Đánh giá hiệu năng đảm bảo chất lượng dịch vụ trên nền mạng IP qua mô hình Diffserv

Trường 6 bit này được biết như là trường dịch vụ phân biệt (trường DS) và được đánh dấu với một mẫu bit đặc biệt gọi là DSCP dùng để chỉ ra cách thức mỗi bộ định tuyến cần xử lý gói..[r]

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRÊN NỀN MẠNG IP QUA MÔ HÌNH DIFFSERV

Nguyễn Thị Phương Nhung 1* , Lê Đình Thanh 2

, Hồ Sĩ Đàm 2

1 Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên,

2 Trường Đại học Công nghệ - ĐH Quốc gia Hà Nội

TÓM TẮT

Chất lượng dịch vụ (QoS) là một thành phần quan trọng của các mạng gói đa dịch vụ Các mạng hỗ trợ QoS có thể cung cấp đồng thời các loại dịch vụ khác nhau bằng cách xử lý hợp lý lưu lượng ở điểm tắc nghẽn DiffServ đang trở thành kiến trúc QoS phổ biến trong các mạng gói IP

Bài viết giới thiệu cách thức hoạt động của mô hình DiffServ, cách thức xử lý gói và mỗi loại lưu lượng được ánh xạ tới một PHB (Per-Hop Behavior) Các PHB được thực hiện tại các bộ định tuyến bằng cách xếp hàng và quản lý ở điểm tắc nghẽn Vì vậy, bằng cách ánh xạ các loại lưu lượng tới PHB khác nhau, bộ định tuyến có thể đảm bảo chất lượng các dịch vụ mạng

Ngày nay, với sự bùng nổ của Internet, việc sử dụng Internet rất đa dạng và phong phú, vì vậy, tầm quan trọng của việc đảm bảo chất lượng dịch vụ cho mạng IP ngày càng tăng Bài viết đưa ra những lợi thế của DiffServ đối với kiến trúc IP và đánh giá hiệu năng của mô hình DiffServ qua

mô phỏng

Từ khóa: Mô hình DiffServ, QoS



ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay, Internet đã trở thành công nghệ tiêu

chuẩn, kết nối mở các hệ thống tính toán và

các mạng thông tin không đồng nhất Với sự

ra đời của các nhà cung cấp dịch vụ Internet

(ISP - Internet Service Provider), việc ổn định

“chất lượng của Internet” cần phải được đảm

bảo Điều đó có nghĩa là các nhà cung cấp

Internet tạo ra cho người dùng những dịch vụ

đa dạng, phong phú và cốt yếu là phải đảm

bảo chất lượng dịch vụ đó

Mạng Internet cung cấp dịch vụ trên cơ sở phục

vụ theo khả năng tối đa BE (Best-Effort), tức là

không có bất cứ một cam kết nào được đưa ra từ

phía nhà khai thác về chất lượng dịch vụ Thay

vào đó, tùy 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 là nguyên nhân chủ yếu thúc đẩy

nghiên cứu mạnh mẽ về QoS trên nền mạng

IP trong những năm gần đây

Trước đây có ba phương pháp thường được

sử dụng để đảm bảo chất lượng dịch vụ cho

mạng IP Nhưng trên thực tế, các mô hình



Tel: 0983829123, Email: nhungktpm@gmail.com

này không thực sự đảm bảo được QoS xuyên suốt (end-to-end)

Đã có nhiều cố gắng để thay đổi điều này nhằm đạt được một mức QoS cao hơn cho mạng IP và một trong những cố gắng đó là

sự ra đời của mô hình dịch vụ phân biệt

DiffServ sử dụng việc đánh dấu gói và xếp hàng theo loại để hỗ trợ các dịch vụ ưu tiên qua mạng IP

Một số tham số đặc trưng cơ bản của QoS được xác định:

- Độ trễ thực hiện kết nối mạng;

- Lưu lượng đường truyền dữ liệu;

- Tỉ suất lỗi;

- Xác suất hủy bỏ kết nối…

Việc đánh giá hiệu năng mạng máy tính được thực hiện thông qua đánh giá một tập hợp các đặc trưng cơ bản nói trên Tuy nhiên đó là tập hợp mở, chúng liên tục được bổ sung và điều chỉnh, phụ thuộc vào từng mô hình cụ thể ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRÊN NỀN MẠNG IP – QOS IP

IETF [ETSI - TR102] nhìn nhận QoS là khả năng phân biệt luồng lưu lượng để mạng có các ứng xử phân biệt đối với các kiểu luồng

lưu lượng [5] QoS bao trùm cả phân loại hóa

dịch vụ và hiệu năng tổng thể của mạng cho

mỗi loại dịch vụ

Cho đến nay vẫn chưa có một khái niệm hoàn

chỉnh về chất lượng dịch vụ, mặc dù vậy ta có

thể hiểu chất lượng dịch vụ là điều kiện để

việc cung cấp dịch vụ truyền dữ liệu trên

mạng phù hợp với các ứng dụng và đảm bảo

sự nhận biết của người dùng Chất lượng dịch

vụ bao gồm tập hợp các tiêu chí đặc trưng cho

yêu cầu của từng loại lưu lượng cụ thể trên

mạng như độ trễ, jitter (sự thay đổi độ trễ), tỉ

lệ mất gói

Hình vẽ sau đây biểu diễn một mô hình QoS

tổng quát:

QoS

Hình 1 Mô hình QoS IP tổng quát

Mô hình dịch vụ phân biệt - DiffServ

Nhóm làm việc của IETF đã phát triển mô

hình DiffServ để hỗ trợ cho các ứng dụng thời

gian thực trên mạng Internet [8]

Cách tiếp cận của DiffServ không xử lý theo

từng luồng lưu lượng riêng biệt mà ghép

chúng vào một số lượng hạn chế các lớp lưu

lượng DiffServ hướng tới xử lý trong từng

dịch vụ phân biệt thay vì xử lý từ đầu cuối tới

đầu cuối như mô hình IntServ

Hình 2 Tổng quan mô hình DiffServ

Đối với mỗi loại dịch vụ, DiffServ định nghĩa

cách thức xử lý các gói IP tại các bộ định tuyến

lõi Gói IP của dịch vụ ưu tiên nhận được cách

xử lý chuyển tiếp nhanh (EF-PHB - Expedited Forwarding-Per Hop Behaviour), đối với gói IP của dịch vụ đảm bảo nhận được cách xử lý chuyển tiếp đảm bảo (AF-PHB - Assured Forwarding-Per Hop Behaviour) [6], [8]

Nguyên lý hoạt động của DiffServ

Khi bắt đầu đi vào mạng DiffServ tại bộ định tuyến biên, gói tin 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 tới luồng vi mô của gói IP

Các gói tin đến bộ định tuyến có thể đã được đánh dấu hoặc chưa đánh dấu, bộ định tuyến xác định điểm mã điều khiển dịch vụ DSCP của góitin và phân loại các gói tin theo phương pháp phân loại kết hợp hành vi BA (Behavior Aggressive) Các gói tin phân loại thành các lớp BA được chuyển tiếp theo hành

vi chuyển theo từng chặng PHB (Per Hop Behavior) được định nghĩa trước cho các BA Mỗi PHB được thể hiện bởi giá trị DSCP và

xử lý giống nhau đối với các gói tin trong cùng lớp BA

Hình 3 Mô hình các bước của DiffServ

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 tin nếu cần thiết 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 (loại bỏ gói hoặc làm trễ gói một thời gian nhất định trước khi chuyển tiếp)

Bộ định tuyến lõi có nhiệm vụ kiểm tra chủng

loại của gói IP và chuyển tiếp gói tin IP theo

cách gói tin đó được nhận, bao gồm định

tuyến cho gói, hoặc xếp gói vào bộ đệm thích

hợp nếu cần thiết

Mặc dù đã khắc phục được nhược điểm về

tính áp dụng rộng của IntServ nhưng mô hình

DiffServ chỉ có khả năng đảm bảo QoS cho

luồng IP tổng Hiện nay, mô hình DiffServ

vẫn chưa được các nhà cung cấp dịch vụ triển

khai trong mạng của họ cũng bởi nguyên

nhân là sự cần thiết phải đầu tư nâng cấp

mạng, thiếu động lực triển khai do tính tiện

lợi của cung ứng thừa dung lượng cũng lý giải

cho hiện trạng này

Các phương pháp xử lý gói trong DiffServ

Nhóm làm việc về DiffServ của IETF định

nghĩa hai loại PHB trong RFC 2598 [6], RFC

3246 và RFC 2597 [6]: Chuyển tiếp nhanh EF

(Expedited Forwarding) và Chuyển tiếp đảm

bảo AF (Assured Forwarding)

Chuyển tiếp nhanh EF PHB

Chuyển tiếp nhanh được yêu cầu đưa ra các

dịch vụ với khả năng tổn hao thấp, trễ thấp,

thay đổi trễ thấp và đảm bảo băng thông Một

bộ định tuyến EF phải đảm bảo lưu lượng EF

được đưa đến những bộ nhớ đệm nhỏ vì rung

pha và trễ gây nên bởi thời gian mà gói sử

dụng trong bộ nhớ đệm và hàng đợi

Khi xảy ra hiện tượng quá tải, nút biên miền

DS không cho phép lưu lượng dạng này đi

vào trong miền vì nó là nguyên nhân gây tắc

nghẽn tại các bộ định tuyến trong miền DS

Vấn đề này được điều chỉnh bởi thỏa thuận mức

dịch vụ SLA (Service Level Argreement) và

Hình 4 Xử lý chuyển tiếp nhanh EF PHB

Chuyển thiếp nhanh EF PHB khả thi nếu băng thông đầu ra và kích thước bộ nhớ đệm đủ để các luồng lưu lượng ra với tốc độ phục vụ μ Tốc độ phục vụ μ luôn lớn hơn tốc độ đầu vào

λ tại các bộ đệm EF

Nhóm chuyển tiếp đảm bảo AF PHB

Chuyển tiếp đảm bảo với đặc điểm phân phối

dữ liệu đảm bảo với khả năng mất gói thấp là điều kiện tốt nhất khi sử dụng các giao thức không thực hiện xử lý sửa lỗi hoặc không có giải pháp truyền lại gói

AF PHB bao gồm 4 lớp chuyển tiếp và mỗi lớp chuyển tiếp có 3 mức ưu tiên loại bỏ gói tin, mỗi lớp được gán một băng thông và khoảng nhớ đệm xác định Nếu một gói phải

bị loại bỏ, bộ định tuyến có cách nhận biết gói nào bị loại bỏ đầu tiên Ngoài ra, mỗi lớp chuyển tiếp được phân bổ một số lượng cực nhỏ băng thông và bộ nhớ đệm Nếu bộ nhớ đệm đầy, thì quá trình loại bỏ gói sẽ bắt đầu theo trật tự loại bỏ theo mức ưu tiên Các phân loại AF được thể hiện trên hình 5:

Hình 5 Các phân lớp AF PHB

Thực hiện đánh dấu gói:

Mỗi gói IP mang một byte gọi là octet ToS (Type of Service) Byte này chiếm một vài phần trăm của lưu lượng hiện nay, và được thiết lập bằng 0 Trong IPv6, có một byte tương đương gọi là byte loại lưu lượng Nhiệm vụ đầu tiên của nhóm làm việc DiffServ là xác định lại byte này, định nghĩa giống nhau cho IPv4 và IPv6 Trường 6 bit này được biết như là trường dịch

vụ phân biệt (trường DS) và được đánh dấu với một mẫu bit đặc biệt gọi là DSCP dùng để chỉ

ra cách thức mỗi bộ định tuyến cần xử lý gói Các gói DiffServ phải có một giá trị phù hợp trong trường DSCP Để nhấn mạnh việc không

có thông tin về phiên cần cất giữ, việc xử lý này

được biết như là một PHB ToS định nghĩa như

trong hình 6:

DSCP: Differentiated Services CodePoint

CU: currently unused

Hình 6 Cấu trúc của byte TOS

Trường DS 6 bit có thể bao gồm tới 64 giá trị

khác nhau Nói chung, 64 PHBs khác nhau là

cần thiết, nên một số codepoint dùng để dự trữ

Sử dụng đánh dấu:

Các PHB được xác định theo các giới hạn về

tài nguyên của chúng (bộ đệm, băng thông)

có quan hệ ưu tiên với các PHB khác, hay

trong các giới hạn về đặc điểm lưu lượng

tường minh (trễ, tổn thất) Các PHB này có

thể được dùng như là các khối làm sẵn để cấp

phát các tài nguyên và nên được định rõ như

một nhóm PHB chắc chắn Các nhóm PHB

thường chia sẻ áp dụng ràng buộc chung cho

mỗi PHB trong phạm vi nhóm, như chính

sách lập lịch gói hay quản lý bộ đệm

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG QUA MÔ

PHỎNG MÔ HÌNH DIFFSERV

Về chương trình mô phỏng NS2

NS (Network Simulator) là hệ thống mô

phỏng mạng, đặc biệt là các giao thức điều

khiển hoạt động của mạng, Chi tiết về

chương trình mô phỏng NS, xin tham khảo tại

[4], [9]

Định nghĩa các chính sách

Một bảng chính sách định nghĩa cho mỗi loại

chính sách điểm mã khởi đầu cũng như là một

hay hai điểm mã giảm mức Điểm mã khởi

đầu thường được gọi là “green code” và điểm

mã giảm mức thấp nhất là “red” Nếu có một

điểm mã khác ở giữa thì nó là “yellow”

Kịch bản mô phỏng

Mục đích của việc mô phỏng dùng mô hình

DiffServ để chỉ ra rằng có thể đánh dấu ưu tiên

các gói tin nhạy cảm mà không cần bất kỳ thông

tin nào của lớp vận chuyển, do đó sẽ đơn giản

hóa việc thực hiện đánh dấu ưu tiên các gói

Yêu cầu bài toán

Mở đầu cho phân loại dịch vụ: Hai mức ưu tiên được định nghĩa Mức cao hơn “gói tin vào” hay “green packets” và mức thấp hơn

“gói tin ra” hay “red packets” Chúng ta tập chung vào chính sách đơn giản nhất có sẵn trong NS: cửa sổ thời gian trượt (chính sách: srTCM, trTCM ) Một tốc độ cho phép CIR được định nghĩa cho mỗi router biên Trong phần mô phỏng thì khoảng thời gian mô phỏng là 120s

Mô hình khảo sát:

Mạng LAN khảo sát tô-pô và cấu hình:

Hình 7 Mô hình khảo sát

Trong mô hình trên, S0 S2 là các nút mạng E1, E2 là Egde có thể xem là các switch, giữa E2 và E2 là Core CBR là nguồn sinh lưu lượng Null là đích của nguồn CBR

Kịch bản

Các thông số và kịch bản của thí nghiệm:

Chính sách sử dụng là srTCM

Kết quả mô phỏng:

Với mục đích của thí nghiệm là xác định và vẽ

đồ thị sự thay đổi theo thời gian mô phỏng của hệ

số sử dụng đường truyền của kết nối UDP Kết quả thu được như sau:

S0

E1

S2

E2 D1

D2

D3

UDP CBR

UDP CBR

Null

Null

Core

UDP CBR

Results S1

->D1

S2 ->

D2

S3 ->

Các luồng có cùng chính sách srTCM (Single

rate Three Color Marker – bộ đánh dấu 3 màu

tốc độ đơn) nhưng thay đổi tốc độ của mỗi

luồng ta nhận thấy:

S1 ->D1 tỷ thành công các gói tin gửi đi là

100%, ngược lại, S2 -> D2 với tốc độ lớn hơn

S3 -> D3 tăng tốc độ lên 700 thì tỷ lệ thành

công của gói tin gửi đi chỉ đạt  35%

Hình 8 Đồ thị mô tả mất gói trong khoảng thời

gian 120s

Từ sơ đồ của hình vẽ ta nhận thấy, trong

khoảng thời gian 120s các gói tin đi từ S1 ->

D1 không bị mất mát trong quá trình truyền

đi Tỷ lệ mất gói tin lớn nhất nằm trên luồng

E1 -> E2 và tỷ lệ mất gói tăng theo thời gian

mô phỏng

Kết quả tính độ trễ và biến thiên trễ:

Luồng S1 -> D1 với lớp lưu lượng EF có độ

trễ và biến thiên trễ nhỏ nhất trong khoảng

thời gian 120s với độ trễ là 0.05579, biến

thiên trễ 0.001621 Luồng S3 -> D3 với lớp

lưu lượng BE có tỷ lệ mất gói lớn nên độ trễ

và biến thiên trễ cao hơn hẳn so với luồng S1

-> D1, đường đồ thị màu xanh (blue) thể hiện

rõ nét độ trễ hàng đợi của lớp lưu lượng BE

Mất gói: kiểm tra ảnh hưởng của tốc độ đánh

dấu CIR đến xác suất mất gói tin và của gói

tin dữ liệu đầu tiên trong kết nối, ta thấy rằng cần giảm việc mất gói tin cho cả hai để đạt được tốc độ CIR như mong muốn Những gói tin dễ bị tấn công làm giảm hiệu suất đáng kể

vì chúng gây ra thời gian gián đoạn dài Trong mạng tốc độ cao thời gian truyền file rất ngắn (tổng thời gian truyền ngắn hơn nhiều thời gian time-out), vì thế ta mang muốn đạt hiệu suất cao hơn bằng cách loại trừ thời gian time-out này Trong mạng tốc độ thấp thì việc loại trừ thời gian time-out là không cần thiết

Thông lượng: các luồng lưu lượng CBR0,

khoảng thời gian như nhau nhưng thông lượng trung bình khác nhau Với đường truyền phù hợp thì hiệu suất về thông lượng

và độ trễ của UDP đạt được sẽ cao

KẾT LUẬN Với sự phát triển bùng nổ của Internet và xu thế trở thành cơ sở hạ tầng thống nhất về thông tin máy tính nói riêng và thông tin liên lạc nói chung, yêu cầu tích hợp các dịch vụ

số liệu, tiếng nói và hình ảnh trên Internet càng trở nên cấp bách hơn bao giờ hết Hiện nay, nhóm làm việc DiffServ của IETF

đã đưa ra các khuyến nghị liên quan đến việc triển khai DiffsServ trên mạng IP, đồng thời DiffServ cũng đã được triển khai thực tế với mạng khoa học và giáo dục quốc gia của Hy Lạp (GRNET) Với những ưu điểm vượt trội của DiffServ và xu hướng phát triển của mạng viễn thông, DiffServ đang trở thành kiến trúc QoS phổ biến hiện nay cũng như trong tương lai

HƯỚNG PHÁT TRIỂN Phát triển và xây dựng mô hình đảm bảo chất lượng theo hướng tích hợp các mô hình ứng dụng vào hệ thống mạng thực tế nhằm tận dụng những ưu điểm mà các mô hình mang lại

Nghiên cứu mô hình CQS - một mô hình khá mới trong mạng Internet Mô hình CQS giúp làm tăng khả năng xử lý cho router trong vấn

đề định tuyến các dịch vụ tích hợp Nghiên

cứu công nghệ Multimedia trên mạng IP

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Thị Phương Nhung, “Giải pháp đảm

bảo chất lượng dịch vụ trên nền mạng IP, đánh

giá, so sánh mô hình IntServ và DiffServ ”, Luận

văn Thạc sỹ Công nghệ thông tin, Đại học Công

nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, 12/2009

[2] Trần Tuấn Hưng, “Phát triển và triển khai các

giải pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ trên nền

mạng IP”

[3] Vũ Duy Lợi, Nguyễn Văn Vỵ, “Về đảm bảo

chất lượng dịch vụ trên Internet”

[4] Eitan Altman & Tania Jimenez, "Ns simulator

for beginners", 2003-2004

[5] I Gojmerac, F Hammer, F Ricciato, H T Tran, T Ziegler, (authors in alphabetical order),

"Scalable QoS: state-of-the-art architectural solutions and developments", Technical report,

FTW-TR-2004-003 [6] S Blake, D Black, M Carlson,

E,Davies, Z Wang, W Weiss: “An Architecture for differentiated service”, RFC

2475, December 1998 7] R Braden, D Clark and S Shenker,

"Integrated Services in the Internet Architecture:

an Overview", RFC1633, June 1994

[8] The IETF Differentiated Services Working Grouphomepage,

http://www.ietf.org/html.charters/diffserv-charter.html

[9]http://www.isi.edu/nsnam

SUMMARY

PERFORMANCE EVALUATION THE GUARANTEED QUALITY OF SERVICE ON IP NETWORKS OF DIFFSERV MODEL

Nguyen Thi Phuong Nhung1 , Le Dinh Thanh2, Ho Si Dam 2

1 Thai Nguyen University of Technology

2 University of Technology - Hanoi National University

We present an overview about the model of differentiated services on the Internet according to the IETF recommendation In the first section, we analyze the requirements of guaranteed Quality of Services of applications

in general and of real-time applications in particular

Presented an overview about assurance quality of services on the IP network Learning the model of differentiated services DS

Nowadays, Performance Evaluation is one of the most important fields of information technology Evaluation of test results model of differentiated services for guaranteed Quality of Services through using the network simulation system NS