Chất lượng dịch vụ trong các mạng IP tốc độ cao

Chất lượng dịch vụ trong các mạng IP tốc độ cao Chất lượng dịch vụ trong các mạng IP tốc độ cao Chất lượng dịch vụ trong các mạng IP tốc độ cao luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Mở đầu

Trong vòng 20 năm trở lại đây, sự phát triển của bùng nổ của Internet và mạng máy tính đã mở ra một kỷ nguyên thông tin mới trong đó công nghệ thông tin và truyền thông có ảnh hưởng rất lớn đến đời sống con người Những dịch vụ do mạng máy tính và Internet đem lại ngày càng nhiều và đa dạng đã làm thay đổi thói quen sinh hoạt, trao đổi thông tin của những “cư dân trong thế giới số” Không ai có thể phủ nhận những lợi ích mà những dịch vụ như thư điện tử, dịch vụ web, thương mại điện tử, … mạng lại cho cuộc sống con người Nhưng kèm theo đó là những thách thức không nhỏ đặt ra với những nhà cung cấp dịch vụ, làm sao để đáp ứng tốt nhất yêu cầu dịch vụ ngày càng khắt khe của người dùng, từ những dịch vụ đơn giản như thư điện tử cho đến những dịch vụ phức tạp đòi hỏi cao như truyền hình theo yêu cầu, hội nghị từ xa, …

Những thách thức đó đặt ra yêu cầu phải có những mô hình, cơ chế để đảm bảo chất lượng một dịch vụ cung cấp trên mạng cho người dùng cuối, đặc biệt khi các dịch vụ cung cấp rất khác nhau về yêu cầu tài nguyên, đối tượng phục vụ Xu hướng hội tụ số những năm gần đây đã chứng kiến các nhà cung cấp có chiều hướng cung cấp tất cả các dịch vụ của mình trên nền một hệ thống mạng IP duy nhất Xu hướng hội tụ này mang tính hiệu quả cả về kinh tế và công nghệ, nhà cung cấp có thể tập trung nguồn lực tài chính để phát triển một hạ tầng truyền thông duy nhất, đồng thời

có thể cung cấp nhiều loại hình dịch vụ khác nhau trên đó, nhưng cũng đồng thời đặt

ra nhiều yêu cầu khắt khe hơn về chất lượng dịch vụ mạng QoS (Quality of Service)

ra đời để giải quyết những vấn đề đó, và có thể nói, sự phát triển nhanh chóng của các dịch vụ Internet và truyền thông có phần đóng góp không nhỏ của QoS

Mục tiêu chính của luận văn này là đi sâu nghiên cứu những phương pháp đảm

bảo chất lượng dịch vụ trong mạng IP, trong đó đặc biệt nhấn mạnh đến việc đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng MPLS, một công nghệ mới thu hút rất nhiều sự

chú ý trong những năm gần đây Những vấn đề trong luận văn được trình bày từ tổng quan đến chi tiết, các mô phỏng và đánh giá được thực hiện nhờ bộ công cụ NS-2 Cấu trúc chính của luận văn gồm 2 phần với 5 chương như sau:

Phần 1: Trình bày tổng quan về chất lượng dịch vụ, phần 1 gồm có 3 chương:

Chương 1: Giới thiệu chung về sự cần thiết của việc đảm bảo chất lượng dịch

vụ, nêu ra định nghĩa chất lượng dịch vụ và một số cơ chế phục vụ cho việc đảm bảo chất lượng dịch vụ hay dùng trong các mạng IP truyền thống

Chương 2: Trình bày về mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ hay được sử dụng

nhất trong các mạng IP truyền thống, mô hình Integrated Service (IntServ), trong đó

đề cập đến giao thức đặt trước tài nguyên RSVP và những ưu, nhược điểm của mô hình này

Chương 3: Trình bày về mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ Differentiated

Service (DiffServ), mô hình có nhiều ưu điểm hơn IntServ và ngày càng được sử dụng rộng rãi Trong chương 3 nêu ra những khái niệm quan trọng nhất với DiffServ

và những ưu điểm của DiffServ so với IntServ

Phần 2: Trình bày về việc đảm bảo chất lượng trong các mạng chuyển mạch nhãn, bao gồm 2 chương:

Chương 4: Đề cập đến những khái niệm cơ bản của mạng chuyển mạch nhãn

MPLS, và các cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ thích ứng ra sao với công nghệ mới này

Chương 5: Trình bày các đánh giá hiệu năng một số dịch vụ dữ liệu hay gặp trên

mạng MPLS thông qua các kịch bản mô phỏng, đồng thời bước đầu đề xuất phương pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ cho một số loại dữ liệu trên mạng MPLS

Do khuôn khổ thời gian thực hiện luận văn và kinh nghiệm bản thân có hạn, những gì đạt được trong luận văn này chỉ là những kết quả bước đầu, chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của thầy cô, đồng nghiệp cũng như những ai quan tâm Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong Khoa Công nghệ thông tin, Trung tâm Đào tạo sau đại học, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội và đặc biệt là TS Phạm Huy Hoàng, người

đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn này Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp tại công ty Hệ thống thông tin FPT, những người đã động viên, khích lệ và luôn ở bên tôi suốt thời gian qua

Hà Nội, tháng 11, năm 2005

Mục lục

Mục lục hình vẽ vii

Mục lục bảng viii

Danh mục thuật ngữ viết tắt ix

Phần một: Tổng quan về chất lượng dịch vụ trong mạng IP 1

Chương 1 Giới thiệu chung về Chất lượng dịch vụ (QoS) 1

1.1 Sự cần thiết phải có QoS 1

1.2 Định nghĩa QoS 4

1.3 Một số phương pháp kiểm soát QoS 5

1.3.1 Đánh dấu gói tin 7

1.3.2 Phân loại gói tin 7

1.3.3 Điều hoà thông lượng 8

1.3.3.2 Tốc độ dữ liệu 8

1.3.3.3 Đo đạc thông lượng và đánh dấu màu 10

1.3.4 Quản lý hàng đợi 13

1.3.4.1 Phương thức Tail drop 13

1.3.4.2 Loại bỏ sớm ngẫu nhiên (RED) 14

1.3.4.3 Loại bỏ sớm dựa trên trọng số (WRED) 16

1.3.4.4 Thông báo tắc nghẽn tường minh (ECN) 17

1.3.5 Sắp xếp gói tin 20

1.3.5.2 Vào trước ra trước (FIFO) 22

1.3.5.3 Xếp hàng ưu tiên (PQ) 22

1.3.5.4 Xếp hàng công bằng (FQ) 23

1.3.5.5 Xếp hàng theo vòng tròn có trọng số (WRR) 24

1.3.5.6 Xếp hàng công bằng có trọng số (WFQ) 25

1.3.5.7 Xếp hàng công bằng có trọng số theo lớp (CB WFQ) 26

1.3.6 Điều tiết thông lượng 27

1.3.6.1 Điều tiết thông lượng thuần tuý 28

1.3.6.2 Điều tiết thông lượng bằng ống thẻ 28

Chương 2 Mô hình Integrated Service 30

2.1 Tổng quan mô hình Integrated Service 30

2.1.1 Những yêu cầu về QoS 30

2.1.1.1 Các ứng dụng thời gian thực 30

2.1.1.2 Các ứng dụng mềm dẻo 31

2.1.2 Loại bỏ gói tin 31

2.1.3 Mô hình đặt trước 31

2.2 Những yêu cầu cơ bản của IntServ 32

2.3 Giao thức đặt trước tài nguyên (RSVP) 32

2.3.1 Tổng quan về RSVP 32

2.3.2 Hoạt động của RSVP 33

2.3.3 Cấu trúc bản tin RSVP 33

2.3.4 Bản tin PATH 37

2.3.5 Bản tin RESV 38

2.4 Các kịch bản sử dụng IntServ thường gặp 38

2.5 Ưu điểm và nhược điểm của mô hình 39

Chương 3 Mô hình Differentiated Service 41

3.1 Tổng quan mô hình Differentiated Service (DiffServ) 41

3.2 Thoả thuận mức dịch vụ (SLA) và Thoả thuận Điều hoà thông lượng (TCA) 41

3.3 Mô hình Differentiated Service 42

3.3.1 Miền Differentiated Service (DS) 42

3.3.2 Vùng Differentiated Service 44

3.3.3 Đánh dấu gói tin trong DiffServ 45

3.3.3.1 Đánh dấu gói tin trong các bộ định tuyến thông thường 46

3.3.3.2 Trường DiffServ (DS) 47

3.3.3.3 DSCP 47

3.3.4 Phân loại và điều hoà thông lượng 48

3.3.5 Hành vi chuyển tiếp (PHB) 49

3.3.5.2 Hành vi mặc định 51

3.3.5.3 Lựa chọn lớp 51

3.3.5.4 Chuyển tiếp đảm bảo (AF) 51

3.3.5.5 Chuyển tiếp thực thi (EF) 52

3.3.5.6 Thực hiện PHB bằng các bộ sắp xếp gói tin 52

3.3.6 Mô hình khái niệm 54

3.3.6.2 Giao diện cấu hình và quản lý 54

3.3.6.3 Các module đảm bảo chất lượng dịch vụ 55

3.3.6.4 Chức năng DiffServ tại các giao diện vào và ra 55

3.3.6.5 Điều tiết và điều hoà 55

3.3.6.6 Phân loại thông lượng 55

3.3.7 Các bộ đo đạc 56

3.3.8 Các thành phần hành động 56

3.3.9 Các thành phần hàng đợi 57

3.3.10 Các khối điều hoà thông lượng 57

3.4 Ưu điểm của mô hình DiffServ so với IntServ 57

Phần hai: Đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng chuyển mạch nhãn 59

Chương 4 Mạng chuyển mạch nhãn MPLS 59

4.1 Tại sao nên sử dụng MPLS 59

4.1.2 Những ưu điểm của MPLS 61

4.2 Kiến trúc MPLS 62

4.2.2 Nhãn và gán nhãn 63

4.2.3 Chồng nhãn 63

4.2.3.1 Mã hoá chồng nhãn 63

4.2.3.2 Hoạt động cơ bản của chồng nhãn 65

4.2.4 Lựa chọn đường đi 66

4.2.5 Xử lý node áp chót trong chồng 66

4.2.6 Đường hầm LSP 67

4.2.7 Phần tử chuyển nhãn tiếp theo 67

4.3 Phân phối nhãn 68

4.3.1 Phân phối xuôi dòng tự nguyện và xuôi dòng theo yêu cầu 69

4.3.2 Các chế độ chặn nhãn: tự do và bảo thủ 69

4.3.3 Kiểm soát LSP: có thứ tự và độc lập 69

4.3.4 Phân phối nhãn ngang hàng và phân cấp 70

4.3.5 Lựa chọn giao thức phân phối nhãn 71

4.3.5.1 Giao thức phân phối đường tại biên (BGP) 71

4.3.5.2 RSVP 72

4.3.5.3 Gán nhãn cho các LSP tường minh 72

4.4 MPLS hỗ trợ Differentiated Service 73

4.5 Mô hình Gửi nhãn cho các bộ định tuyến hỗ trợ MPLS trong mô hình DiffServ 75

4.5.1 Xác định PHB tới 75

4.5.2 Xác định PHB đi dựa theo Điều hoà thông lượng 75

4.5.3 Chuyển tiếp nhãn 75

4.5.4 Mã hoá các thông tin DiffServ vào gói tin 76

4.6 Ứng dụng của MPLS 76

4.6.1 Kiểm soát, điều hoà thông lượng 77

4.6.1.1 Ví dụ điều hoà thông lượng 77

4.6.1.2 Định tuyến dựa trên ràng buộc 80

4.6.1.3 Link-State IGP nâng cấp 81

4.6.1.4 Giải pháp điều hoà thông lượng 81

4.6.2 Mạng riêng ảo (VPN) 83

4.6.2.1 Thuật ngữ 84

4.6.2.2 Mô hình thiết lập cơ bản của một VPN dựa trên MPLS 85

4.6.2.3 Ưu điểm của VPN dựa trên MPLS 86

Chương 5 Đánh giá chất lượng một số dịch vụ dữ liệu trên mạng MPLS 87

5.1 Đặc trưng của MPLS và những tiêu chí đánh giá QoS 87

5.1.1 Lý do chọn MPLS 87

5.1.2 Các tiêu chí đánh giá QoS 87

5.2 Thực hiện mô phỏng và đánh giá 88

5.2.1 Xây dựng môi trường mô phỏng 88

5.2.2 Đánh giá QoS cho dữ liệu thông thường 88

5.2.2.1 Mô hình mô phỏng 89

5.2.2.2 Các kịch bản mô phỏng 90

5.2.2.3 Kết luận 96

5.2.3 Đánh giá QoS cho dữ liệu tiếng nói VoIP 96

5.2.3.1 Mô hình mô phỏng 96

5.2.3.2 Các kịch bản mô phỏng 98

5.2.3.3 Kết luận 101

5.3 Mô hình đề xuất cho việc đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng MPLS 102

Kết luận và hướng phát triển đề tài 104

Tài liệu tham khảo 105

Mục lục hình vẽ

Hình 1.1 Sự tiến hoá của truyền thông mạng 3

Hình 1.2 Định nghĩa QoS 4

Hình 1.3 Những yêu cầu chức năng chung của IP QoS 6

Hình 1.4 Cấu trúc một bộ định tuyến IP 6

Hình 1.5 Phân loại gói tin đa trường 7

Hình 1.6 Phương pháp phân loại BA 8

Hình 1.7 Module điều hoà thông lượng 8

Hình 1.8 Cổng vào, cổng ra và đường truyền tin 9

Hình 1.9 Ống thẻ C và ống thẻ E của srTCM 11

Hình 1.10 Hoạt động của srTCM trong chế độ không màu 11

Hình 1.11 Ống thẻ C và ống thẻ P trong trTCM 12

Hình 1.12 Hoạt động của trTCM trong chế độ không màu 13

Hình 1.13 Hoạt động của RED 15

Hình 1.14 Profile loại bỏ gói tin RED 16

Hình 1.15 Khái niệm ECN 17

Hình 1.16 Trường DS 18

Hình 1.17 Thao tác bắt tay của các máy đầu cuối TCP 19

Hình 1.18 Hoạt động của ECN 20

Hình 1.19 Mô hình khái niệm một bộ sắp xếp gói tin 21

Hình 1.20 Xếp hàng ưu tiên (PQ) 22

Hình 1.21 Xếp hàng công bằng (FQ) 23

Hình 1.22 Xếp hàng theo vòng tròn có trọng số (WRR) 24

Hình 1.23 Xếp hàng công bằng có trọng số (WFQ) 26

Hình 1.24 Xếp hàng công bằng có trọng số theo lớp (CB WFQ) 27

Hình 1.25 Điều tiết thông lượng thuần tuý 28

Hình 1.26 Điều tiết thông lượng bằng ống thẻ 29

Hình 2.1 Hoạt động của giao thức RSVP 33

Hình 2.2 Cấu trúc bản tin RSVP 34

Hình 2.3 Định dạng header chung của RSVP 35

Hình 2.4 Định dạng đối tượng bản tin RSVP 36

Hình 2.5 Đối tượng Style 37

Hình 2.6 Định dạng bản tin RSVP PATH 37

Hình 2.7 Định dạng bản tin RSVP RESV 38

Hình 2.8 Các kịch bản sử dụng RSVP thường gặp 39

Hình 3.1 Miền DiffServ 43

Hình 3.2 Một miền DS và các mạng nhỏ bên trong 44

Hình 3.3 Vùng DS 45

Hình 3.4 Trường Loại dịch vụ (ToS) trong header IPv4 46

Hình 3.5 Trường DiffServ (DS) 47

Hình 3.6 Phân loại gói tin và điều hoà thông lượng 48

Hình 3.7 Hành vi chuyển tiếp trong DiffServ 50

Hình 3.8 Những khối chức năng cơ bản của một bộ định tuyến DiffServ 54

Hình 4.1 Chức năng định tuyến IP thông thường 60

Hình 4.2 Kiến trúc MPLS 62

Hình 4.3 Thông tin nhãn của MPLS 64

Hình 4.4 Nhãn MPLS 64

Hình 4.5 Các đường hầm LSP lồng nhau 70

Hình 4.6 Phân phối nhãn bằng giao thức RSVP 72

Hình 4.7 Tắc nghẽn xảy ra khi sử dụng phương pháp chọn đường ngắn nhất 78

Hình 4.8 Giải pháp khắc phục tắc nghẽn bằng cách điều tiết thông lượng 79

Hình 4.9 Định tuyến dựa trên ràng buộc 80

Hình 4.10 Tránh tắc nghẽn 82

Hình 4.11 Cân bằng tải 83

Hình 4.12 Kiến trúc mạng riêng ảo dựa trên MPLS 85

Hình 5.1 Mối liên hệ giữa luồng, trunk, LSP và đường kết nối 89

Hình 5.2 Topo mạng mô phỏng TCP & UDP 90

Hình 5.3 Kịch bản sử dụng phương pháp định tuyến thông thường 91

Hình 5.4 Kịch bản sử dụng 2 trunk, trong đó 1 trunk có cả thông lượng TCP và UDP 92

Hình 5.5 Kịch bản sử dụng các trunk khác nhau cho các luồng khác nhau 94

Hình 5.6 Kịch bản không sử dụng trunk đầu cuối – đầu cuối 95

Hình 5.7 Topo mạng mô phỏng VoIP 97

Hình 5.8 Kịch bản sử dụng 15 nguồn phát, 15 nguồn nhận 98

Hình 5.9 Kịch bản có sử dụng 1 nguồn FTP 99

Hình 5.10 Kịch bản sử dụng 18 nguồn tiếng nói 100

Hình 5.11 Kịch bản sử dụng 20 nguồn tiếng nói 101

Hình 5.12 Mô hình đề xuất đảm bảo chất lượng dịch vụ 103

Mục lục bảng Bảng 2.1 Các loại bản tin RSVP 35

Bảng 3.1 Các bit ưu tiên IP 46

Bảng 3.2 Các chỉ thị hiệu năng 46

Bảng 3.3 Các giá trị DSCP 47

Bảng 3.4 Các giá trị mã AF khuyến cáo 51

Danh mục thuật ngữ viết tắt

BGP Border Gateway Protocol

CBS Committed Burst Size

CB WFQ Class-Based Weighted Fair Queuing

CIR Committed Information Rate

CWR Congestion Window Reduced

DiffServ, DS Differentiated Service

DSCP DiffServ Code Point

ECN Explicit Congestion Notification

ECT ECN-Capable Transport

FEC Forwarding Equivalence Class

FIFO First In First Out

FTP File Transfer Protocol

IntServ Integrated Service

ISP Internet Service Provider

LDP Label Distribution Protocol

LSP Label Switched Path

LSR Label Switching Router

MPLS Multi Protocol Label Switching

MF Multi-Field

NHLFE Next-hop label forwarding entry

Viết tắt Thuật ngữ

NFS Network File System

PBS Peak Burst Size

PE Provider Edge Router

PIR Peak Information Rate

PHP Per-Hop-Behavior

QoS Quality of Service

RED Random Early Discarding

RSVP Resource reSerVation Protocol

RSVP-TE Resource reSerVation Protocol – Traffic Engineering SLA Service Level Agreement

srTCM Single Rate Three Color Marker

TCA Traffic Conditioning Agreement

TCB Traffic Conditioning Block

TCP Transmission Control Protocol

TDM Time Division Multiplex

trTCM Two Rate Three Color Marker

UDP User Datagram Protocol

VPN Virtual Private Network

VRF VPN Routing and Forwarding

WRED Weighted Random Early Discarding

WFQ Weighted Fair Queuing

WRR Weighted Round Robin

Phần một: Tổng quan về chất lượng dịch

vụ trong mạng IP

Chương 1 Giới thiệu chung về Chất lượng dịch vụ

(QoS)

Chương một được trình bày với mục đích cung cấp những khái niệm tổng quan

về chất lượng dịch vụ trong mạng IP Nội dung chương một được chia thành 3 phần chính, mục 1.1 trình bày khái quát về sự cần thiết phải có cơ chế đảm bảo dịch vụ khi nhiều loại ứng dụng được cung cấp trên một hệ thống mạng chung, mục 1.2 trình bày khái quát định nghĩa và một số khái niệm cơ bản của chất lượng dịch vụ (QoS), mục 1.3 đề cập đến một số phương pháp, cơ chế thông dụng để đảm bảo chất lượng dịch vụ

1.1 Sự cần thiết phải có QoS

Trong những năm gần đây, tầm quan trọng của việc đảm bảo chất lượng dịch vụ

đã được nâng cao một cách nhanh chóng Ngày nay, QoS đã trở thành vấn đề trung tâm của tất cả các mạng chuyển mạch gói Bắt đầu từ buổi bình minh của viễn thông, người ta xây dựng 2 loại mạng tách biệt nhau để truyền tải tiếng nói và dữ liệu Mỗi mạng được thiết kế với mục đích truyền tải một loại thông tin riêng, mạng điện thoại được thiết kế để truyền tải giọng nói, mạng IP được thiết kế cho việc truyền dữ liệu

Trong những mạng điện thoại đầu tiên, người ta sử dụng hai tiêu chí để đánh giá chất lượng dịch vụ Thứ nhất, đó là xác xuất phần trăm cuộc gọi bị chặn, tức là tỉ lệ phần trăm cuộc gọi không thực hiện được do đường dây bận Khi một cuộc gọi thành công và một kết nối đã được thiết lập, tiêu chí thứ hai để đánh giá chất lượng

sẽ là chất lượng tiếng nói Chất lượng tiếng nói phụ thuộc vào chất lượng truyền dẫn của kết nối đầu cuối trong suốt cuộc gọi, ví dụ tỉ lệ mất dữ liệu, nhiễu, tiếng vọng, … Những mạng điện thoại đầu tiên, do đó đã được thiết kế với 2 mục tiêu chính Thứ nhất là cung cấp đủ các đường dây để tỉ lệ cuộc gọi bị chặn là chấp nhận được Thứ hai là thiết kế mạng đầu cuối tối ưu cho việc truyền tiếng nói, sao cho tỉ lệ mất tín hiệu, nhiễu, tiếng vọng và trễ là trong giới hạn chấp nhận được

Những mạng IP đầu tiên hoàn toàn khác với các mạng điện thoại Đầu tiên là do mục đích của mạng IP là truyền tải dữ liệu Không giống tiếng nói, dữ liệu đa phần không phải là dịch vụ thời gian thực, dữ liệu có thể được lưu lại và truyền vào một thời điểm nhất định, nếu dữ liệu bị lỗi có thể truyền lại được Vì thế dịch vụ dữ liệu đôi lúc còn được gọi là dịch vụ “lưu và chuyển tiếp”

Vì dữ liệu truyền trên mạng IP hoàn toàn khác với mạng điện thoại, triết lý thiết

kế mạng IP cũng hoàn toàn khác Đầu tiên, mạng IP được thiết kế theo cách đơn giản nhất có thể Mục đích chính của mạng là chuyển các gói tin từ node này sang node khác Tất cả các node đều được xử lý theo cùng một cách: lưu vào bộ đệm và chuyển tiếp theo quy tắc vào trước, ra trước

Thứ hai, toàn bộ phần xử lý được chuyển cho các thiết bị đầu cuối, thông thường là một chiếc máy tính Nhiệm vụ kiểm tra lỗi, gửi lại gói tin, phục hồi lỗi, … được trao cho thiết bị đầu cuối, trong khi hệ thống mạng không quan tâm đến những lỗi như vậy

Vì những mạng IP đầu tiên chỉ truyền tải một loại thông tin không phải thời gian thực, hệ thống mạng có thể thiết kế theo kiểu “nỗ lực tốt nhất” (best-effort), trong đó

nó sẽ xử lý các gói tin như nhau Mục tiêu thiết kế chủ yếu của mạng IP là đảm bảo thiết bị người dùng cuối có các giao thức và cơ chế thích hợp để truyền tải dữ liệu một cách ổn định, từ đó hệ thống mạng có thể hoạt động một cách đơn giản nhất có thể

Ban đầu có hai hệ thống mạng riêng biệt

Mạng thoại thông thường Mạng dữ liệu IP

Đầu cuối đơn giản

Hình 1.1 Sự tiến hoá của truyền thông mạng

Đến giữa những năm 90, 2 hệ thống mạng nói trên bắt đầu phát triển theo xu hướng tích hợp với nhau, trong thời gian này, thuật ngữ “hội tụ tiếng nói và dữ liệu” trở nên rất phổ biến Ý tưởng chính là tạo ra một hệ thống mạng có thể truyền tải cả tiếng nói và dữ liệu Những nhà cung cấp dịch vụ bắt đầu điều chỉnh hệ thống của mình để tích hợp các mạng riêng biệt thành một mạng “hội tụ” với hiệu năng và tính kinh tế cao hơn

Cùng với sự hội tụ này, một thách thức công nghệ mới đã xuất hiện Trong mạng hội tụ, cơ chế hoạt động “nỗ lực tốt nhất” của những mạng IP ban đầu không còn

phù hợp với những yêu cầu hiệu năng của các loại dữ liệu khác nhau trong hệ thống mới QoS là công nghệ cung cấp giải pháp cho những vấn đề kĩ thuật này

Khả năng phân biệt giữa các lớp

dữ liệu khác nhau, sao cho người dùng có thể xử lý các loại

dữ liệu khác nhau theo cách khác nhau

Khả năng đảm bảo cung cấp tài nguyên và phân biệt dịch vụ trong mạng

Từ phía hệ thống mạng, thuật ngữ QoS đề cập tới khả năng của hệ thống cung

dịch vụ mong muốn, hệ thống mạng phải có 2 khả năng Thứ nhất, hệ thống phải phân biệt được các loại lưu lượng dữ liệu sao cho người dùng cuối xử lý một loại dữ liệu khác với người dùng khác Thứ hai, khi đã phân biệt được các loại dữ liệu khác nhau, hệ thống mạng phải có khả năng xử lý các loại dữ liệu này khác nhau bằng cách đảm bảo tài nguyên cần thiết và phân biệt các dịch vụ khác nhau trong mạng Chất lượng dịch vụ cung cấp đến người dùng cuối được quyết định bởi mức độ suy yếu của hệ thống mạng như độ trễ, jitter, mức độ mất gói tin, … Mức độ suy yếu này phụ thuộc vào các cơ chế QoS cụ thể được sử dụng trong mạng

Vì một hệ thống mạng thường truyền tải nhiều loại dữ liệu với các yêu cầu về hiệu năng khác nhau, mức độ ảnh hưởng đối với dịch vụ này có thể không lớn đối với các loại dịch vụ khác hoặc người lại Một cơ chế QoS trong hệ thống mạng do đó phải tính đến các yêu cầu về hiệu năng mâu thuẫn nhau và cân bằng các yếu tố khác nhau để đạt được hiệu năng cao nhất

1.3 Một số phương pháp kiểm soát QoS

Nếu không sử dụng cơ chế đảm bảo QoS, một mạng IP sẽ cung cấp các dịch vụ

“nỗ lực tốt nhất”, trong đó, tất cả các gói tin đều giống hệt nhau và được xử lý theo cách giống nhau Một cơ chế QoS trong mạng IP cung cấp phương tiện để phân biệt các gói tin và xử lý chúng theo các cách khác nhau Hai cơ chế QoS chủ yếu của mạng IP là Integrated Service (IntServ) và Differentiated Service (DiffServ)

Để cung cấp QoS trên mạng IP, hệ thống mạng phải thực hiện được hai nhiệm

vụ sau:

- Phân biệt được các loại thông lượng dữ liệu và dịch vụ sao cho người dùng

có thể xử lý một hay nhiều loại dữ liệu khác với các loại dữ liệu khác

- Tuỳ theo loại dữ liệu khác nhau mà có cơ chế xử lý, phân biệt dịch vụ và đảm bảo tài nguyên cung cấp khác nhau

Các chức năng cơ bản cần thiết của mạng IP để thực hiện 2 nhiệm vụ trên được

mô tả trong hình 1.3 Nhiệm vụ một được thực hiện tại các giao diện người mạng và mạng-mạng, nhiệm vụ hai được thực hiện bởi hệ thống mạng Năng lực hệ thống mạng để thực hiện nhiệm vụ 2 là một yếu tố công nghệ quan trọng để phân biệt sản phẩm của các nhà cung cấp khác nhau

dùng-Hình 1.3 Những yêu cầu chức năng chung của IP QoS

Hình 1.4 Cấu trúc một bộ định tuyến IP

Hình 1.4 biểu diễn những yêu cầu trong hình 1.3 dưới dạng lưu đồ khối của một thiết bị định tuyến IP (IP Router) Chuỗi xử lý trong lưu đồ áp dụng cho một cặp đầu vào và đầu ra, ở đây là các gói tin đến một đầu vào và ra ở một đầu ra nhất định

1.3.1 Đánh dấu gói tin

Hiểu theo nghĩa rộng, đánh dấu gói tin được hiểu là thiết lập giá trị các bit trong trường thích hợp trong IP header nhằm mục đích phân biệt loại gói tin IP này với loại gói tin IP khác Ví dụ, một gói tin có thể phân biệt nhờ địa chỉ nguồn, địa chỉ đích, hoặc cả hai

Một gói tin đến một cổng vào của thiết bị định tuyến có thể là đã được đánh dấu hoặc chưa đánh dấu Nếu nó đã được đánh dấu, nó có thể được đánh dấu lại Nếu một gói tin đi qua nhiều vùng (domain) DS, gói tin đã được đánh dấu trong một vùng

DS có thể phải đánh dấu lại khi nó vào một vùng DS khác phụ thuộc vào cam kết dịch vụ (SLA) giữa 2 vùng

1.3.2 Phân loại gói tin

Phân loại gói tin là nhóm các gói tin dựa theo các luật phân loại Điểm khởi đầu của phân loại gói tin có thể từ người dùng cuối Trong hệ thống mạng, các gói tin được lựa chọn dựa theo các trường của header gói tin được dùng cho việc đánh dấu Có hai phương thức phân loại gói tin:

- Phân loại đa trường (Multi-Field, MF)

- Phân loại dựa theo hành vi (Behavior Aggregate, BA)

Địa chỉ nguồn/đích

Trường DS

Định danh giao

thức Cổng nguồn/đích

Giao diện vào

vân vân

Bộ phân loại đa

Hình 1.5 Phân loại gói tin đa trường

Phương pháp phân loại đa trường (MF) được biểu diễn trên hình 1.5 Trong phương pháp này, các gói tin được phân loại dựa theo một chuỗi các giá trị của các trường trong header Ngoài các trường trong phần header, các thông số khác, ví dụ: định danh giao diện đến, cũng có thể được dùng vào mục đích phân loại

Phương pháp phân loại BA được biểu diễn trên hình 1.6 Trong phương pháp này, các gói tin được phân loại dựa trên giá trị DiffServ Code Point (DSCP)

1.3.3 Điều hoà thông lượng

Điều hoà thông lượng sẽ kiểm tra xem lưu lượng dữ liệu đến tại một cổng vào có phù hợp với tốc độ thông lượng cam kết giữa người dùng và nhà cung cấp dịch vụ hay không Điều hoà thông lượng bao gồm việc đo đạc thông lượng dựa theo tốc độ lưu lượng thiết lập sẵn và đánh dấu hoặc đánh dấu lại các gói tin dựa theo đầu ra của việc đo đạc Các gói tin có thể bị loại bỏ tuỳ thuộc vào chính sách điều hoà

Hình 1.7 Module điều hoà thông lượng

Thông thường, điều hoà thông lượng sẽ kiểm tra tốc độ thông lượng dữ liệu tới

so sánh với Tốc độ Thông tin cam kết (Committed Information Rate, CIR) hoặc CIR

và Tốc độ thông tin tối đa (Peak Information Rate, PIR) Để điều hoà CIR và PIR, người ta dùng thêm 3 thông số: Kích cỡ luồng thông tin lớn nhất (Peak Burst Size, PBS), Kích cỡ luồng thông tin cam kết (Committed Burst Size, CBS) và Kích cỡ luồng thông tin vượt quá giới hạn (Excess Burst Size, EBS)

1.3.3.2 Tốc độ dữ liệu

Để minh hoạ cho các thông số tốc độ dữ liệu, ta xét trường hợp chuyển tiếp gói tin của một bộ định tuyến IP trong hình 1.8 Các gói tin đến các cổng vào của bộ định tuyến IP theo các đường truyền hoặc đường kết nối vật lý Các gói tin này được định tuyến dựa theo địa chỉ đích của chúng Mỗi cổng ra của bộ định tuyến được kết nối tới một bộ định tuyến hoặc thiết bị khác bằng đường kết nối vật lý Do đó, gói tin

tới thiết bị khác (next-hop) Một bảng chuyển tiếp gói tin đã được lưu trữ sẵn trong

bộ định tuyến, bảng này sẽ ánh xạ các gói tin ở cổng vào đến cổng ra tương ứng

1 2

n

2

n 1

Bộ định tuyến IP

Đường

truyền tin

Đường truyền tin

Hình 1.8 Cổng vào, cổng ra và đường truyền tin Tốc độ dòng

Tại một bộ định tuyến ở biên, một dòng dữ liệu tới có thể là dòng dữ liệu trực tiếp từ phía người dùng cuối Nó cũng có thể là dòng dữ liệu từ mạng LAN của người dùng Ở một bộ định tuyến trung tâm, một dòng dữ liệu thông thường là một đường truyền “backbone” tốc độ cao vận chuyển dữ liệu từ nhiều đường truyền người dùng tốc độ thấp

Tốc độ dòng là tốc độ bit của một đường truyền dữ liệu và được đo bằng bit/giây Trên những đường truyền tín hiệu số, các bit được truyền tại các thời điểm xác định, những thời điểm để truyền tín hiệu được gọi là “vị trí bit” Tốc độ dòng được biểu diễn bởi số vị trí bit trong một giây

Vị trí bit của một hệ thống truyền tín hiệu số đã được cố định, vì vậy bit không thể truyền với tốc độ lớn hơn tốc độ dòng của hệ thống Khoảng thời gian giữa hai vị trí bit liên tiếp trên một đường truyền tín hiệu tỉ lệ nghịch với tốc độ dòng và được gọi

là vị trí thời gian liên bit (inter-bit position time)

Tốc độ dữ liệu tối đa (PIR)

Tốc độ dữ liệu tối đa là tốc độ bit lớn nhất nhà cung cấp dịch vụ cam kết cung cấp cho người sử dụng Đối với một khách hàng cụ thể, tốc độ bit tối đa phụ thuộc vào tốc độ đường truyền của người dùng PIR của người dùng không thể lớn hơn

tốc độ dòng của người dùng đó Đơn vị tính PIR là byte/giây PIR đo tốc độ truyền gói tin IP, do đó nó đo được thông lượng các gói tin IP (bao gồm cả header), những thông tin khác do các tầng 1 và 2 thêm vào gói tin sẽ không được tính

Tốc độ dữ liệu cam kết (CIR)

Tốc độ dữ liệu cam kết là tốc độ truyền dẫn dữ liệu trung bình mà nhà cung cấp dịch vụ cam kết cung cấp cho người dùng tính trong một khoảng thời gian dài Đơn

vị tính CIR là byte/giây CIR tính toàn bộ kích thước gói tin IP, bao gồm cả header, các thông tin do các tầng 1, 2 thêm vào không được tính đến

Thông thường, việc truyền gói tin diễn ra theo từng thời điểm chứ không liên tục, khi các gói tin được truyền, tốc độ truyền sẽ đạt đến PIR Vì có các thời điểm đường truyền không hoạt động, tốc độ trung bình trong một khoảng thời gian dài CIR vì thế

sẽ nhỏ hơn PIR

Kích cỡ gói tin tối đa

Có 3 thông số kích cỡ gói tin tối đa được dùng trong việc điều hoà thông lượng: kích cỡ gói tin cam kết (CBS), kích cỡ gói tin vượt ngưỡng (EBS) và kích cỡ gói tin tối đa (PBS) CBS là kích cỡ gói tin tối đa được nhà cung cấp dịch vụ cam kết đảm bảo và xác định kích thước gói tin tối đa có thể truyền với tốc độ PIR mà vẫn đảm bảo tốc độ CIR EBS là thông số kích thước gói tin khác với EBS > CBS Những gói tin vượt ngưỡng EBS được đánh dấu đỏ CBS và EBS được dùng cùng với CIR PBS là thông số kích thước gói tin tối đa tương tự như CBS

1.3.3.3 Đo đạc thông lượng và đánh dấu màu

Có hai cơ chế đo đạc thông lượng và đánh dấu màu:

- Một tốc độ đánh dấu 3 màu (Single Rate Three Color Marker, srTCM)

- Hai tốc độ đánh dấu 3 màu (Two Rate Three Color Marker, trTCM)

Một tốc độ đánh dấu 3 màu

srTCM được mô tả bởi RFC 2697 và được dùng để điều hoà một tốc độ, tốc độ CIR Nó đo đạc tốc độ dữ liệu và dựa trên kết quả đo đạc sẽ đánh dấu các gói tin bằng 3 màu (theo thứ tự xanh, vàng, đỏ) hoặc 3 cấp độ khác nhau srTCM có 2 chế

độ hoạt động: chế độ không màu và chế độ có màu Trong chế độ không màu, srTCM giả định rằng gói tin đến chưa được mã màu, trong chế độ có màu, srTCM giả định gói tin đến đã được mã màu bởi một thành phần trước đó srTCM được cấu hình bằng cách thiết lập chế độ hoạt động và các giá trị CIR, CBS, EBS thích hợp Mục đích của srTCM là đảm bảo tốc độ trung bình trong thời gian dài của người dùng nằm trong khoảng CIR srTCM sử dụng 2 loại ống thẻ (token bucket), ống thẻ

C và ống thẻ E (hình dưới)

đều không đổi

Hình 1.10 Hoạt động của srTCM trong chế độ không màu

Hình trên mô tả hoạt động trong chế độ không màu của srTCM Một gói tin không màu độ lớn B byte đến đầu vào tại thời điểm t Đầu tiên, bộ đo so sánh độ lớn gói tin với độ lớn của ống C, Tc Nếu độ lớn gói tin nằm trong khoảng độ lớn của ống, B<=Tc, gói tin sẽ được đánh dấu bằng màu “xanh” Tc sau đó sẽ được gán giá trị bằng Tc – B

Nếu độ lớn của ống nhỏ hơn kích thước gói tin B, , B > Tc, bộ đo sẽ kiểm tra ống thứ hai, ống E Nếu độ lớn ống E lớn hơn B, B <= Te, gói tin được đánh dấu bằng

màu “vàng”, và Te = Te – B Vì ống C không được sử dụng trong trường hợp này, Tc

không thay đổi

Cuối cùng, nếu ống E cũng không đủ lớn, tức là B > Te, gói tin sẽ được đánh dấu bằng màu “đỏ” Trong trường hợp này, cả Te và Tc đều không đổi

Hai tốc độ đánh dấu 3 màu (trTCM)

trTCM được mô tả bởi RFC 2698 và được dùng để điều hoà PIR và CIR Giống như srTCM, trTCM cũng có 2 chế độ hoạt động: không màu và có màu trTCM được cấu hình bằng cách thiết lập chế độ hoạt động và các giá trị PIR, CIR, PBS và CBS trTCM hoạt động với 2 ống thẻ, ống thẻ C và ống thẻ P Ống thẻ C được dùng

để theo dõi CIR, ống thẻ P được dùng để theo dõi PIR Hình 1.11 mô tả ống thẻ C và

P cho trTCM Giống như srTCM, độ lớn của ống C bằng CBS, thông số Tc của nó được cập nhật với tốc độ CIR Độ lớn của ống P bằng PBS và tốc độ cập nhật bằng với tốc độ PIR

là B > Tp, gói tin sẽ được đánh dấu đỏ, và các giá trị Tc và Tp không thay đổi

Tc>= B Màu đỏ

Hình 1.12 Hoạt động của trTCM trong chế độ không màu

Nếu ống P đủ lớn, tức là Tp >=B, kích thước gói tin B sẽ được so sánh với bộ đếm thẻ của ống C, Tc Nếu Tc < B, gói tin sẽ được đánh màu vàng và Tp = Tp – B Nếu, ngoài điều kiện Tc >= B, ống P đủ lớn, tức là Tp >= B, gói tin sẽ được đánh màu vàng và Tp = Tp – B và Tc = Tc – B

1.3.4 Quản lý hàng đợi

1.3.4.1 Phương thức Tail drop

Cơ chế quản lý hàng đợi mặc định trong các bộ định tuyến là cơ chế Tail drop Đây là cơ chế quản lý hàng đợi bị động, trong đó tất cả các gói tin đến sẽ bị loại bỏ khi hàng đợi đã đầy Ưu thế của phương thức Tail drop là tính đơn giản của nó, tuy nhiên phương thức này gây ra một hiệu ứng được gọi là hiệu ứng Đồng bộ toàn cục TCP (TCP global synchronization)

Hiệu ứng này xảy ra như sau Khi bên gửi gói tin nhận được thông báo NACK cho biết gói tin TCP đã bị mất khi chạy trên mạng, nó giả định rằng gói tin đã bị mất

do tắc nghẽn tại điểm nào đó trong hệ thống Để làm giảm tắc nghẽn, máy gửi sẽ tự động giảm tốc độ truyền gói tin

Với phương thức Tail drop, khi bộ đệm đầy, các gói tin tới sẽ bị loại bỏ Nếu những gói tin này là các gói tin TCP, tất cả các phiên TCP liên quan sẽ giảm tốc độ

và tăng tốc độ trở lại cùng lúc Vì các phiên TCP bị ảnh hưởng phản ứng một cách đồng bộ, tình trạng bị tắc nghẽn sẽ dao động giữa tắc nghẽn cực đại và không bị tặc nghẽn Hiện tượng này gọi là hiện tượng Đồng bộ toàn cục TCP, và gây ra lãng phí trong việc sử dụng tài nguyên mạng

Quản lý hàng đợi chủ động (Active Queue Management, AQM) là một cơ chế khống chế tắc nghẽn và mục tiêu chính là ngăn chặn hiện tượng đồng bộ TCP Ý tưởng chính của AQM là dự đoán trước sự bắt đầu tắc nghẽn và thực hiện các biện pháp nhằm ngăn chặn hoặc giảm nhẹ tác động của việc tắc nghẽn Trong phần sau

sẽ trình bày 3 phương thức AQM:

- Loại bỏ sớm ngẫu nhiên (Random Early Discarding, RED)

- Loại bỏ sớm dựa trên trọng số (Weighted Random Early Discarding, WRED)

- Thông báo tắc nghẽn tường minh (Explicit Congestion Notification, ECN)

1.3.4.2 Loại bỏ sớm ngẫu nhiên (RED)

RED phát hiện sớm khi bắt đầu tắc nghẽn và loại bỏ các gói tin khỏi bộ đệm một cách ngẫu nhiên Hình 1.13 biểu diễn mô hình hoạt động của cơ chế RED AQM Như trên hình cho thấy, thành phần chính của RED bao gồm một thuật toán dự đoán tắc nghẽn và một cơ chế loại bỏ gói tin

Nhiệm vụ chính của module dự đoán tắc nghẽn là đánh giá lưu lượng dữ liệu trong bộ đệm theo thời gian và phát hiện bất kì nguy cơ tắc nghẽn nào có thể xảy ra Phương pháp đơn giản nhất là theo dõi độ dài hàng đợi và xác định trạng thái tắc nghẽn dựa trên độ đầy của hàng đợi so với kích thước bộ đệm B

Người ta còn sử dụng một thuật toán dự đoán tắc nghẽn phức tạp hơn, trong đó bao gồm việc tính toán độ dài hàng đợi tại một thời điểm nhất định Đầu ra của module dự đoán tắc nghẽn là giá trị trọng số trung bình của hàng đợi, ηN Theo cách này ηN có thể được coi là thông số dự báo tắc nghẽn Ta định nghĩa tỉ lệ % làm đầy

bộ đệm α như sau:

α = ηN/B

với ηN là độ dài hàng đợi trung bình có trọng số và B là độ lớn bộ đệm

Module dự đoán tắc nghẽn Profile loại bỏ gói tin

Bộ loại bỏ gói tin

X

Tỉ lệ sử dụng bộ đệm α (%)

Xác xuất loại bỏ gói tin p

RED

Độ dài hàng đợi tức thời N

Các gói tin vào

Độ dài hàng đợi N

Kích thước

bộ đệm B

X

X Các gói tin bị loại bỏ ngẫu nhiên

Module tiếp theo của RED là một profile loại bỏ gói tin Hình 1.14 mô tả khái niệm một profile loại bỏ gói tin Các gói tin sẽ không bị loại bỏ nếu α vẫn nhỏ hơn một giá trị nhỏ nhất xác định trước là αmin Nếu α > αmax, RED sẽ được kích hoạt Nếu α nằm dưới ngưỡng αmax, hàng đợi sẽ hoạt động trong chế độ tail drop ảo Trong chế độ này, hàng đợi sẽ hoạt động với giả định bộ đệm đã đầy mặc dù bộ đệm có thể vẫn còn chỗ trống Với α nằm trong khoảng αmin và αmax, xác xuất loại bỏ gói tin p được xác định bằng một hàm xác định trước p = f(α), ví dụ một hàm tuyến tính như hình vẽ Profile loại bỏ gói tin được cấu hình trước bằng cách xác định 3 thông số, αmin, αmax và hàm số p = f(α)

Hình 1.14 Profile loại bỏ gói tin RED

Bằng cách loại bỏ ngẫu nhiên các gói tin trước khi xảy ra tắc nghẽn, cớ chế RED

có khả năng ngăn chặn được hiện tượng đồng bộ toàn cục TCP Vì các gói tin UDP không biết tới việc loại bỏ gói tin, cơ chế RED không có tác dụng đối với các luồng thông tin UDP Trên thực tế, nếu dữ liệu truyền đi chỉ bao gồm các gói tin UDP hoặc phần lớn là UDP, khi đó không nên sử dụng cơ chế RED vì việc loại bỏ gói tin sẽ không có tác dụng đối với thông lượng UDP và sẽ lãng phí các gói tin một cách không cần thiết

Việc sử dụng RED yêu cầu phải thận trọng trong việc cấu hình các thông số của RED và thường đòi hỏi nhiều kinh nghiệm thực tế Một thuật toán RED cho α và một cấu hình loại bỏ gói tin không phù hợp, loại bỏ quá nhiều gói tin sẽ dẫn đến lãng phí tài nguyên mạng

1.3.4.3 Loại bỏ sớm dựa trên trọng số (WRED)

Cơ chế WRED chính là cơ chế RED với nhiều cấu hình loại bỏ gói tin khác nhau Với WRED, thay vì sử dụng một cấu hình loại bỏ gói tin cho tất cả các hàng đợi, người ta sử dụng nhiều cấu hình khác nhau cho những hàng đợi khác nhau Ngoài

ra, ngay trong một hàng đợi cũng có thể sử dụng nhiều cấu hình loại bỏ gói tin khác nhau

Ví dụ, 3 cấu hình loại bỏ gói tin có thể được áp dụng cho 3 màu của gói tin: cấu hình loại bỏ chặt nhất áp dụng cho gói tin màu đỏ, cấu hình loại bỏ gói tin lỏng nhất

áp dụng cho gói tin màu xanh, … Ngoài ra người ta có thể sử dụng nhiều cách kết hợp khác để cho hiệu quả tốt nhất

1.3.4.4 Thông báo tắc nghẽn tường minh (ECN)

Phương pháp ECM là một phương pháp quản lý tắc nghẽn áp dụng cho các thông lượng TCP, được đưa ra trong RFC 2481

XX

Hình 1.15 mô tả phương pháp ECN Trong phương pháp ECN, sự kiện tắc nghẽn được thông báo cho các hệ thống cuối bằng cách đánh dấu một số trường thích hợp trong header TCP và IP thay vì loại bỏ các gói tin Vì thế, sự khác biệt chính giữa RED và ECN là trong cơ chế RED, các gói tin bị loại bỏ một cách ngẫu

nhiên, trong khi đó với ECN, các gói tin được chọn ngẫu nhiên để đánh dấu có tắc nghẽn và tiếp tục truyền đi thay vì bị loại bỏ ECN cũng sử dụng dùng thuật toán với RED để lựa chọn các gói tin cần đánh dấu

Đánh dấu ECN trong IP header

Phương pháp ECN đánh dấu cả TCP và IP header ECN sử dụng 2 bit dành sẵn trong TCP và IP header 2 bit cuối trong 8 bit của trường Type of Service (TOS) của IPv4 header và 8 bit trong trường Traffic Class (TC) của IPv6 header được sử dụng

để đánh dấu ECN trong các gói tin IP Với DiffServ, các trường TOS và TC bị ghi đè bởi trường DiffServ (DS)

Hình 1.16 biểu diễn bit ECT và CE được dùng cho ECN Bit thứ 7 từ trái sang được gọi là bit ECN-Capable Transport (ECT) và bit cuối cùng (bit thứ 8) được gọi là bit CE (Congestion Experienced)

Bit ECT được thiết lập bởi ứng dụng TCP nguồn và báo hiệu với bộ định tuyến rằng các gói tin có khả năng hỗ trợ ECN Khi một bộ định tuyến dự đoán tắc nghẽn,

nó sẽ thiết lập bit CE trong các gói tin có bit ECT đã được thiết lập để báo hiệu cho

hệ thống cuối biết đã xảy ra tắc nghẽn Các bộ định tuyến nhận được các gói tin này

có thể loại bỏ gói tin nếu hàng đợi đã đầy, giống như trong phương pháp RED hay Tail drop

Đánh dấu ECN trong header TCP

ECN còn định nghĩa 2 cờ bằng cách sử dụng 2 bit trong TCP header 2 cờ này được mô tả trong RFC 2481: cờ ECN-Echo và cờ CWR (Congestion Window Reduced)

Thao tác bắt tay và hoạt động của ECN

Máy nguồn và đích TCP sử dụng cờ Echo và cờ CWR của trường dành riêng trong TCP header và các bit SYN, ACK cho việc bắt tay trong cơ chế ECN Hình 1.17

mô tả giao thức bắt tay ECN giữa đích và nguồn dữ liệu TCP

TCP header

Mạng IP

Trường RESV CWR=1 ECN Echo=1

Trường Mã SYN=1 ACK=0

Gói tin

Gói tin TCP

Trường RESV CWR=0 ECN Echo=1

Trường Mã SYN=1 ACK=1

Gói tin IP

2Gói tin TCP

Trường RESV CWR=0 ECN Echo=0

Trường Mã SYN=0 ACK=1

Gói tin

Gói tin TCP

Hình 1.17 Thao tác bắt tay của các máy đầu cuối TCP

Hình 1.18 mô tả hoạt động của ECN sau quá trình bắt tay ban đầu Gói tin IP đi

từ máy nguồn với bit ECT được thiết lập và bit CE bị xoá Bit CE được chuyển thành

0 tại bộ định tuyến phát hiện ra có sự tắc nghẽn Máy đích nhận dữ liệu chuyển bit Echo thành 1 trong gói tin TCP ACK để thông báo với nguồn gửi tin là có tắc nghẽn trên mạng

Hình 1.18 Hoạt động của ECN

1.3.5 Sắp xếp gói tin

Để mô tả quá trình sắp xếp gói tin, ta có thể liên tưởng đến mô hình thu phí cầu đường trong giao thông Giả sử rằng có nhiều làn đường dẫn đến cổng thu phí, nhưng chỉ có 1 làn đường từ cổng thu phí đi ra Về cơ bản, làn đường đi ra phải có tốc độ cao hơn các làn đường vào, mặc dù tổng lưu lượng của nó có thể nhỏ hơn tổng lưu lượng của các làn đường vào Đối với hệ thống mạng, các làn đường ra và vào cổng thu phí giống như các hàng đợi trong bộ định tuyến, các phương tiện giao thông giống như các gói tin, cổng thu phí giống như cổng ra và làn đường ra giống như đường kết nối ra ngoài Giống như mô hình cổng thu phí, trong một bộ định tuyến IP, chỉ có 1 gói tin có thể truyền ra đầu ra tại một thời điểm Vì thế, nhiệm vụ của việc sắp xếp gói tin là phải sắp xếp các gói tin trong hàng đợi sao cho băng thông cố định của đầu ra được phân phối một cách tối ưu cho các loại thông lượng

Hình 1.19 Mô hình khái niệm một bộ sắp xếp gói tin

Hình 1.19 mô tả cơ chế sắp xếp gói tin trong một bộ định tuyến Cơ chế sắp xếp gói tin được áp dụng trên từng cổng ra Các gói tin đến cổng vào 1 đến n đầu tiên được định tuyến tới cổng ra 1 đến m dựa theo đích đến của chúng trong bảng định tuyến Với mỗi cổng ra, các gói tin được phân loại và đưa vào hàng đợi Sau đó cơ chế sắp xếp gói tin được áp dụng cho các hàng đợi này Người ta thường sử dụng các phương pháp sắp xếp sau:

- Vào trước ra trước (First In First Out, FIFO)

- Xếp hàng ưu tiên (Priority Queuing, PQ)

- Xếp hàng công bằng (Fair Queuing, FQ)

- Xếp hàng theo vòng tròn có trọng số (Weighted Round Robin, WRR)

- Xếp hàng công bằng có trọng số (Weighted Fair Queuing, WFQ)

- Xếp hàng công bằng có trọng số theo lớp (WFQ theo lớp)

1.3.5.2 Vào trước ra trước (FIFO)

Cơ chế FIFO là cơ chế đơn giản nhất trong việc sắp xếp gói tin Với FIFO, các gói tin được xếp vào một hàng đợi duy nhất theo thứ tự đến và được gửi đi theo đúng thứ tự đó Giống như Tail drop, ưu điểm của FIFO là tính đơn giản, không cần phải dử dụng một thuật toán đặc biệt cho FIFO, chỉ cần một bộ đệm có thể lưu trữ các gói tin đến và gửi các gói tin đi theo thứ tự đó

Nhược điểm của FIFO là đối xử với các gói tin như nhau, do đó nó không phân biệt các loại thông lượng dữ liệu (hoặc chỉ có khả năng phân biệt rất ít), vì thế nếu xảy ra tắc nghẽn, các loại thông lượng dữ liệu đều phải chịu tác động như nhau FIFO chỉ có một số tính năng cơ bản để phân biệt các loại thông lượng dữ liệu dựa vào màu sắc gói tin Ngay cả trong trường hợp này, FIFO cũng có một nhược điểm

là nó không xử lý các gói tin TCP và UDP giống nhau, FIFO có xu hướng ưu tiên UDP hơn TCP khi xảy ra tắc nghẽn

1.3.5.3 Xếp hàng ưu tiên (PQ)

Bộ phân loại gói tin

Cổng ra

Bộ sắp xếp gói tin

Giống như FIFO, ưu điểm của PQ là tính đơn giản Nhược điểm chính của OQ là

PQ gây ra hiệu ứng “đói” đối với các hàng đợi có mức ưu tiên thấp Nếu các hàng đợi có mức ưu tiên cao luôn có gói tin cần xử lý, các hàng đợi có mức ưu tiên thấp

với các mạng có thông lượng dữ liệu ưu tiên cao ít Vì lưu lượng dữ liệu ưu tiên cao

là nhỏ, ảnh hưởng của nó lên các loại thông lượng dữ liệu khác sẽ không lớn và ít gây ra hiệu ứng “đói”

PQ là cơ chế đơn giản và thuận tiện để tạo các hàng đợi phục vụ cho dữ liệu thời gian thực, ví dụ tiếng nói, video trên mạng IP Các dữ liệu thời gian thực như tiếng nói hay video thường sử dụng UDP Việc dùng PQ cho TCP phải hết sức cẩn thận vì hoạt động của TCP khi xảy ra tắc nghẽn có thể làm nghiêm trọng thêm tình hình đối với các hàng đợi còn lại

Mô hình PQ đề cập ở trên là mô hình PQ chặt Để ngăn chặn hiện tượng “đói” và đảm bảo một lượng nhất định băng thông dành cho các hàng đợi mức ưu tiên thấp, người ta sử dụng cơ chế PQ giới hạn tốc độ Trong cơ chế này, các gói tin ở hàng đợi có mức ưu tiên cao chỉ được xử lý trước các gói tin ở hàng đợi ưu tiên thấp nếu lưu lượng dữ liệu ở hàng đợi ưu tiên cao vẫn nằm trong một giới hạn thiết lập trước

1.3.5.4 Xếp hàng công bằng (FQ)

Bộ phân loại gói tin

Cổng ra

Bộ sắp xếp gói tin

FQ có 2 nhược điểm chính Thứ nhất, vì băng thông đầu ra được chia đều cho N hàng đợi, nếu dữ liệu đầu vào có yêu cầu đặc biệt về băng thông, FQ sẽ không thể phân phối băng thông đầu ra theo yêu cầu của loại dữ liệu đó Thứ hai, vì cả một gói tin được truyền đi mỗi lần xử lý hàng đợi, kích cỡ gói tin sẽ ảnh hưởng đến việc phân phối băng thông cho các hàng đợi Ví dụ, nếu một hàng đợi nhất định có các gói tin kích cỡ lớn hơn các hàng đợi khác, hàng đợi đó sẽ lấy nhiều hơn 1/N băng thông đầu ra

1.3.5.5 Xếp hàng theo vòng tròn có trọng số (WRR)

Bộ phân loại gói tin

W 1

W i

W m

Số thứ tự các FQ

Hình 1.22 Xếp hàng theo vòng tròn có trọng số (WRR)

Cơ chế WRR giải quyết nhược điểm đầu tiên của FQ, không thể phân phối băng thông đầu ra theo yêu cầu của dữ liệu đầu vào WRR chia băng thông đầu ra cho các lớp dữ liệu đầu vào dựa theo yêu cầu của dữ liệu

Hình 1.22 mô tả cơ chế WRR Đầu tiên, các luồng dữ liệu đầu vào được nhóm thành m lớp và băng thông đầu ra cũng được chia thành m lớp tương ứng với yêu cầu băng thông của m lớp đầu vào Trong mỗi lớp, các luồng dữ liệu lại được sắp xếp bởi cơ chế FQ

Nhu trên hình 1.22, WRR sử dụng 2 cơ chế sắp xếp theo vòng tròn Đầu tiên, các lớp từ 1 đến m được xử lý bởi bộ sắp xếp gói tin theo thứ tự vòng tròn Sau đó trong mỗi lớp, các hàng đợi FQ lại được xử lý theo vòng tròn lần thứ hai

Tỉ lệ % băng thông gán cho lớp i có thể xác định bằng % số thời gian bộ sắp xếp gói tin xử lý lớp i Ví dụ, giả sử lớp i được chia 20% băng thông đầu ra, Wi = 20% Bộ sắp xếp gói tin sẽ dùng 20% thời gian để xử lý các hàng đợi trong lớp i, trong lớp i,

bộ sắp xếp lại dùng 1/Ni thời gian để xử lý từng hàng đợi FQ của lớp i Bằng cách sử dụng Wi thay vì chia đều băng thông thành 1/m, WRR có thể tạo ra m lớp dữ liệu khác nhau với các yêu cầu về băng thông đầu ra khác nhau, do đó giải quyết được nhược điểm đầu tiên của FQ

1.3.5.6 Xếp hàng công bằng có trọng số (WFQ)

Mặc dù WRR giải quyết được nhược điểm đầu tiên của FQ, WRR không giải quyết được nhược điểm thứ hai, kích cỡ gói tin làm ảnh hưởng đến việc phân chia băng thông, vì WRR sử dụng FQ trong mỗi lớp dữ liệu WFQ giải quyết nhược điểm này bằng cách chia các luồng dữ liệu đầu ra vào m hàng đợi giống như FQ, tuy nhiên, băng thông đầu ra được chia cho m hàng đợi theo trọng số thích hợp xác định bới yêu cầu băng thông của m lớp, thay vì chia đều Với FQ, mỗi hàng đợi gửi đi 1 gói tin trong quá trình xử lý Với WFQ, bộ sắp xếp gói tin gửi gói tin từ các hàng đợi dựa theo thứ tự thời gian tính toán cần thiết để gửi gói tin

Bộ xử lý gói tin xử lý các hàng đợi theo vòng tròn, mỗi lần xử lý chỉ lấy 1 bit từ hàng đợi, thay vì lấy cả 1 gói tin Bộ lắp ghép gói tin sẽ thu thập các bit này, khi một gói tin được lắp ghép xong, gói tin sẽ được gửi đi Nhờ thế, gói tin có kích thước lớn

sẽ phải đợi lâu hơn mới được lắp ghép và gửi đi Đây là mô hình lý thuyết, không được dùng trong thực tế

Bộ phân loại gói tin

Bộ sắp xếp gói tin

Hình 1.23 Xếp hàng công bằng có trọng số (WFQ)

Hình 1.23 mô tả cơ chế WFQ WFQ tính toán thời gian cần thiết để truyền gói tin

và gửi gói tin đến cổng ra dựa theo thời gian gửi gói tin tính toán được đó

1.3.5.7 Xếp hàng công bằng có trọng số theo lớp (CB WFQ)

Bộ phân loại gói tin

W 1

W i

W m

Số thứ tự các WFQ

Hình 1.24 Xếp hàng công bằng có trọng số theo lớp (CB WFQ)

Hình 1.24 mô tả cơ chế CB WFQ CB WFQ tương tự như WRR, trong CB WFQ, các luồng dữ liệu đầu vào được nhóm thành m lớp và băng thông đầu ra được chia cho m lớp này theo các trọng số thích hợp xác định bởi các yêu cầu về băng thông của m lớp Sự khác biệt giữa CB WFQ và WRR nằm trong mỗi lớp Với CB WFQ, trong một lớp, các luồng dữ liệu được sắp xếp theo cơ chế WFQ, trong khi đối với WRR, các luồng này được xử lý theo cơ chế FQ

1.3.6 Điều tiết thông lượng

Điều tiết tốc độ thông lượng là việc thay đổi tốc độ luồng dữ liệu vào để luồng dữ liệu ra ổn định hơn Nếu dữ liệu vào dồn dập và không ổn định, nó cần được đưa vào bộ đệm một phần sao cho đầu ra bộ đệm ổn định hơn

Bằng cách này, điều tiết thông lượng làm cho luồng dữ liệu hoạt động theo như các yêu cầu đã đặt ra cho nó, tức là để đảm bảo SLA Có 2 loại điều tiết thông lượng: điều tiết thông lượng thuần tuý và điều tiết thông lượng theo ống thẻ

1.3.6.1 Điều tiết thông lượng thuần tuý

Hình 1.25 Điều tiết thông lượng thuần tuý

Hình 1.25 mô tả bộ điều tiết thông lượng thuần tuý Các gói tin đầu vào được đưa vào bộ đệm, còn gọi là “thẻ”, với độ sau d, và được gửi đi với một tốc độ cố định, tốc độ này còn được goi là tốc độ rò, r

Bộ điều tiết thông lượng thuần tuý không cho phép dữ liệu ra dồn dập, thông thường, tốc độ rò r nhỏ hơn nhiều so với tốc độ đường truyền C Tuy nhiên, tốc độ rò

r đặt ra giới hạn trên cho tốc độ luồng dữ liệu ra, vì nó không cho phép từng luồng

dữ liệu lớn chạy trên kết nối ra Nếu lưu lượng dữ liệu vượt quá đọ sâu của thẻ d, các gói tin vượt quá sẽ bị loại bỏ

1.3.6.2 Điều tiết thông lượng bằng ống thẻ