được sử dụng nó sẽ dẫn tới việc lãng phí tài nguyên Sự ra đời của kiến trúc IntServ nhằm giải quyết các vấn đề sau:

 Dịch vụ BestEfford không còn dủ đáp ứng nhu cầu sử dụng hàng ngày: Ngày càng có nhiều ứng dụng khác nhau và có yêu cầu khác nhau về đặc tính lưu lượng được triển khai, đồng thời người sử dụng cũng yêu cầu chất lượng ngày càng cao hơn

 Sự xuất hiền ngày càng nhiều của các ứng dụng đa phương tiện: mạng IP phải có khả năng hỗ trợ không chỉ đơn dịch vụ mà còn hỗ trợ đa dịch vụ của nhiều loại lưu lượng khác nhau từ voice, data cho đến video

 Tối ưu hóa hiệu suất sử dụng mạng và tài nguyên mạng: đảm bảo hiệu quả sử dụng và đầu tư Tài nguyên mạng sẽ được lưu trữ cho lưu lượng có độ ưu tiên cao hơn

 Cung cấp dịch vụ tốt nhất cho một lớp người sử dụng

Các mức QoS được cung cấp bởi IntServ bao gồm:

 Dịch vụ BestEffort

 Dịch vụ đảm bảo GS (Guaranteed Service)

 Dịch vụ kiểm soát tải CL (Controlled Load)

Giao thức dành trước tài nguyên RSVP

RSVP là giao thức giành tài nguyên là giao thức được sử dụng bởi Intserv được

đề cập trong RFC2205, tự động cập nhật tình trạng đường truyền khi có lỗi xảy ra RSVP là giao thức điều khiển Internet được thiết kế để cài đặt chất lượng dịch vụ trên mạng IP (RSVP không phải chỉ sử dụng dành riêng với mô hình Intserv) Về tổng quát, giao thức RSVP hoạt động như sau: Khi một node nào đó gửi dữ liệu, nó gửi một bản tin RSVP qua các node trung gian tới nút nhận, bản tin này chứa đặc điểm lưu

lượng sẽ gửi, đặc điểm của các node mạng tr

được thông điệp, căn cứ v

thông điệp để đăng ký tài nguyên t

đăng ký thành công, node g

node gửi sẽ báo lỗi

RSVP có thể mang dịch vụ y

nhận luồng từ máy tính tới router, từ router tới router v

nhiều một máy) RSVP sử dụng 6 thông điệp, “Path” v

mang tham số dịch vụ Thông điệp Path bắt đầu từ nguồn v

đích chính của nó là để router biết tr

nguyên (nó cũng bao gồm định nghĩa về đặc điểm l

Error được sử dụng khi vi

thức định tuyến do đó nó không cần xác định li

mà nó dựa vào các giao th

luồng Một khi tuyến đườ

tài nguyền Trong suốt quá tr

qua mô đun điều khiển về chính sách v

đường Mô đun điều khiển về chính s

để giành được nguồn tài nguyên hay không Thành ph

định xem nút đó có đủ tài nguyên đ

bước kiểm tra đều tốt, các tham số đ

lập lịch để đạt được QoS

máy tính dọc theo tuyến đ

quảng bá cho mọi nút

Hình 1.3: Mô hình nguyên lý

ợng sẽ gửi, đặc điểm của các node mạng trên đường đi Node nhận sau khi nhận

ệp, căn cứ vào đặc điểm lưu lượng và đặc điểm đường đi, sẽ gửi lại một

ài nguyên tại các node trung gian trên đưành công, node gửi bắt đầu truyền dữ liệu Nếu không, thông điệp đi đến

ể mang dịch vụ yêu cầu và đáp ứng tương ứng của th

ận luồng từ máy tính tới router, từ router tới router và từ router tới máy đích (hoặc

ều một máy) RSVP sử dụng 6 thông điệp, “Path” và “Resv” Thông đi

ố dịch vụ Thông điệp Path bắt đầu từ nguồn và được gửi tới đích Mục

ể router biết trên kết nào sẽ chuyển tiếp thông điệp giũng bao gồm định nghĩa về đặc điểm lưu lượng của luồng) Thông điệp

ng khi việc giành tài nguyên thất bại RSVP không phải l

ức định tuyến do đó nó không cần xác định liên kết nào sẽ được d

ào các giao thức định tuyến bên dưới để xác định tuyến đ

ờng được xác định, RSVP bắt đầu thực hiện việc gi

ền Trong suốt quá trình thiết lập để giành tài nguyên, RSVP ph

ều khiển về chính sách và mô đun quản lý về việc chấp nhận tuyến ờng Mô đun điều khiển về chính sách xác định xem người dùng có đ

ài nguyên hay không Thành phần chấp nhận tuyến đ

ài nguyên để cung cấp cho yêu cầu QoS hay không N

ớc kiểm tra đều tốt, các tham số được thiết lập trong bộ phân loại gói v

QoS mong muốn Tiến trình này được thực hiện tại mọi router v

ọc theo tuyến đường Nếu có xảy ra lỗi, thông điệp RSVP Error đ

: Mô hình nguyên lý hoạt động của giao thức RSVP

ờng đi Node nhận sau khi nhận

ờng đi, sẽ gửi lại một

ên đường đi đó Nếu việc

ửi bắt đầu truyền dữ liệu Nếu không, thông điệp đi đến

ứng của thành phần chấp

ừ router tới máy đích (hoặc

à “Resv” Thông điệp Resv

ợc gửi tới đích Mục

ẽ chuyển tiếp thông điệp giành tài

ợng của luồng) Thông điệp

ất bại RSVP không phải là một giao

ợc dùng để giành trước

ới để xác định tuyến đường cho một

ợc xác định, RSVP bắt đầu thực hiện việc giành trước

ành tài nguyên, RSVP phải được thông

ản lý về việc chấp nhận tuyến

ùng có đủ thẩm quyền

ần chấp nhận tuyến đường xác

hay không Nếu cả hai

ộ phân loại gói và trong bộ

ợc thực hiện tại mọi router và ờng Nếu có xảy ra lỗi, thông điệp RSVP Error được tạo và

ạt động của giao thức RSVP

Theo hình 1.1, máy gửi gửi bản tin PATH (mô tả thông tin truyền thông qua địa chỉ IP nguồn và địa chỉ IP đích theo chiều đi) đến máy nhận để yêu cầu dành trước tài nguyên và thiết lập một luồng truyền thông Máy nhận nhận được bản tin PATH sẽ gửi lại máy gửi bản tin RESV (mô tả thông tin truyền thông qua địa chỉ IP nguồn và địa chỉ IP đích theo chiều về) để thiết lập và duy trì việc dự trữ tài nguyên Khi đi qua các router, dựa vào hai bản tin PATH và RESV, các router đăng ký nhận dạng luồng và lưu đặc tính luồng vào cơ sở dữ liệu

Nếu bản tin PATH lỗi thì bản tin PathErr sẽ được sử dụng để thông báo Tương

tự, RSVP sử dụng bản tin ResvErr để thông báo lỗi cho bản tin RESV Bên cạnh đó, RSVP còn dùng hai bản tin PathTear và ResvTear PathTear sử dụng để xóa bỏ tài yêu cầu dành tài nguyên theo hướng đi đã được thiết lập Tương tự, ResvTear sử dụng để xóa bỏ tài yêu cầu dành tài nguyên theo hướng về

Tại mỗi node mạng, yêu cầu dự trữ tài nguyên gồm 2 hoạt động:

 Dự trữ tài nguyên tại một node mạng

 Chuyển tiếp yêu cầu dự trữ tài nguyên cho các node khác còn lại trên mạng Trong môi trường truyền đa hướng (một máy nhận dữ liệu từ nhiều máy gửi, một máy gửi dữ liệu tới nhiều máy nhận) các yêu cầu dự trữ tài nguyên được chuyển sang một node khác khi node trước đó đã đáp ứng việc dự trữ các yêu cầu tài nguyên

Một đặc điểm quan trọng của RSVP là việc giành tài nguyên được thực hiện bởi

“trạng thái mềm” Có nghĩa là trạng thái giành tài nguyên có liên quan tới một bộ định thời, và khi bộ định thời hết hạn, việc giành trước tài nguyên được loại bỏ Nếu nơi nhận muốn lưu lại trạng thái giành tài nguyên nào, nó phải đều đặn gửi các thông điệp giành tài nguyên Nơi gởi cũng phải thường xuyên gửi các thông điệp này RSVP được thiết kế dành cho kiến trúc Intserv nhưng vai trò của nó cũng được mở rộng cho giao thức báo hiệu trong MPLS

1.4.2 Mô hình các dịch v

Sự phát triển mạnh m

đây, ngày càng nhiều các t

hình gói cước khác nhau, đáp

khả năng chi trả Lượng d

thực tế đó ngoài sự phát tri

mạng, điều quan trọng hơn là ph

mạng

Hình 1.4

Trong quá trình tri

phương tiện thời gian thự

QoS một cách chắc chắn nhưng l

(scalability) trong core network

router vì nó phản đảm nhi

gia tăng độ trễ end-to-end

ch vụ phân biệt DiffServ

nh mẽ của mạng Internet và hạ tầng mạng trong nh

u các tổ chức tham gia cung cấp các dịch vụ Intenet v

c khác nhau, đáp ứng nhu cầu của nhiều người dùng khác nhau tùy theo

ng dữ liệu vận chuyển trên Internet ngày càng tăng, đphát triển mạnh về phần cứng hạ tầng mạng đặ

ng hơn là phải có những chính sách phục vụ

Hình 1.4: Kiến trúc DiffServ đơn giản

Trong quá trình triển khai đảm bảo chất lượng dịch vụ cho các

ực trên Internet, mặc dù kiến trúc IntServ đ

n nhưng lại chứa khá nhiều nhược điểm như kh

g core network hoặc chi phí cao, cài đặt phức tạ

m nhiệm rất nhiều việc dẫn tới làm chậm tốc đend Điều này đã tạo ra động lực cho các nghiên c

ng trong những năm gần Intenet với nhiều loại

i dùng khác nhau tùy theo ngày càng tăng, để đáp ứng

ặc biệt là băng thông

để phát triển một giải pháp cung ứng QoS phi trạng thái (stateless), đó là kiến trúc Diffserv (Differentiated services) DiffServ trở thành giải pháp QoS thứ 2 của IETF Diffservtrái ngược với Intserv là dựa trên từng luồng dữ liệu, nó phân loại các gói thành một số lượng không lớn các tập (gọi là các lớp) và do đó đạt được hiệu quả cho các mạng lớn Các chức năng đơn giản được thực hiện tại router lõi, trong khi các chức năng phức tạp được triển khai tại các router biên Tính linh động rất là cần thiết vì dịch

vụ mới có thể xuất hiện và một số dịch vụ trở lên lỗi thời Kiến trúc DiffServ khắc phục được những nhược điểm của kiến trúc IntServ vì có tính khả triển cao Tuy nhiên

để đáp ứng được các nhu cầu đa dạng của ứng dụng trên thực tế kiến trục được triển khai phải đi kèm các thuật toán quản lý lưu lượng trên đó

Các giải thuật quản lý lưu lượng có thể được phân loại theo thời gian hoạt động của chúng hay theo khả năng điều khiển Do đó, các giải thuật này có thể hoạt động theo mức gói hay khối dữ liệu hay kết nối Các nguyên lý phục vụ gói là ví dù về các giải thuật theo mức gói hya khối số liệu, với nhiệu vụ cung cấp các phẩm chất giữa hai đầu cưới thông qua biện pháp phân loại và lập lịch lưu lượng Trong số các giải pháp điều khiên lưu lượn theo từng cuộc gọi hay từng kết nối thì điểu khiển chấp nhận (admission control) là một trong số các giải pháp phổ dụng nhất Tùy theo vị trí hoạt động mà có thể là tấp trung hay phân tán Đại diện tiêu biểu cho điều khiển chấp nhận nối phân tán là giao thức RSVP

Nguyên lý hoạt động của mô hình DiffServ như sau: Các gói tin được phân loại

ra thành nhiều nhóm ưu tiên từ thấp đến cao tùy theo đặc điểm của từng dịch vụ, thiết

bị sẽ tiến hành cung cấp tài nguyên theo từng nhóm, nhóm nào có thứ tự cao hơn thì sẽ được cung cấp quyền được sử dụng tài nguyên ưu tiên hơn, tài nguyên sẽ được các nhóm thấp hơn dùng nếu nhóm trên không sử dụng nữa Tất cả các quá trình này sẽ được thực hiện riêng lẻ trên từng thiết bị

Cấu trúc DiffServ

Cấu trúc của mô hình DiffServ bao gồm nhiều class lưu lượng cho từng dịch vụ

cụ thể và mỗi class được cung cấp một lượng tài nguyên xác định Để phân biệt các class, DiffServ sử dụng một thông tin gọi là điểm mã phân biệt dịch vụ DSCP (Differentiated Service Code Point) DSCP có tiền thân là vùng ToS (Type of Service) trong IP header

Trong kiến trúc DiffServ chia thành 2 thành ph

 Mạng biên: có nhiệ

thể là một nguồn lưu lư

trợ DiffServ đầu tiên (router biên)

dấu vào trường Diffierentiated Service (DS) trong header c

trị nào đó gọi là Code Point (CP) Các l

với các giá trị CP khác nhau và s

lõi Sau khi đánh dấ

vào trong mạng lõi

 Mạng Lõi: chức năng chính là chuy

dấu với giá trị CP s

Giả sử rằng việc phân lo

tiếp với bên gửi tin được g

n trúc DiffServ chia thành 2 thành phần chính là ph

ệm vụ phân loại gói tin và điều kiển lưu lư

n lưu lượng có cài đặt chính sách phân loại gói tin ho

u tiên (router biên) Tại biên mạng này các gói tin s

ng Diffierentiated Service (DS) trong header củ

i là Code Point (CP) Các lớp lưu lượng khác nhau s

CP khác nhau và sẽ nhận được dịch vụ khác nhau trong ph

ấu, các gói tin có thể được xếp vào hàng đ

c năng chính là chuyển tiếp các gói tin Một gói tin đ

CP sẽ được chuyển tới note tiếp theo thông qua thop Behavior) PHB ảnh hưởng tới việc chia se băng thông và b

p lưu lượng cạnh tranh tại router

ng nhất ứng với mỗi thành phần của DiffServ đó là chính sách

n lưu lượng của mạng biên và chính sách đối x

ng lõi

u khiển lưu lượng của mạng biên

c đánh dấu vào trường DS của header gói tin IP t

n ra tại một host hỗ trợ DiffServ hoặc router biên h

c phân loại và đánh dấu gói tin này được xảy ra

c gọi là router biên (edge router)

n chính là phần biên và mạng lõi

n lưu lượng, Vị trí này có

i gói tin hoặc router hỗ

ng này các gói tin sẽ được đánh

ủa các gói tin một giá

ng khác nhau sẽ được đánh dấu khác nhau trong phần mạng

p vào hàng đợi hay chuyển thẳng

t gói tin đã được đánh

p theo thông qua từng chính sách

c chia se băng thông và bộ

a DiffServ đó là chính sách

i xử từng chặng PHP

a header gói tin IP tại vị trí vào của

c router biên hỗ trợ DiffServ

y ra ở router kết nối trực

Hình 1.5: Phân loại và đánh dấu gói tin ở router biên

Một packet sau khi được gửi sẽ đi tới edge router Các router phân loại gói tin dựa trên giá trị của một hoặc nhiều trường tiêu đều của packet ví dụ như địa chỉ ip nguồn, địa chỉ ip đích, port nguồn, port đích… hoặc dựa trên tốc độ tới của các gói tin

so với ngưỡng Giá trị trường DS sẽ nhận được một giá trị tại bộ đánh dấu gói tin (Maker) Ngay sau khi được đánh dấu các gói tin sẽ được chuyển đến router tiếp theo

để đi tới đích Tại mỗi router có hỗ trợ DiffServ những gói tin đã được đánh dấu này sẽ nhận được lượng dịch vụ dựa theo các đánh dấu của chúng

b Per-Hop Behavior

Sau khi các gói tin đi qua edge router sẽ được phân loại và đánh dấu vào trường

DS trong header gói tin và được chuyển tiếp tới các router tiếp theo ở đây là core router, thành phần thứ hai của kiến trúc DiffServ Tại core router được cài đặt chính sách theo từng chằng PHB và nó chứa những đặc điểm sau:

 Các lớp lưu lượng khác nhau (các lớp có giá trị trường DS khác nhau) sẽ nhận được các dịch vụ khác nhau (cách chuyển tiếp khác nhau, băng thông khác nhau,…)

 Hiệu năng phải quan sát được và đo được

 PHB không chỉ định cụ thể cơ chế nào phải được áp dụng để đạt được mục đích

và vì vậy bất kì một có chế quản lý cấp phát tài nuyên hay cơ chế chuyển tiếp nào cũng có thể được sử dụng miễn là đạt được các mục đích tiêu chí hiệu năng mong muốn

Hiện tại có hai chuẩn PHB được chú ý nhiều nhất đó là EF (Expedited Forwarding) và

AF (Assured Forwarding)

 EF PHB chỉ ra rằng tốc độ gói tin ra khỏi router của một lớp lưu lượng nào đó phải bằng hoặc vượt qua một ngưỡng cho trước Nghĩa là trong mọi khoảng thời gian lớp lưu lượng đó được đảm bảo nhận được đủ băng thông sao cho tốc độ ra của có vượt qua tốc độ đặt trước này EF PHB đảm bảo ngay cả khi có nhiều lớp lưu lượng khác đi đến router và tài nguyên của đường truyền thì một lượng đủ tài nguyên vẫn được ta sẵn cho lớp để đảm bảo nó nhận được một tốc độ tối thiểu

 AF PHB thì phức tạp hơn AF PHB chia lưu lượng thành 4 lớp, trong đó mỗi lớp AFF được đảm bảo cung cấp một lượng băng thông tối thiểu và bộ đệm Trong mỗi lớp các packet lại được phân vào một trong 3 loại “ưu tiên loại bỏ” Khi tắc nghẽn xuất hiện trong một lớp AF, router có thể loại bỏ các gói tin dựa trên giá trị ưu tiên loại bỏ của chúng Bằng cách thay đổi lượng tài nguyên cấp phát cho từng lớp, một nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP) có thể cung cấp các mức độ ưu tiên thực hiện khác nhau có các lớp lưu lượng AF khác nhau AF PHB có thể được dùng để cung cấp các mức dịch vụ khác nhau cho các hệ thống cuối Trong các hệ thống này việc quyết định số lượng các tài nguyên cấp cho từng lớp dịch

vụ phải gắn liền với việc giới hạn các thám số liên quan Ví dụ như có 3 lớp dịch

vụ khác nhau là A, B, C trong đó lớp A được cung cấp x% băng thông, lớp B được cung cấp x/2% băng thông, lớp C được cung cấp x/4% băng thông Thoạt

nhìn ta có thể thấy rằng lớp A nhận được lượng băng thông nhiều nhất và có thể nói lớp A được phục vụ tốt hơn lớp B và C Tuy nhiên nếu ta xét rằng lưu lượng

dữ liệu tại lớp A cao gấp nhiều lần lớp B và C thì có thể thấy rằng các gói tin lớp

A sẽ được phục vụ ít hơn các gói tin lớp B và C Như vậy kích thước tài nguyên được cung cấp là chưa đủ để đánh giá chất lượng dịch vụ của một lớp mà phải gắn thêm ràng buộc dữ liệu tối đa cho các gói tin lớp đó nữa

Trong NS-2, các lớp AF được cài đặt với các hàng đợi vật lý khác nhau, trong các hàng đợi đó thì các gói tin ứng với các mức ưu tiên khác nhau được đưa vào một hàng đợi ảo tương ứng Như vậy ta có tối đa 4 hàng đợi vật lý, mỗi hàng đợi vật lý sẽ

có tối đa 3 hàng đợi ảo Mỗi hàng đợi sẽ có thể cài đặt một chính sách quản lý hàng đợi và phục vụ riêng, có thể là DropTail, RED, RIO-C, RIO-D…

1.5 Kiến trúc DiffServ trong bộ mô phỏng NS2

Trong NS2 modul DiffServ được thược hiện theo “Assured forwarding” Diffserv dựa trên việc đánh dấu các gói tin tại rìa của mạng (nơi gói tin chuẩn bị đi vào DiffServ network) theo các mức hiệu suất cần đảm bảo, sau đó dựa vào các đánh dấu này các gói tin sẽ có các chính sách xử lý khác nhau tại các nút mạng Cách dễ dàng nhất để phân biệt các gói tin là sử dụng hàng đợi RED, dùng các tham số khác nhau cho các loại gói tin khác nhau Modul NS có xử lý diffserv được phát triển ở Nortel network

Diffserv chia các gói tin thành nhiều lớp khác nhau (Tối đa là 8 lớp), Gói tin thuộc lớp nào sẽ được xếp vào hàng đợi của lớp đó, ngoài ra để phân biệt các gói tin trong cùng một lớp người ta chia hàng đợi vật lý này thành 3 hàng đợi ảo Mỗi gói tin thuộc vào một luồng có thể nhận 3 mức ưu tiên cùng với luồng đó, đôi khi còn được gọi là “Drop precedence”

Kiến trúc Diffserv trong NS2 được chia thành 3 phần chính:

- Thành phần quản lý tài nguyên và chính sách: Xây dựng các chính sách và phân phối chúng cho đến các router hỗ trợ diffserv Các chính sách này sẽ xác định một gói tin sẽ nhận được mức dịch vụ như thế nào trong mạng Việc này phụ thuộc vào tính chất tài nguyên của luồng đó và các thành phần của mạng

- Edge Router: chịu trách nhiệm phân loại và đánh dấu các gói tin khi các gói tin này đi vào Diffserv Network

- Core Router: thực hiện các chính sách đảm bảo chất lượng dịch vụ cho các gói tin theo từng mức ưu tiên đã được đánh dấu (Per-Hop behavior)

1.5.1 Router MRED (Milti RED)

Trong mỗi hàng đợi vật lý được phân ra thành 3 hàng đợi ảo, các hàng đợi ảo này

sử dụng thuật toán RED để quản lý các gói tin sau khi được phân loại Các mode của router MRED được hỗ trợ trong NS2 bao gồm có:

- RIO – C (Rio Coupled): Trong đó xác suất loại bỏ các gói tin có độ ưu tiên

thấp (các gói tin ngoài luồng) dựa trên độ dài trung bình của tất cả các hàng đợi

ảo, xác suất hủy các gói tin có mức ưu tiên cao thì dựa trên kích thước hàng đợi trung bình của hàng đợi ảo chưa gói tin đó

- RIO – D (Rio De-coupled): Xác suất loại bỏ các gói tin dựa trên kích thước

hàng đợi trung bình của chính hàng đợi chứa gói tin đó

- WRED (Weight RED): xác suất loại bỏ gói tin dựa trên chiều dài của hàng đợi

đơn

- DROP: Giống như hàng đợi Droptail với chiều dài hàng đợi tối đa được chỉ

định bằng ngưỡng của thuật toán RED, khi kích thước hàng đợi trung bình vượt quá ngưỡng tất cả các gói tin sẽ bị loại bỏ không kể việc gói tin có được đánh dấu hay không

1.5.2 Các cơ chế đánh dấu gói tin và chính sách phục vụ

Khi một luồng các gói tin đi đến một router có hỗ trợ diffserv, các router này sẽ phân loại gói tin và đánh dấu chúng Trong bộ mô phỏng NS2 thì thành phần này được gọi là các “Policer” Có 6 loại được sử dụng trong bộ mô phỏng NS2:

1 Time Sliding Window with 2 Color Marking (TSW2CMPolicer): Sử dụng

giá trị CIR và 2 giá trị ưu tiên loại bỏ gói tin Giá trị ưu tiên thấp hơn thì được

sử dụng khi CIR vượt mức cho phép

2 Time Sliding Window with 3 Color Marking (TSW3CMPolicer): Sử dụng 2

giá trị CIR, PIR và 3 giá trị ưu tiên loại bỏ Giá trị ưu tiên loại bỏ gói tin cao nhất khi vượt quá PIR, giá trị ưu tiên loại bỏ trung bình khi CIR vượt mức cho phép

3 Token Bucket (tokenBucketPolicer): Sử dụng 2 giá trị CIR, CBS và 2 giá trị

ưu tiên loại bỏ gói tin Một gói tin đến sẽ được đánh dấu giá trị ưu tiên lớn khi

và chỉ khi kích thước gói tin lớn hơn token bucket

4 Single Rate Three Color Marker (srTCMPolicer)[5]: Sử dụng CIR, CBS,

EBS để chọn 3 thứ tự ưu tiên hủy gói tin

5 Two Rate Three Color Marker (trTCMPolicer): Sử dụng CIR, CBS, PIR,

PBS để chọn 3 thứ tự ưu tiên hủy gói tin

6 NullPolicer: không có thứ tự ưu tiên hủy gói

Các gói tin sau khi đi qua các “Policer” này sẽ nhận được các giá trị ưu tiên “Drop Precedence” Các giá trị này sẽ được mã hóa thành các CP (code point) và được ghi vào trong trường DS (Differentiated Services) của gói tin IP

Trong đó Các giá trị CIR và PIR được tính là bps, Các giá trị CBS, EBS, and PBS được tính theo byte

1 CIR (committed information rate) – Tốc độ truyền tin cam kết

2 PIR (peak information rate) – Tốc độ truyền tin tối đa cam kết

3 CBS(committed burst size) – Kích thước bùng nổ cam kết

4 EBS(excess burst size) – Kích thước cụm vượt mức

5 PBS (peak burst size) – Kích thước cụm tối đa

6 C bucket: Kích thước hiện thời của khối dung lượng cho phép

7 E bucket: Kích thước hiện thời của khối dung lượng vượt mức

8 P bucket: Kích thước hiện thời của khối dung lượng tối đa

1.5.3 Các cơ chế lập lịch hàng đợi

Trong bộ mô phỏng NS2 sử dụng các chế độ lập lịch RR, WRR, WIRR, PIR Trong đó thì mặc định sử dụng bộ lập lịch RR Các chế độ lập lịch sẽ được mô tả kỹ hơn trong chương 2 của luận văn

1.6 Thách thức của việc truyền thông đa phương tiện trên Internet hiện nay 1.6.1 Hạn chế của việc truyền thông đa phương tiện hiện nay

Hiện nay giao thức IP trên Internet cung cấp dịch vụ Best-Effort nghĩa là nó cố gắng chuyền các datagram từ nguồn tới đích 1 cách nhanh nhất có thể và không đảm bảo độ trễ và tỉ lệ mất mát gói tin Các giao thức tầng transport là TCP hoặc UDP cũng không cung cấp các cơ chế đảm bảo về mặt độ trễ gói tin Do vậy việc truyền thông đa phương tiện trên nên Internet truyền thống gặp rất nhiều trở ngại kìm hãm sự phát triển Đối với các ứng dụng thời gian thực kèm theo tương tác đòi hỏi độ trễ và jitter cực thấp thì khi xảy ra tắc nghẽn chất lượng dịch vụ có thể tồi đến mức không thể chấp nhận được

 Tỉ lệ mất mát gói tin lớn khi mạng xảy ra tắc nghẽn

 Đỗ trễ đầu cuối có thể tăng cao tới mức không thể chấp nhận được

 Biến thiên độ trễ là không thể tránh khỏi khiến cho chất lượng âm thanh không chấp nhận được

1.6.2 Các phương pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ trên nền các dịch vụ cố gắng tối đa (best effort)

Trong dịch vụ best-effort thì các gói tin được đối xử như nhau nghĩa là không có gói tin nào được ưu tiên hơn trong hàng đợi Các gói tin khi đi tới router sẽ được đưa vào cuối hàng đợi và chờ đến lượt được phục vụ Vẫn có 1 số cơ chế để cải thiện chất lượng dịch vụ cho các ứng dụng đa phương tiện trên nên best-effort dựa vào các giao

thức tầng giao vận là TCP như: Slow-Start, Window-size hay có thể dừng chạy ở phía nhận khoảng 1 thời gian để loại bỏ các hiệu ứng biến thiên độ trễ Có thể gửi kèm thông tin dư thừa để khắc phục tình trạng mất mát gói tin khi mạng xảy ra tắc nghẽn

Chương 2 CÁC CHIẾN LƯỢC QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI VÀ KHẢ NĂNG

ÁP DỤNG ĐỂ ĐẢM BẢO QOS CHO TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG

TIỆN THỜI GIAN THỰC

Trong mạng chuyển mạch ip thì các gói tin thuộc các luồng dữ liệu khác nhau được truyền trên cùng đường truyền để đến trạm đích Để việc phân phối băng thông đường truyền đạt hiệu quả cao nhất thì cần một cơ chế phục vụ công bằng tại các nút mạng hoặc Router Router ở đây sẽ phục vụ các gói tin của luồng đã chọn và quyết định gói tin nào sẽ được phục vụ tiếp theo

2.1 Các chiến lược quản lý hàng đợi truyền thống

2.1.1 Hàng đợi FIFO (First in first out)

FIFO là hàng đợi mặc định được sử dụng trong hầu hết các router FIFO không

có sự phân loại vì tất cả các gói đều thuộc về cùng một lớp Các gói đến từ các luồng khác nhau được đối xử công bằng bằng cách đưa vào hàng đợi theo trật tự đến (gói nào đến trước sẽ được đưa vào trước và được phục vụ trước) theo đúng nghĩa First-Come-First-Serve (FCFS) hay First-In-First-Out (FIFO)

Hàng đợi FIFO sử dụng một hàng đợi đơn cho bộ giao tiếp Vì chỉ có một hàng đợi nên không cần phân lớp để quyết định khi gói đi vào Và cũng không cần lập lịch ban đầu để cho hàng đợi lấy gói tiếp theo Ta chỉ quan tâm đến cách cấu hình chiều dài hàng đợi FIFO tránh tác động đến độ trễ và mất gói FIFO thường được dùng trên các giao diện (interface) mạng tốc độ cao khó có khả năng xảy ra tắc nghẽn.Đây là một hạn chế lớn của hàng đợi này vì trong mạng Internet ngày nay có rất nhiều gói tin có

độ ưu tiên cao cần xử lý trước tuy nhiên cơ chế FIFO có thể loại bỏ các gói tin này khi hàng đợi đầy hoặc khi tắc nghẽn xảy ra thì sẽ làm gia tăng độ trễ tới mức không chấp nhận được Đôi khi một luồng lưu lượng bùng nổ lớp sẽ độc chiếm đường truyền khiến cho các luồng khác không được phụ vụ gây bất công bằng giữa các luồng dữ liệu

2.1.2 Chiến lược hàng đợi ưu tiên PQ ( Priority Queue )

Kĩ thuật này được sử dụng trong trường hợp đa hàng đợi, mỗi hàng đợi có một mức ưu tiên khác nhau, hàng đợi nào có mức ưu tiên cao nhất sẽ được ưu tiên phục vụ trước Khi có tắc nghẽn xảy ra thì các gói trong các hàng đợi có độ ưu tiên thấp sẽ bị loại bỏ Nói cách khác, lưu lượng quan trọng sẽ được gán các mức ưu tiên cao và lưu lượng có mức ưu tiên cao nhất được truyền trước, còn lại các lưu lượng ít quan trọng hơn

Hình 2.2: Cơ chế phục vụ hàng đợi ưu tiên PQ

Các gói được phân loại dựa trên các tiêu chuẩn phân loại của người sử dụng, và được đặt ở một trong số các hàng đợi đầu ra với các độ ưu tiên: độ ưu tiên cao, trung

Gói tin đi

Link

Hàng đợi 2Phân loại

bình, bình thường (không được ưu tiên), ưu tiên thấp Các gói không được ấn định độ

ưu tiên sẽ được đưa tới các hàng đợi bình thường Khi các gói được gửi tới giao diện đầu ra, các hàng đợi ưu tiên tại giao diện đó được quét các gói theo thứ tự độ ưu tiên giảm dần Hàng đợi có độ ưu tiên cao nhất được quét đầu tiên, sau đó đến các hàng đợi trung bình và tiếp tục các hàng đợi có độ ưu tiên khác Gói đứng đầu hàng đợi có độ

ưu tiên cao nhất được truyền đầu tiên Thủ tục này được lặp lại mỗi khi có một gói được truyền Chiều dài lớn nhất của hàng đợi được định nghĩa theo chiều dài giới hạn Khi một hàng đợi dài hơn chiều dài hàng đợi giới hạn thì các gói đến sau sẽ bị loại bỏ

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

ưu tiên tuyệt đối cho ứng dụng hay traffic trọng yếu Mặc dù PQ là cách tiếp cận lập lịch đơn giản nhưng nó có thể gây thiếu hụt băng thông nghiêm trọng cho các luồng có

độ ưu tiên thấp PQ có thể dành hết băng thông cho các luồng có độ ưu tiên cao và dẫn tới việc các luồng có độ ưu tiên thấp không bao giờ được phục vụ Hiện nay PQ thường được cấu hình tĩnh và không được tùy chỉnh theo sự thay đổi của mạng

2.1.3 Chiến lược Packet-Based Round Robin

Tương tự như chiến lược PQ đã trình bày ở phần trước Chiến lược này cũng dựa vào việc phân loại các gói tin đến theo từng luồng khác nhau mỗi luồng được xếp vào một hàng đợi và được phục vụ lần lượt theo vòng Tuy nhiên thay vì phục vụ theo mức

ưu tiền thì PBRR lại phục vụ lần lượt quay vòng từng hàng đợi, mỗi hàng đợi chỉ phục

vụ 1 gói tin Nếu hàng đợi nào rỗng thì bộ lập lịch sẽ bỏ qua không phục vụ

Hình 2.3: Cơ chế phục vụ hàng đợi PBRR( Packet-Based Round Robin)

Bộ lập lịch PBRR sẽ đối xử với các luồng dữ liệu giống nhau, nghĩa là không có mức độ ưu tiên dành cho các luồng có mức ưu tiên cao và nó cũng không quan tâm đến độ dài hàng đợi hiện tại khiến cho những luồng có hàng đợi dài chứa nhiều gói tin cũng chỉ được cấp cho một lượng băng thông giống như các luồng khác Làm giảm hiệu suất sử dụng đường truyền Không đáp ứng được băng thông cho các luồng dữ liệu multimedia

2.1.4 Bộ lập lịch lý tưởng GPS - Generalized Processor Sharing

Ý tưởng của GPS là trong mỗi khoảng thời gian hữu hạn phải thăm mỗi hàng đợi

ít nhất một lần, phục vụ cho một lượng rất nhỏ dữ liệu từ mỗi hàng đợi Khoảng thời gian và lượng dữ liệu này đủ nhỏ để có thể giả định rằng máy phục vụ (server) có thể phục vụ được tất cả các luồng có gói tin đang chờ một cách đồng thời và các luồng có thể được chia nhỏ tuỳ ý Đây là một cơ chế lý tưởng vì nó đảm bảo sự phân chia công bằng nhất dành cho các luồng dữ liệu Tuy nhiên việc cài đặt GPS trong thực tế là không thực hiện được vì trong 1 khoảng thời gian thì server chỉ có thể phục vụ 1 hàng đợi thay vì tất cả các hàng đợi của các luồng dữ liệu và độ dài kích thước gói tin là cố định không thế chia nhỏ tùy ý, gói tin này được phục vụ xong thì gói tin khác mới được phục vụ

Cài đặt đơn giản nhất của GPS là chiến lược Weighted Round Robin (WRR),

thay vì thăm mỗi hàng đợi ít nhất một lần và phục vụ một lượng nhỏ dữ liệu tại hàng đợi như GPS thì WRR lại phục vụ một số gói tin tại từng hàng đợi, số gói tin được phục vụ tại từng hàng đợi phụ thuộc vào trong số “Weight” của hàng đợi đó Trong kiến trúc DiffServ có thể phân biệt các hàng đợi này thông qua giá trị trường DS trong gói tin IP

Một biến thể của WRR là Weighted Interleaved Round Robin (WIRR) về cơ

bản thì chiến lược này giống với WRR nhưng có thêm một cơ chế “Interleaved behavior” Cơ chế này cho phép bộ lập lịch bỏ qua các hàng đợi không có gói tinmột khoảng thời gian mà bộ lập lịch phải phục vụ hàng đợi đó

2.1.5 Chiến lược Flow-Based Weighted Fair Queuing (WFQ)

Các chiến lược đã nói trong phần trước đều dựa trên packet-base nghĩa là nó áp dụng cho từng gói tin theo đó mỗi lần phục vụ server sẽ chọn 1 gói tin theo mức độ ưu tiên của nó Ưu điểm của chiến lược này nó đạt được mức độ công bằng cao cho các gói tin nhưng lại chứa nhiều điểm hạn chế: Thứ nhất là chi phí gán nhãn cho từng gói tin là lớn và làm gia tăng độ phức tạp thuật toán và tiêu tốn tài nguyên của server Thứ

2 là các gói tin của cùng 1 luồng sẽ không được phụ vụ cùng 1 lúc mà bị gián đoạn bởi các gói tin của các luồng khác, điều này không phù hợp với các ứng dụng truyền thông

đa phương tiện thời gian thực trên Internet cần độ liền mạch các gói tin Chính vì lẽ đó

ta cần 1 cách tiếp cận hay 1 chiến lược khác là việc xác định và gán độ ưu tiên cho một luồng dữ liệu thay vì 1 gói tin riêng lẻ Các gói tin trong cùng 1 luồng dữ liệu sẽ có cùng 1 độ ưu tiên và được phục vụ liên tục Server sẽ phục vụ các luồng theo tứ tự ưu tiên hoặc trọng số, các gói tin trong cùng 1 luống sẽ được phục vụ theo cơ chế FIFO nghĩa là gói tin nào đến trước được phục vụ trước Chiến lược này được gọi là Flow-Base Weighted Fair Queuing

Trong chiến lược WFQ này khi các gói tin tới hàng đợi sẽ được phân chia thành các luồng theo từng mức ưu tiên khác nhau Mỗi luồng sẽ được xếp vào 1 hàng đợi riêng và nhận được 1 lượng phục vụ tùy theo trọng số của hàng đợi đó