CÁC GIảI PHÁP QOS ĐÃ VÀ ĐANG ĐƯợC THử NGHIệM TRIểN KHAI

1 Mở ĐầU 1 3 CÁC GIảI PHÁP QOS ĐÃ VÀ ĐANG ĐƯợC THử NGHIệM TRIểN KHAI 4 3.1 Giải pháp 1: Cấu trúc IntServ--bảo đảm chặt chẽ các tham số QoS nhờ nguyên lý điều khiển các 3.2 Giải pháp 2:

1 Mở ĐầU 1

3 CÁC GIảI PHÁP QOS ĐÃ VÀ ĐANG ĐƯợC THử NGHIệM TRIểN KHAI 4 3.1 Giải pháp 1: Cấu trúc IntServ bảo đảm chặt chẽ các tham số QoS nhờ nguyên lý điều khiển các

3.2 Giải pháp 2: Cấu trúc DiffServ phân loại gói, tăng tính áp dụng rộng 6

3.2.1 DiffServ trên nền MPLS: thực hiện điều phối lưu lượng mạng, góp phần làm tăng khả năng bảo đảm QoS 8

3.3 Giải pháp 3: Hoàn thiện thêm cấu trúc mạng IP đương thời nâng cao khả năng điều chỉnh lưu lượng dựa vào sự phối hợp giữa đầu cuối và mạng 10 3.4 Giải pháp 4: Cấu trúc mạng chồng đảm bảo QoS cho từng dịch vụ nhất định, hoặc QoS đầu

4.1 Giải pháp QoS hiện hành trong mạng lõi: cung ứng thừa dung lượng 14

Phát triển và triển khai các giải pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ trên nền mạng IP

Trần Tuấn Hưng

Trung tâm nghiên cứu viễn thông Viên, cộng hoà Áo

Donaucity Strasse 1, Wien Email: tran@ftw.at

Điện thoại: 43 1 505 28 30 50 Fax: 43 1 505 28 30 99

Tóm tắt: Bài báo trình bày tổng quan về những giải pháp viễn thông đã và đang được phát triển, ứng dụng thử nghiệm trong thời gian gần đây hướng tới mục đích đảm bảo chất lượng dịch vụ trên nền mạng IP (Internet Protocol) Ưu điểm và hạn chế của từng giải pháp được phân tích và so sánh dựa trên những tiêu chí đánh giá và kiểm nghiệm qua ứng dụng thực tế Những thông tin cung cấp trong bài báo giúp độc giả có được cách đánh giá và nhìn nhận khái quát về những bước phát triển mới nhất trong lĩnh vực bảo đảm chất lượng dịch vụ trên nền mạng IP của ngành công nghệ viễn thông

1 Mở đầu

Đảm bảo chất lượng dịch vụ (Quality of Service, QoS) và cung cấp các dịch vụ chất lượng cao luôn luôn là tiêu chí hàng đầu của ngành công nghệ viễn thông Theo dõi sự phát triển của ngành công nghệ viễn thông trong vòng 30 năm trở lại đây, chúng ta có thể chứng kiến nhiều bước tiến có dấu ấn lớn trên lĩnh vực này Với mục đích đảm bảo chất lượng dịch vụ, quá trình phát triển đã được bắt đầu bằng công nghệ X25 vào cuối thập kỷ 70 và đầu thập kỷ 80, tiếp theo là công nghệ ATM trong thập kỷ 90, hướng tới mạng số băng rộng B-ISDN Tuy vậy, theo thời gian, các trung tâm nghiên cứu và các nhà cung cấp dịch vụ nhận ra rằng, một giải pháp cho QoS1 chỉ có giá trị thật sự khi nó được đặt nền móng trên các thay đổi mang tính đơn giản so với cấu trúc mạng hiện tại Đồng thời giải pháp QoS đó cần có khả năng mở rộng cao Bất cứ một giải pháp nào yêu cầu nhiều thay đổi hạ tầng phức tạp và tốn kém sẽ không phù hợp với yêu cầu thực tế của thị trường công nghệ viễn thông, và do đó sẽ không có tính khả thi cao Đây cũng là lý do lý giải tại sao công nghệ ATM không được ứng dụng rộng rãi và mang lại sự áp dụng phổ biến như mong đợi và kỳ vọng ban đầu của các nhà nghiên cứu và kỹ sư phát triển mạng

Khi công nghệ chuyển mạch gói IP là phương thức duy nhất áp dụng như cho mạng Internet toàn cầu như hiện nay, xu hướng tất yếu dành cho công nghệ viễn thông là sự phát triển của các giải pháp chất lượng dịch vụ trên nền tảng này Bài báo sẽ giúp độc giả có một cách nhìn khái quát về những bước phát triển mới nhất của công nghệ viễn thông trên nền mạng chuyển mạch gói, tiến tới khả năng cung cấp các dịch vụ chất lượng dịch vụ cao một cách hiệu quả qua Internet

Nội dung bài báo được trình bày như sau Trong phần 2, bài báo chỉ ra những đặc thù trong việc đảm bảo chất lượng dịch vụ trên nền mạng IP Cũng trong phần này, tổng quan về các phương thức đánh giá QoS được trình bày một cách cụ thể Phần 3 của bài báo đi vào chi tiết

1

của các giải pháp QoS đã và đang được nghiên cứu, triển khai thử nghiệm Lợi thế và hạn chế của từng giải pháp xét trên phương diện khả thi cũng được làm rõ Trong phần 4, bài báo điểm lại tình hình hiện tại của sự triển khai QoS trong thực tế Cuối cùng, phần 5 chứa những kết luận của bài báo Nhằm tạo thuận lợi cho độc giả trong quá trình tham khảo các tài liệu liên quan, phần phụ lục 7 tập hợp những thành ngữ viễn thông dịch tương đương từ tiếng Anh được dùng trong khuôn khổ bài báo

2 Internet QoS

2.1 QoS và đặc thù của mạng IP

Trong khuôn khổ bài báo này, chúng tôi không có ý định đi sâu và trình bày tổng quan về nguyên lý hoạt động của mạng IP Chúng tôi mặc nhiệm độc giả đã có những kiến thức cơ bản về lĩnh vực này Mặc dù vậy, trước khi đi vào chi tiết của các giải pháp chất lượng dịch

vụ trên nền mạng IP, cần thiết phải nhắc lại một số tính chất có liên quan

Như chúng ta đều biết, mạng IP hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển mạch gói Dữ liệu được truyền tải dưới dạng các gói IP ở lớp mạng (network layer) Mỗi gói là một chuỗi bit bao gồm các bit của dữ liệu cần chuyển và các bit do giao thức mạng gắn thêm 40 byte đầu tiên (tức là

320 bit đầu tiên) của gói IP mang thông tin của các giao thức, ví dụ như địa chỉ IP của máy gửi và máy nhận, chủng loại giao thức lớp truyền tải (transport layer) đang dùng vv Phần này thường được nhắc đến dưới tên gọi phần đầu gói Cần nhấn mạnh rằng mọi xử lý liên quan đến gói IP, như xác định đường truyền, phân loại gói (xem phần 3.2 ở dưới), đều dựa hoàn toàn vào những thông tin nằm trong phần đầu gói

Mạng IP có tính chất chuyển mạch không kết nối Để có một cách giải thích dễ hiểu, chúng ta cùng so sánh với mạng điện thoại công cộng thường dùng Trong mạng thoại, khi người gọi muốn bắt đầu cuộc đàm thoại, họ nhấc máy điện thoại và quay số Khi đó, nhiệm vụ của mạng điện thoại là thiết lập đường nối giữa người gọi và người được gọi, chiếm giữ đường nối cho riêng cuộc gọi này Chỉ sau khi đường nối được thiết lập thành công, cuộc gọi mới có thể bắt đầu Trong trường hợp ngược lại, người gọi sẽ nhận được tín hiệu báo không thể bắt đầu cuộc gọi, hay nói một cách khác là cuộc gọi bị rớt Không giống như mạng điện thoại, trong mạng

IP, không có đường truyền nối nào được thiết lập và cố định giữa đầu gửi và đầu nhận từ đầu cuộc kết nối Thay vì thế, đầu gửi chỉ đơn giản bắt đầu đẩy các gói IP dữ liệu vào mạng Việc các gói IP đi theo đường truyền nào đến đầu gửi hoàn toàn phụ thuộc vào trạng thái lưu lượng nhất thời và sự quyết định của các bộ định tuyến trong mạng Các gói IP vì thế có thể đi theo nhiều đường khác nhau đến đầu gửi Một số gói có thể bị mất trong quá trình đi qua mạng Hơn thế nữa, các gói có thể đi đến đầu nhận theo thứ tự khác với thứ tự chúng được gửi đi ở đầu gửi

Sự chuyển mạch không kết nối với tính chất cơ bản là không có sự chiếm giữ đường chuyền

cố định dẫn đến việc bảo đảm chất lượng đường truyền, hay nói rộng hơn là đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng IP trở nên không đơn giản Những biện pháp QoS đã được sử dụng hiệu quả trong mạng điện thoại như điều khiển số lượng cuộc gọi đầu vào phần lớn không áp dụng được trong mạng IP Mạng Internet hiện nay cung cấp dịch vụ trên cơ sở phục vụ theo khả năng tối đa (best-effort) Tức là không có bất cứ một cam kết nào được đưa ra từ phía nhà khai thác về chất lượng của dịch vụ Thay vào đó, tuỳ thuộc vào trạng thái cụ thể của mạng, mạng chủ sẽ thực hiện những khả năng tốt nhất của mình để phục vụ lưu lượng của dịch vụ Đây chính là nguyên nhân chủ yếu thúc đẩy sự nghiên cứu mạnh mẽ về QoS trên nền mạng IP trong những năm gần đây

2.2 Đánh giá QoS

Trước khi đi vào giới thiệu cụ thể những giải pháp Internet QoS, chúng ta cần định nghĩa một cách cụ thể khái niệm QoS Những yếu tố liên quan được xem xét bao gồm:

• phương thức đánh giá chất lượng dịch vụ,

• tập hợp các tham số khách quan để đánh giá chất lượng dịch vụ, và

• tiêu chí liên quan đến chất lượng dịch vụ

Chất lượng dịch vụ trong thực tế có thể được đánh giá theo 2 cách phổ biến: đánh giá chủ quan hoặc đánh giá khách quan Đối với người sử dụng thông thường, tức là khách hàng của các nhà cung cấp dịch vụ, chất lượng dịch vụ phần lớn được đánh giá một cách chủ quan dựa trên ý kiến của chính họ Ví dụ, khi người sử dụng truy cập một trang web, yếu tố đầu tiên để

họ đánh giá chất lượng dịch vụ truy cập là khả năng truy nhập thành công đến trang web họ cần Bên cạnh đó, họ cũng đánh giá mức độ truy nhập nhanh hay chậm qua xem xét thời gian cần thiết để tải các dữ liệu từ trang web này Dựa trên những đánh giá chủ quan như thế, người sử dụng sẽ công nhận dịch vụ truy cập Internet là tốt nếu khả năng truy nhập cao, sự gián đoạn là rất hãn hữu, và vận tốc truyền tải dữ liệu nhanh

Một ví dụ điển hình khác là dịch vụ điện thoại qua Internet, được biết đến rộng rãi dưới tên gọi VoIP (Voice over IP) Với loại hình dịch vụ này, khi sử dụng, khách hàng sẽ đánh giá chất lượng dựa vào những yếu tố thoại quen biết Dịch vụ VoIP sẽ được coi là tốt nếu cuộc thoại

có tính dễ hiểu cao Nói một cách khác là trong quá trình đàm thoại, những người tham gia có thể hiểu đoạn thoại của người nói dễ dàng Điều này có được nếu giọng người nói không bị đường truyền làm méo mó khó nghe (do nghẽn mạch), độ vọng âm được giữ ở mức thấp, các câu nói không mất từ, mất chữ

Còn có thể kể ra rất nhiều loại hình dịch vụ khác kèm theo các cách đánh giá chất lượng chủ quan liên quan đến chúng Cho dù là dịch vụ gì, điều cơ bản chung của cách đánh giá chủ quan là với người sử dụng, sự đánh giá của họ phụ thuộc vào dịch vụ cụ thể họ đang dùng Hơn thế nữa, vì những đánh giá này mang tính chủ quan của người sử dụng, chúng không được biểu hoá một cách thống nhất và rành mạch

Tiến tới một chuẩn mực chung cho việc đánh giá chất lượng dịch vụ, qua đó tạo ra tiêu chí chuẩn cho các nhà cung cấp dịch vụ, chúng ta phải dựa vào những tham số khách quan Nói một cách khác, cần thiết phải xây dựng cách đánh giá khách quan Với các dịch vụ trên nền mạng IP, những tham số đặc trưng khách quan thông thường liên quan đến lớp mạng Chúng được chuẩn hoá như sau :

• Tỷ lệ mất gói: tham số này cho biết tỷ lệ phần trăm số gói IP bị mất trên tổng số

toàn bộ số gói IP đầu gửi đã chuyển vào mạng cho phía đầu nhận

• Độ trễ gói: tham số này cho biết khoảng thời gian gói IP được chuyển từ đầu gửi

đến đầu nhận

• Độ biến thiên trễ: tham số này cho biết sự dao động về độ lớn của độ trễ gói

Trở lại ví dụ dịch vụ VoIP Theo kết quả nghiên cứu và trắc nghiệm đã được công nhận rộng rãi, VoIP có chất lượng chấp nhận được nếu đồng thời thoả mãn các yếu tố khách quan như

sau Tỷ lệ mất gói dưới 1%, độ trễ gói một chiều từ đầu gửi đến đầu nhận dưới 150ms, và độ biến thiên trễ dưới vài milli giây

Cần nói thêm là việc xác định những tiêu chuẩn khách quan cho từng dịch vụ có thể tuân theo phương thức cố định hay phương thức xác xuất thống kê Trong trường hợp thứ nhất, các tham số QoS của dịch vụ không được phép vượt quá các giới hạn cố định cho trước Chẳng hạn, độ trễ gói của các gói IP cho dịch vụ đang quan tâm không được lớn hơn 100 ms Trong trường hợp thứ hai, một xác xuất nhỏ được sử dụng, cho phép tham số QoS lớn hơn ngưỡng cho trước với xác xuất này Ví dụ, có thể cho phép độ trễ gói lâu hơn 100ms với xác xuất 0.001 Việc chọn phương thức nào khi định nghĩa chất lượng của một dịch vụ tuỳ thuộc vào

sự thống nhất giữa nhu cầu của người sử dụng và nhà cung cấp, đồng thời phù hợp với thực trạng của dữ lượng mạng của nhà cung cấp

Ngoài ra, trong thời gian gần đây, dựa trên kinh nghiệm thực tế của các nhà khai thác dịch vụ

và của người sử dụng, các kỹ sư và các nhà nghiên cứu mạng nhận ra rằng cần phải mở rộng tập hợp các tham số QoS của dịch vụ với một tham số mới không kém phần quan trọng Đó là

khả năng đáp ứng của dịch vụ, được định nghĩa song song với những tham số lớp mạng cho

các gói IP kể trên Hiểu một cách khái quát, tham số khả năng đáp ứng của dịch vụ cho biết xác xuất dịch vụ có thể được sử dụng thành công trong bất kỳ thời điểm nào khách hàng muốn dùng Xét ví dụ khả năng đáp ứng của dịch vụ VoIP là 99.99% Điều này có nghĩa là khi khách hàng muốn dùng dịch vụ VoIP, không phụ thuộc vào thời gian sáng, trưa, chiều tối, 99,99% là cuộc gọi sẽ được kết nối với chất lượng phù hợp với hợp đồng đã ký kết giữa người

sử dụng với nhà cung cấp dịch vụ

Rất quan trọng là đảm bảo chất lượng dịch vụ có thể xét theo hai cách nhìn: đảm bảo chất

lượng của dịch vụ qua các tham số QoS khách quan và đảm bảo sự phân biệt chất lượng giữa các dịch vụ với nhau Khi yếu tố thứ nhất được nâng lên hàng đầu, những tham số QoS

của dịch vụ được cam kết đảm bảo sẽ được giữ trong mức cho phép Khi yếu tố thứ hai là tiêu chí thì vấn đề quan trọng là sự tương quan giữa chất lượng của các dịch vụ Có nghĩa là sự

đảm bảo hướng tới tiêu chí để dịch vụ A tốt hơn dịch vụ B về độ mất gói và độ trễ gói Có thể

cả hai dịch vụ A và B đều chịu sự xuống cấp của các tham số QoS khách quan trong một số trạng thái nhất định của mạng Nhưng cho dù như vậy, dịch vụ A vẫn được đảm bảo có QoS tốt hơn dịch vụ B Tất nhiên, khi tiêu chí đảm bảo chất lượng qua các tham số QoS khách quan được thoả mãn triệt để cho mọi dịch vụ tồn tại, thì tiêu chí đảm bảo sự phân biệt chất lượng giữa các dịch vụ với nhau nghiễm nhiên được thực hiện nếu muốn Nhưng chiều ngược lại thì không đúng

Tóm lại, khi xét đến đảm bảo chất lượng cho một dịch vụ trên nền mạng IP, chúng ta cần định nghĩa cụ thể tập hợp những tham số QoS khách quan phải quan tâm cùng với phương thức phù hợp (cố định hoặc xác xuất thống kê) cho sự ràng buộc của các tham số đó Bên cạnh đó, mục tiêu đảm bảo chất lượng (khách quan hay phân biệt) cũng cần được làm rõ ràng

3 Các giải pháp QoS đã và đang được thử nghiệm triển khai

3.1 Giải pháp 1: Cấu trúc IntServ bảo đảm chặt chẽ các tham số QoS nhờ nguyên lý điều khiển các luồng gói IP vi mô

Tổ chức IETF (Internet Engineering Task Force) những năm đầu thập kỷ 90 đưa ra cấu trúc IntServ [4] như một giải pháp hữu hiệu đảm bảo QoS trên nền mạng IP Cốt lõi của IntServ là

sự áp dụng các biện pháp đảm bảo QoS cho từng luồng IP vi mô Luồng IP vi mô là một

chuỗi gói IP có chung 5 tham số giống nhau Cụ thể hơn, một luồng IP vi mô được xác định bởi 5 tham số: địa chỉ IP đầu gửi, địa chỉ IP đầu nhận, số thứ tự của cổng gửi, số thứ tự của cổng nhận, loại hình của giao thức được sử dụng trên lớp truyền tải (TCP hay UDP) cho luồng IP đang được xét

Một mạng IntServ điển hình chứa các bộ định tuyến biên và các bộ định tuyến lõi (xem hình 1) Trước khi bắt đầu truyền dữ liệu của một luồng IP vi mô, đầu gửi thông báo một số số liệu liên quan đến lưu lượng sẽ được chuyển (như tốc độ gửi lưu lượng trung bình của đầu gửi, độ

lớn cho phép của những cụm bùng phát lưu lượng) cho bộ định tuyến biên Bên cạnh đó, đầu

gửi cũng chuyển đến cho bộ định tuyến biên yêu cầu QoS của luồng IP Những số liệu lưu lượng và QoS sẽ được bộ định tuyến biên sử dụng để tính ra dung lượng cần thiết cho luồng

IP đang được quan tâm Có nhiều phương pháp để tính dung lượng, chẳng hạn áp dụng mô

hình điều chỉnh lưu lượng mạng mang tên thùng dò (leaky bucket) là một cách phổ biến Sau

đó, giao thức báo hiệu RSVP (Resource Reservation Protocol – giao thức chiếm giữ tài nguyên mạng) sẽ làm nhiệm vụ xác định đường truyền (kết hợp với các giao thức định tuyến gài đặt tại các bộ định tuyến) và chiếm giữ dung lượng dọc đường truyền cho luồng IP Xây dựng đường truyền được thực hiện với tin PATH của giao thức RSVP Sự chiếm giữ dung lượng, theo tính chất hoạt động của RSVP, được thực hiện với tin RESV, bắt đầu từ bộ định tuyến biên đầu nhận và chạy ngược trở lại dọc theo đường truyền cho tới bộ định tuyến biên đầu gửi

Hình 1: Cấu trúc mạng IntServ

Giao thức báo hiệu RSVP sẽ đưa ra quyết định luồng IP từ nút H 1 đến nút H 2 có thể được mạng IntServ phục vụ hay không Trước hết, RSVP xác định và xây dựng đường truyền cho luồng IP bằng tin PATH Đường truyền này đi qua các bộ định tuyến R1, R2, R3 Tiếp đó dung lượng sẽ được chiếm giữ cho đường truyền theo chiều từ nút nhận ngược trở lại nút gửi Sự chiếm giữ được thực hiện bằng tin RESV của giao thức RSVP Nếu sự chiếm giữ thành công tại tất cả các bộ định tuyến R3, R2, R1, luồng IP bắt đầu được phục vụ Nếu tại bất cứ bộ định tuyến nào, sự chiếm giữ không thực hiện được do thiếu dung lượng cần thiết, giao thức RSVP sẽ dựa vào kết quả này để chặn luồng IP

Nếu sự chiếm giữ dung lượng tại tất cả các bộ định tuyến dọc đường truyền đều thành công, các gói của luồng IP bắt đầu được truyền tải từ đầu gửi đến đầu nhận Trong trường hợp bất

kỳ một liên kết nào dọc đường truyền không có đủ dung lượng cần thiết, quá trình chiếm giữ

sẽ bị ngừng và thông tin về sự chiếm giữ không thành công sẽ được chuyển đến đầu gửi bằng một tin riêng của RSVP Luồng IP vi mô sẽ bị chặn không được phục vụ Cần lưu ý là ngay

PATH

RESV

H 1

H 2

R1

các tin trao đổi của giao thức RSVP

cả khi đường truyền được xây dựng thành công, trong quá trình truyền tải các gói của luồng

IP vi mô, cần thiết phải có sự kiểm tra dung lượng được chiếm giữ một cách định kỳ, đều đặn nhờ giao thức báo hiệu RSVP để đảm bảo trạng thái được dùng số dung lượng cần thiết dọc theo đường truyền

Để thực hiện quá trình chiếm giữ dung lượng, cũng như kiểm tra trạng thái chiếm giữ liên quan đến từng luồng IP vi mô, mỗi bộ định tuyến trong cơ chế IntServ cần phải lưu trữ tất cả các dữ liệu về đặc tính cập nhật của tất cả các luồng gói vi mô đang tồn tại trong mạng Đồng thời tất cả các bộ định tuyến phải có chức năng hoạt động được cùng với giao thức RSVP

Mặc dù cấu trúc IntServ có ưu điểm là sự đảm bảo chặt chẽ các yêu cầu QoS của từng luồng

IP vi mô, nhược điểm lớn căn bản của nó là không có tính áp dụng rộng cao Điều này xuất phát từ thực tế là một bộ định tuyến bình thường trong mạng IP ngày nay phải xử lý cùng một lúc số lượng rất lớn các luồng IP vi mô Con số này có thể lên tới vài trăm nghìn, hoặc thậm chí hàng triệu Vì thế, lưu trữ, truyền tải và xử lý thông tin cho từng luồng IP vi mô tạo ra một lưu lượng báo hiệu khổng lồ, làm giảm đáng kể hiệu suất hoạt động của bộ định tuyến Nhược điểm này là nguyên nhân vì sao cấu trúc IntServ chỉ có tính khả thi trong các mạng có tầm bao phủ nhỏ Với mạng IP trải rộng toàn cầu như mạng Internet hiện nay, trông đợi sự đầu tư

và đưa vào hoạt động phổ biến của cấu trúc IntServ là không thực tế

3.2 Giải pháp 2: Cấu trúc DiffServ phân loại gói, tăng tính áp dụng rộng

Nhận ra sự hạn chế về tính áp dụng rộng của IntServ, tổ chức IETF đề xuất cấu trúc DiffServ [3] như một giải pháp QoS có tính khả thi cao hơn Trong cấu trúc DiffServ, các bộ định tuyến được chia làm hai thể loại Các bộ định tuyến biên nằm ở đường vành của tổ chức mạng

có chức năng DiffServ Các bộ định tuyến nằm bên trong tổ chức mạng có chức năng DiffServ được gọi là các bộ định tuyến lõi Như đã được trình bày ở phần 3.1, nếu là tổ chức mạng có chức năng IntServ, dù bộ định tuyến là lõi hay biên, chúng đều bắt buộc phải có khả năng xử lý từng luồng IP vi mô Điểm khác cơ bản của cấu trúc DiffServ là chỉ có các bộ định tuyến biên cần khả năng này Với các bộ định tuyến lõi, thay vì phải xử lý số lượng rất lớn các luồng gói IP vi mô như trong cấu trúc IntServ, chỉ phải xử lý một vài luồng IP tổng trong cấu trúc DiffServ Luồng IP tổng chứa tất cả các gói của các luồng IP vi mô thuộc về cùng một chủng loại Do chỉ cần định nghĩa một vài chủng loại cơ bản, yêu cầu đối với các bộ định tuyến lõi trở nên đơn giản hơn rất nhiều

Cơ chế DiffServ đưa ra sự phân loại cho 3 loại hình dịch vụ: dịch vụ ưu tiên, dịch vụ đảm bảo

và dịch vụ ứng biến theo khả năng tối đa Dịch vụ cuối cùng chính là dịch vụ đang được cung cấp bởi mạng Internet hiện nay Ứng với mỗi loại dịch vụ, DiffServ định nghĩa cách thức xử

lý các gói IP tại các bộ định tuyến lõi Nói cách khác, tại các bộ định tuyến lõi, các gói IP sẽ được xử lý tương ứng với loại dịch vụ của chúng Gói IP của dịch vụ ưu tiên nhận được cách

xử lý chuyển nhanh (EF-PHB Expedited Forwarding-Per Hop Behaviour), còn gói IP của dịch

vụ đảm bảo nhận được cách xử lý chuyển đảm bảo (AF-PHB Assured Forwarding- Per Hop Behaviour)

Nguyên lý hoạt động của cấu trúc DiffServ bao gồm những điểm cơ bản sau Khi bắt đầu đi vào mạng DiffServ mà trực tiếp là tại bộ định tuyến biên, gói IP sẽ được phân loại Bộ định tuyến biên thực hiện việc phân loại bằng cách kiểm tra mã DSCP (DiffServ Code Point) chứa chủng loại dịch vụ nằm trong phần đầu gói cùng với một số dữ liệu khác liên quan đến luồng

vi mô của gói IP (như địa chỉ đầu gửi, địa chỉ đầu nhận)

Sau khi chủng loại của gói IP được xác định, bộ định tuyến biên sẽ áp dụng một số giải pháp điều chỉnh tiếp theo cho gói nếu cần thiết Lý do là gói IP cần phải tuân theo những tính chất

đã được định nghĩa trước cho chủng loại của nó Những tính chất này có thể là mức cực đại của lưu lượng, biên độ cho phép của sự bùng phát của lưu lượng và một số đại lượng khác Tùy thuộc vào mức độ tuân thủ cụ thể của gói IP và mức độ chặt chẽ của DiffServ, giải pháp được bộ định tuyến biên sử dụng có thể là đánh dấu gói, điều chỉnh gói (bao gồm loại bỏ gói, hoặc làm trễ gói một thời gian nhất định trước khi chuyển tiếp) Những tác động liên quan này mang mục đích nắn lại tính chất của luồng lưu luợng cho phù hợp với những tính chất đã được định nghĩa trước

Tại bộ định tuyến lõi, gói IP sẽ được xử lý trên cơ sở duy nhất là chủng loại của nó Bộ định tuyến lõi chỉ có nhiệm vụ kiểm tra chủng loại của gói IP và đơn giản chuyển tiếp gói IP theo cách chủng loại đó được nhận, bao gồm định tuyến cho gói, hoặc xếp gói vào bộ đệm thích hợp nếu cần thiết Ví dụ, khi đường kết nối đầu ra của bộ định tuyến không truyền tải kịp lưu lượng đầu vào, các gói IP được xác định thuộc vào dịch vụ ưu tiên sẽ được xếp vào một bộ đệm riêng với các gói IP của dịch vụ đảm bảo Chỉ khi nào các gói trong bộ đệm của dịch vụ

ưu tiên được đường kết nối phục vụ hết thì các gói IP trong bộ đệm của dịch vụ bảo đảm mới bắt đầu được truyền tải

Tuy khắc phục được nhược điểm về tính áp dụng rộng của IntServ, nhưng ngược lại DiffServ chỉ có khả năng đảm bảo QoS cho luồng IP tổng Nhiều nghiên cứu, mô phỏng và đo đạc trên các mạng DiffServ thử nghiệm đã chỉ ra và chứng minh rằng ngay cả khi các tham số QoS của luồng IP tổng được đảm bảo thì các tham số QoS của các luồng IP vi mô tạo nên luồng tổng hoàn toàn có thể bị thay đổi ngoài mức cho phép (xem thêm [7], [11]) Phương pháp phổ biến để tránh hiện tượng này là sử dụng thêm các thuật toán điều chỉnh đầu vào (CAC Connection Admission Control) của các luồng IP vi mô

Nguyên tắc chung của điều chỉnh đầu vào là chỉ phục vụ luồng IP vi mô mới nếu thực trạng tức thời của mạng đảm bảo được cùng lúc hai điều kiện: luồng IP mới sẽ nhận được các tham

số QoS khách quan đúng theo yêu cầu, và các tham số QoS khách quan của các luồng IP đang tồn tại sẵn trong mạng không bị tổn phá ngoài mức cho phép bởi sự xuất hiện của luồng IP mới

Có hai phương pháp chính có thể tuân theo khi triển khai thuật toán điều chỉnh đầu vào trên nền mạng DiffServ Phương pháp thứ nhất là điều chỉnh dùng cấu trúc Broker dung lượng (BB Bandwidth Broker) Phương pháp thứ hai là điều chỉnh dựa vào các kết quả đo đạc, giám sát trạng thái của mạng Ở phương pháp thứ nhất, một thiết bị đặc biệt được gọi là Broker dung lượng được lắp đặt (xem hình 2) Vì chứa các tập dữ liệu luôn được làm mới và

bổ xung nhờ sự báo hiệu đều đặn, ở bất cứ thời điểm nào Broker dung lượng đều có cái nhìn

cụ thể và chính xác về thực trạng dữ lượng mạng Khi một luồng IP vi mô mới muốn đi vào mạng DiffServ, bộ định tuyến biên nơi luồng IP xuất hiện sẽ báo hiệu với Broker dung lượng Nhận được báo hiệu, Broker dung lượng sẽ xác định đường truyền cho luồng IP vi mô qua mạng DiffServ, đồng thời kiểm tra xem dữ lượng mạng dọc đường truyền vừa xác định có đủ theo yêu cầu QoS của luồng IP hay không Trường hợp có đủ dữ lượng, luồng IP vi mô sẽ được đón nhận Nếu không đủ dữ lượng, Broker dung lượng sẽ tìm một đường truyền khác và lặp lại quá trình kiểm tra dữ lượng đường truyền Nếu không có đường truyền nào thoả mãn được nhu cầu dữ lượng, luồng IP mới sẽ bị từ chối và không được truyền tải qua mạng DiffServ

Hình 2: DiffServ và điều chỉnh đầu vào của luồng IP vi mô với Broker lưu lượng

Khi luồng gói IP muốn đi từ đầu H 1 đến đầu H 2 qua mạng DiffServ, bộ định tuyến biên R1 sẽ thông báo yêu cầu nhập mạng của luồng IP cho Broker dung lượng Broker dung lượng xác định đường truyền R1-R2-R3 từ H1 đến H2 cho luồng IP và thực hiện thuật toán điều chỉnh đầu vào (CAC trên hình vẽ) bằng cách kiểm tra dung lượng dọc đường truyền này Nếu đủ dung lượng cho yêu cầu QoS của luồng IP, lưu lượng của nó sẽ bắt đầu được truyền tải qua mạng DiffServ

Phương pháp thứ hai để điều chỉnh đầu vào dựa vào những kết quả đo đạc và giám sát mạng Trong phưong pháp này, bộ định tuyến biên có khả năng tự quyết định từ chối hay chấp nhận truyền tải dữ liệu của luồng IP vi mô mới Để làm được điều này, tất nhiên cần có sự phân tích hợp lý các kết quả đo đạc được thu thập Bạn đọc có thể xem thêm [9] và các tài liệu được tham khảo trong đó để có được kiến thức khái quát về các cách phân tích dữ liệu đo đạc được đề xuất trong thời gian gần đây cho các thuật toán điều chỉnh đầu vào triển khai trên nền mạng DiffServ

Hiện nay, cấu trúc DiffServ vẫn chỉ được triển khai chủ yếu với quy mô nhỏ, có tầm cỡ thử nghiệm trong các phòng thí nghiệm của các tổ chức nghiên cứu Mặc dù có những ưu điểm nhất định được nhắc đến ở trên, DiffServ vẫn chưa được các nhà cung cấp dịch vụ triển khai trong mạng của họ Ngoài nguyên nhân đằng sau sự cần thiết phải đầu tư nâng cấp mạng, thiếu động lực triển khai do tính tiện lợi của cung ứng thừa dung lượng (sẽ được giải thích thêm ở phần 4.1) cũng lý giải cho hiện trạng này

3.2.1 DiffServ trên nền MPLS: thực hiện điều phối lưu lượng mạng, góp phần

làm tăng khả năng bảo đảm QoS

Nói một cách ngắn gọn, MPLS (Multi Protocol Label Switching) là giao thức chuyển mạch nhãn đa giao thức cho phép xác định chính xác các đường truyền mạch nhãn LSP (Label Switched Path) ngay từ bộ định tuyến đầu tiên có chức năng MPLS Dọc theo đường truyền LSP, sự định tuyến của các gói không dựa vào địa chỉ IP thông thường, mà dựa vào chuỗi bits đặc biệt được gọi là nhãn MPLS Để làm được điều này tất nhiên các bộ định tuyến phải có chức năng MPLS Lợi ích cơ bản của MPLS là nó cho phép

BB

H 1

H 2

R1

CAC

• điều phối lưu lượng mạng và cân bằng tải một cách hiệu quả dựa vào tính chất xác định toàn bộ đường truyền ngay từ đầu gửi và khả năng dùng đồng bộ nhiều đường truyền cho lưu lượng thuộc về cùng một mối liên kết,

• cho phép điều khiển một cách chính xác dung lượng của đường truyền LSP dựa trên yêu cầu của các tham số QoS,

• ứng biến linh hoạt và phục hồi nhanhh trong các trường hợp xảy ra lỗi và sự cố mạng (ví dụ như lỗi phần mềm hoặc phần cứng của các bộ định tuyến, lỗi của các kết nối trong mạng)

Cần nhấn mạnh rằng, mục tiêu khởi đầu của phát triển công nghệ MPLS không phải hướng tới đảm bảo chất lượng dịch vụ Ở giai đoạn đầu, MPLS đơn thuần là công nghệ để rút ngắn thời gian định tuyến cho các gói và nâng cao khả năng điều phối lưu lượng của mạng, tạo ra cân bằng tải Tuy vậy, khi được áp dụng đồng thời với các giải pháp QoS, đặc biệt là cùng với

cơ chế DiffServ, MPLS làm tăng đáng kể khả năng đảm bảo chất lượng dịch vụ của mạng Trên thực tế, IETF đã đưa ra cấu trúc DiffServ trên nền MPLS với đặc điểm chính là các gói MPLS được phân loại và nhận sự xử lý giống như cách các gói IP được xử lý trong cơ chế DiffServ Điểm khác so với cơ chế DiffServ nguyên dạng là sự phân loại các gói được dựa vào phần đầu của gói MPLS chứ không phải dùng mã 4 bit DSCP của gói IP Có hai cách để đánh dấu các gói MPLS cho sự phân loại: đánh dấu miền LABEL, hoặc đánh dấu miền EXP trong phần đầu của gói MPLS Với cách thứ nhất, đường truyền chuyển mạch nhãn gọi là L-LSP, với cách thứ hai đường truyền chuyển mạch nhãn gọi là E-LSP được thiết lập Cả hai cách nói trên đều cho phép khả năng dẫn những gói MPLS của các loại lưu lượng có yêu cầu QoS khác nhau vào những đường LSP riêng biệt và xử lý phù hợp cho loại lưu lượng đó

MPLS có khả năng chiếm giữ và điều chỉnh chính xác dung lượng chiếm giữ cho mỗi đường truyền LSP Khả năng này được thực hiện bằng việc sử dụng giao thức báo hiệu RSVP-TE (Resource Reservation Protocol – Traffic Enginerring) [2] Khi cho trước yêu cầu QoS của một loại lưu lượng (thể hiện qua các tham số QoS khách quan), áp dụng các thuật toán hợp lý

ta sẽ tính được dung lượng cần thiết của đường truyền LSP cho loại lưu lượng đó Với

RSVP-TE, MPLS có ưu điểm là dung lượng đường truyền sẽ được chiếm giữ chính xác như đã tính toán Hơn thế nữa, trong quá trình hoạt động của đường truyền LSP, tuỳ thuộc vào sự biến đổi của lưu lượng và những yếu tố khác, dung lượng của đường LSP này có thể được điều chỉnh một cách chuẩn xác Khả năng này tạo tiền đề cho sự sử dụng tối ưu tài nguyên mạng, vẫn đảm bảo QoS nhưng lại không lãng phí tài nguyên

Dùng MPLS có một thuận lợi nữa là nâng cao độ duy trì của mạng, và vì thế tăng khả năng đáp ứng của dịch vụ Do có khả năng định tuyến chính xác từ đầu gửi, MPLS phục hồi khả năng chuyển lưu lượng nhanh chóng khi xảy ra các lỗi đường kết nối hay lỗi bộ đinh tuyến Cách đơn giản nhất để làm được điều này là tạo ra các đường truyền LSP phụ cho lưu lượng Tuỳ theo yêu cầu về mức độ bảo vệ đường truyền LSP chính, đường truyền LSP phụ được tạo

ra sẽ không chung một đường kết nối nào (bảo vệ kết nối đơn), không chung một số đường kết nối liên tiếp (bảo vệ một đoạn đường truyền), hoặc không chung tất cả các đường kết nối (bảo vệ toàn bộ đường truyền) với đường truyền LSP chính Theo kết quả được thống kê trong các mạng MPLS đang hiện hành, bảo vệ kết nối đơn cho phép thời gian phục hồi trong vòng vài trăm milli giây, một thời gian đủ ngắn Trên thực tế, hầu như tất cả các mạng MPLS đang được vận hành đều triển khai khả năng phục hồi với phương thức bảo vệ kết nối đơn Cần nói thêm là giao thức MPLS đã được phát triển tiếp thành giao thức G-MPLS (Generalized-Multiprotocol Label Switching), cho phép các nhà cung cấp dịch vụ có thể điều