Chương 1 Chất lượng dịch vụ trong mạng IP
Trễ xếp hàng: khoảng thời gian gói nằm trên hàng đợi của router. Thời
gian này phụ thuộc vào số lượng cũng như kích thước của các gói đang
có trên hàng đợi và trên băng thông của interface. Đồng thời thông số
này cũng phụ thuộc vào cơ chế xếp hàng gói tin.
1.3.3.3 Độ trượt (Jitter)
Khái niệm độ trượt và độ trễ thường liên quan đến nhau. Một gói tin trong
mạng với các thành phần độ trễ thay đổi thì luôn tồn tại độ trượt. Vậy khi độ trượt
xảy ra thì có làm giảm đến chất lượng dịch vụ hay không? Đối với các ứng dụng dữ
liệu thì độ trượt không làm giảm chất lượng là bao nhưng một số dạng lưu lượng
khác như thoại được số hóa đòi hỏi các gói tin phải được truyền nhất quán tức là
khoảng cách giữa các gói tin là đồng bộ. Dạng lưu lượng này còn gọi là lưu lượng
đẳng thời (isochronous traffic). Dưới đây là một ví dụ để thấy rõ hơn về độ trượt.
Hình 1.1 Ví dụ về độ trượt
Xét 3 gói tin thoại đi từ máy 201 đến 301, thời gian truyền của mỗi gói tin là 20ms.
Nhưng khi đi đến máy 301 thì gói tin thứ 3 thời gian truyền đã tăng lên 30ms, vậy
10ms chính là độ trượt của gói.
1.3.3.4 Mất gói (loss)
Mất gói là một thông số quan trọng trong chất lượng dịch vụ, khi tỉ lệ mất gói
xảy ra trong mạng quá lớn thì cần phải có biện pháp để khắc phục. Ví dụ như trường
sửa lỗi FCS (Frame Check Sequence) sẽ kiểm tra các khung bị lỗi khi truyền trong
mạng. Các công cụ của QoS có thể làm giảm mất gói tin khi các hàng đợi quá đầy.
-5-
Chương 1 Chất lượng dịch vụ trong mạng IP
Ở các mạng hiện nay, số các gói tin bị mất do tỉ lệ lỗi bit là rất ít (tỉ lệ bit lỗi
BER 10
-9
là có thể chấp nhận) [2], đa số các gói tin bị mất là do bộ đệm và các hàng
đợi quá tải. Do đó việc khắc phục tình trạng mất gói trong mạng là cần thiết.
Hình 1.2 Mất gói trong mạng
1.3.4 Các giải pháp tăng QoS
1.3.4.1 Tăng băng thông
Hiện nay, một vài giải pháp để giải quyết vấn đề thiếu băng thông đã được đề ra:
Tăng dung lượng liên kết nhằm tạo ra một lượng băng thông thừa để đảm bảo
cho những người sử dụng hoặc các ứng dụng có yêu cầu băng thông lớn. Vấn
đề này xem có vẻ đơn giản, tuy nhiên sẽ tốn rất nhiều thời gian cũng như tiền
của để thực thi đề án này do những hạn chế trong thiết bị sẽ gây khó khăn
trong công việc nâng cao khả năng băng thông lên quá lớn.
Phân loại những lưu lượng thông tin thành các lớp và trao quyền ưu tiên
chiếm giữ băng thông tùy theo tầm quan trọng của từng loại hình thông tin.
Nén tải nhằm tăng dung lượng băng thông liên kết. Tuy nhiên, việc nén tải sẽ
làm tăng độ trễ trong việc truyền dẫn do phải cần khoảng thời gian dài để thực
hiện những thuật toán nhằm giải quyết việc nén dữ liệu.
Một cơ chế nén hiệu quả hơn đó là nén phần header. Cơ chế nén này đặc biệt
hiệu quả đối với những mạng có gói chứa dữ liệu nhỏ ( tỉ số tải trên header là
nhỏ).
1.3.4.2 Giảm trễ
Để giảm trễ trong mạng, dưới đây là một số giải pháp:
-6-
IP
Forwarding
IPIP
Tail-drop
IP IP
Chương 1 Chất lượng dịch vụ trong mạng IP
Tăng dung lượng liên kết, với một dung lượng băng thông vừa đủ trên liên kết
sẽ giúp rút ngắn chiều dài hàng đợi và như vậy gói sẽ không phải đợi lâu để
được truyền đi. Mặt khác, thời gian phát định kỳ sẽ được giảm xuống. Tuy
nhiên giải pháp sẽ không được khả thi do cùng việc tăng dung lượng thì giá
thành cũng sẽ tăng theo.
Một giải pháp có tính hiệu quả hơn đó là tạo ra một cơ cấu hàng đợi có hỗ trợ
quyền ưu tiên đối với những gói có yêu cầu độ trễ nhỏ bằng cách đưa các gói
tin này lên hàng đầu.
Nén tải sẽ giảm được kích thước của gói và từ đó sẽ tăng được băng thông
liên kết. Thêm vào đó, kích thước gói sẽ nhỏ hơn sau khi nén tải và gói sẽ yêu
cầu thời gian truyền ngắn hơn. Tuy nhiên, để thực hiện nén tải cần được thực
hiện thông qua các thuật toán phức tạp. Giải pháp này thường không được sử
dụng đối với những gói truyền trong môi trường có độ trễ nhỏ.
Việc nén header không là công việc tập trung xử lý chính mà nó sẽ được kết
hợp với các kỹ thuật khác để giảm độ trễ. Phương thức này đặc biệt phù hợp
với gói là voice.
Bằng cách giảm độ trễ truyền dẫn thì độ trượt cũng được giảm đáng kể.
1.3.4.3 Ngăn mất gói
Mất gói thông thường xảy ra khi router không còn thời gian bộ đệm phục vụ cho
việc xếp hàng đợi. Router sẽ thực hiện loại bỏ gói trong những trường hợp sau:
CPU bị nghẽn và không thể xử lý gói.
Router không còn không gian bộ đệm
CPU bị nghẽn và không thể ấn định một không gian bộ đệm nào cho các gói
mới
Lỗi khung (ví dụ CRC).
Sau đây là một số giải pháp giúp tăng ngăn chặn mất gói đối với các ứng dụng:
Tăng dung lượng liên kết để tránh nghẽn.
-7-
Chương 1 Chất lượng dịch vụ trong mạng IP
Đảm bảo đủ lượng băng thông và tăng không gian bộ đệm nhằm đáp ứng
được khi xảy ra bùng nổ thông tin.
Tránh nghẽn bằng cách loại bỏ gói trước khi nghẽn xảy ra. WRED sẽ được sử
dụng để thực hiện loại bỏ gói trước khi xảy ra nghẽn.
{{{
Hình 1.3 Tránh nghẽn ngăn mất gói
1.4 Các kiểu dịch vụ QoS trong mạng
Định nghĩa kiến trúc QoS ra đời vào giữa năm 1990, và cho đến nay nhóm
nghiên cứu IETF (Internet Engineering Task Force) đã định nghĩa hai dạng kiến trúc
QoS cho mạng IP đó là các dịch vụ tích hợp (IntServ) và các dịch vụ phân biệt
(DiffServ).
1.4.1 Dịch vụ tích hợp Intserv
Các dịch vụ tích hợp (Intserv) được nhóm nghiên cứu IETF đưa ra nhằm cung
cấp các dịch vụ end-to-end giữa các máy chủ cho các ứng dụng point-to-point và
point-to multipoint . Nó định nghĩa quá trình xử lý báo hiệu cho các luồng riêng biệt
và yêu cầu phải dự trữ một lượng băng thông và độ trễ nhất định. Để đảm bảo cho
mỗi dòng, IntServ mô tả hai thành phần: dự trữ tài nguyên và điều khiển lưu lượng.
Dự trữ tài nguyên cho phép luồng dữ liệu riêng biệt yêu cầu một lượng băng thông và
độ trễ thích hợp. Nếu việc báo hiệu thành công, thì các thành phần mạng sẽ phải dự
trữ lượng băng thông cần thiết. Còn điều khiển lưu lượng Intserv sẽ quyết định yêu
cầu dự trữ nào sẽ bị từ chối. Nếu tất cả các yêu cầu được chấp nhận thì sẽ có quá
-8-
IP
Data
FIFO queuing
Custom Queuing (CQ)
Modified Deficit Round
Robin (MDRR)
Weighted Random Early
Detection (WRED)
Chương 1 Chất lượng dịch vụ trong mạng IP
nhiều luồng lưu lượng đi trong mạng và kết quả sẽ không có luồng nào được nhận
dịch vụ yêu cầu cả.
Hình 1.4 Kiến trúc dịch vụ Intserv
1.4.1.1 Giao thức dự trữ tài nguyên RSVP (Resource Reservation Protocol)
RSVP là một giao thức cho việc thiết lập các dự trữ tài nguyên. Giao thức
RSVP được các máy chủ sử dụng để yêu cầu các chất lượng dịch vụ đặc biệt từ mạng
cho các ứng dụng riêng biệt như các dòng dữ liệu hay các luồng thông tin. Các router
cũng có thể sử dụng giao thức này để thiết lập, duy trì và phân phối các yêu cầu QoS
cho các node hoạt động dọc theo đường dẫn. Kết quả là các tài nguyên sẽ được dự trữ
cho mỗi node theo đường dữ liệu.
RSVP phải mang các thông tin sau:
Thông tin phân loại, nhờ nó mà các luồng lưu lượng với các yêu cầu QoS cụ
thể có thể được nhận biết trong mạng. Thông tin này bao gồm địa chỉ IP phía
gửi và phía nhận, số cổng UPD.
Chỉ tiêu kỹ thuật của luồng lưu lượng và các yêu cầu QoS
Rõ ràng là RSVP phải mang những thông tin này từ các máy chủ tới tất cả các
tổng đài chuyển mạch và các router dọc theo đường truyền từ bộ gửi đến bộ nhận, vì
-9-
Chương 1 Chất lượng dịch vụ trong mạng IP
vậy tất cả các thành phần mạng này phải tham gia vào việc đảm bảo các yêu cầu QoS
của ứng dụng.
1.4.1.2 Cách thức hoạt động của RSVP
Cách thức hoạt động của RSVP dựa trên việc giành dự trữ tài nguyên trước
khi truyền dữ liệu. Có hai loại bản tin RSVP chính được sử dụng để báo hiệu. Bên
gởi sẽ gởi bản tin đường dẫn PATH và các thông tin phân loại đến bên nhận để xác
định các thuộc tính của lưu lượng sẽ gởi. Mỗi node trung gian sẽ chuyển tiếp bộ bản
tin PATH tới các node kế tiếp. Khi nhận được bản tin PATH, bên nhận được sẽ đáp
ứng lại bằng một bản tin RESV. Bản tin RESV xác nhận phiên có chứa thông tin về
số cổng dành riêng và mức QoS mà bên nhận yêu cầu. Các node trung gian trên
đường đi có thể chấp nhận hay từ chối các yêu cầu trong bản tin RESV. Nếu yêu cầu
bị từ chối, router sẽ gởi bản tin Error cho bên nhận và quá trình báo hiệu sẽ kết thúc.
Nếu yêu cầu được chấp nhận tài nguyên sẽ được dự trữ cho luồng và các thông tin
trạng thái liên quan của luồng sẽ được cài đặt vào router.
Một đặc điểm quan trọng của RSVP là việc dự trữ tài nguyên được thực hiện
bởi “trạng thái mềm”. Có nghĩa là trạng thái dự trữ tài nguyên có liên quan tới một bộ
định thời, và khi bộ định thời hết hạn, việc dự trữ trước tài nguyên được loại bỏ. Nếu
bên nhận muốn lưu lại trạng thái dự trữ tài nguyên nào, nó phải đều đặn gửi các bản
tin dự trữ tài nguyên. Bên gởi cũng phải thường xuyên gửi các bản tin này. RSVP
được thiết kế dành cho kiến trúc Intserv nhưng vai trò của nó cũng được mở rộng cho
giao thức báo hiệu trong MPLS.
Hình 1.5 Giao thức RSVP
-10-
Chương 1 Chất lượng dịch vụ trong mạng IP
1.4.2 Dịch vụ phân biệt Diffserv
Việc thực hiện kiến trúc IntServ gặp nhiều khó khăn, nó gây ra mức giá yêu
cầu cao cho nguồn xử lý (processing power) và báo hiệu. Đối với mạng đường trục
lớn, nhiều phiên kết nối, RSVP truyền thống yêu cầu các bộ định thời cho mỗi phiên
và sự phân loại trong mỗi router làm cho bộ xử lý và bộ nhớ trở nên khó đáp ứng.
Do đó chỉ áp dụng được cho những mạng có số các luồng dữ liệu là nhỏ.
Mục đích của việc đưa ra dịch vụ Diffserv để nhằm đạt được tính linh động.
Diffserv trái ngược với Intserv là dựa trên từng luồng dữ liệu, nó phân loại các gói
thành một số lượng không lớn các tập (gọi là các lớp) và do đó đạt được hiệu quả cho
các mạng lớn. Các chức năng đơn giản được thực hiện tại router lõi, trong khi các
chức năng phức tạp được triển khai tại các router biên. Tính linh động rất là cần thiết
vì dịch vụ mới có thể xuất hiện và một số dịch vụ trở lên lỗi thời. Do đó Diffserv
không cần thiết phải xác định dịch vụ như là Inserv, thay vào đó nó cung cấp các
thành phần chức năng mà trên đó dịch vụ có thể được xây dựng. Việc thông tin giữa
người dùng và dịch vụ sẽ nằm trong Bản Thỏa Thuận mức dịch vụ SLA (Service
Level Agreement), việc đối xử luồng lưu lượng tương ứng với bản SLA. Việc xác
định SLA sẽ được cung cấp bao nhiêu tài nguyên sẽ được cấu hình tay. Kiến trúc
Diffserv bao gồm hai tập các thành phần chức năng:
Tại biên của mạng, việc phân loại và điều khiển lưu lượng được thực hiện và
các gói được phân vào các lớp.
Tại lõi, một cơ chế phân loại đơn giản được thực hiện. Cơ chế hàng đợi dựa
trên lớp được áp dụng.
-11-
Chương 1 Chất lượng dịch vụ trong mạng IP
`
`
`
`
S1
S2
R2
R1
DiffSert Domain
ER1
ER2
ER3
ER4
CR5
CR6
CR7
`
`
-phân loại (classification )
-chính sách ( policing )
-định hướng ( shaping)
-đánh dấu DSCP (marker)
-nhìn vào trường DSCP
-cung cấp các đối xử dựa
trên giá trị của DSCP
Hình 1.6 Kiến trúc dịch vụ Diffserv
1.4.2.1 Các thuật ngữ sử dụng trong Diffserv
Kiến trúc dịch vụ phân biệt DiffServ định nghĩa một số thuật ngữ thường sử
dụng sau đây:
Miền (Domain): là mạng có chung các thực thi ( thường thì chung sự điều
khiển của quản trị)
Vùng (Region): là nhóm các miền DiffServ kế cận
Node vào (Ingress node): là node đầu tiên mà gói tin đi vào miền Diffserv
Node ra (Egress node): là node cuối cùng mà gói tin đi ra khỏi miền Diffserv
Trường DS (DiffServ field): octet TOS của mào đầu IPv4 hoặc octet lớp lưu
lượng của mào đầu IPv6 và được đổi tên là DS bởi DiffServ. Nó là trường nơi
các lớp dịch vụ được gửi kèm.
Điểm mã dịch vụ phân biệt (Differantiated Service Code Point_DSCP): là các
giá trị đặc biệt được chỉ định cho trường DiffServ.
-12-
Chương 1 Chất lượng dịch vụ trong mạng IP
Tập hợp đối xử (Behavior Aggretate-BA): Là tập hợp các gói tin của node
dịch vụ phân biệt có cùng mã DSCP.
Phân lớp BA (BA classifier): Phân lớp các gói dựa trên mã DSCP (Differential
Service Code Point).
Bộ phân lớp (Classifier) : Quá trình sắp xếp các gói dựa trên nội dung của
header của gói theo quy luật xác định.
Thỏa thuận mức dịch vụ (Service level Agreement_SLA): là dịch vụ liên hệ
giữa khách hàng và nhà cung cấp dịch vụ chỉ rõ xu hướng yêu cầu của khách
hàng. Khách hàng có thể là một tổ chức người dùng hoặc phạm vi nhà cung
cấp ( phạm vi đi ngược dòng).
Sự phân lớp đa môi trường (Multifield Classifier) là sự phân lớp của gói dựa
trên nội dung của các trường như địa chỉ nguồn, địa chỉ đích, byte ToS, giao
thức ID, số cổng nguồn và số cổng đích.
Đối xử từng chặn (Per-Hop Behavior_PHB): là tại mỗi node các gói BA sẽ
được chuyển tiếp hay được phục vụ.
Đánh dấu (Marking) là quá trình thiết lập các trường DS của các gói.
Chính sách (policing) là quá trình xử lý các dạng lưu lượng, ví dụ như loại bỏ
(drop) các gói vượt quá.
Định dạng (Shaping): là quá trình đệm các gói tin trong luồng lưu lượng tạo
cho nó tương thích với hiện trạng lưu lượng đã định nghĩa.
Hàng đợi (Queuing): điều khiển chiều dài của gói hàng đợi bằng cách loại bỏ
các gói khi cần thiết hoặc cho phù hợp.
1.4.2.2 Điểm mã dịch vụ phân biệt DSCP (DiffServ code point)
Các đặc tính kỹ thuật trước đây, IP đã dự trữ một số bit trong header cho việc
hỗ trợ các chất lượng dịch vụ QoS. Đối với IPv4 octet thứ hai của header là octet ToS
(Type of Service) còn đối với IPv6 thì đó là octet lớp lưu lượng (Traffic Class). Các
giá trị của trường DS đó chính là điểm mã dịch vụ phân biệt DSCP. Các node dịch vụ
DiffServ sẽ phục vụ các gói tin tương ứng với điểm mã này.
-13-
Chương 1 Chất lượng dịch vụ trong mạng IP
Trường ToS chứa 8 bit, 6 trong số chúng được sử dụng để biểu thị cho DSCP.
Với 6 bit trường DS sẽ có 64 giá trị nhị phân tương ứng với 64 trạng thái chất lượng
dịch vụ chứa trong 3 “bộ trữ” (pool). Trong đó sẽ có 2 bộ trữ với 32 giá trị được dự
trữ cho thực nghiệm hay sử dụng cục bộ. Các đặc tính DiffServ hiện nay khuyến cáo
sử dụng 21 giá trị trong bộ trữ thứ 3 (21 giá trị này sẽ được mô tả trong Bảng 1.2).
Hình 1.8 Khung DSCP
1.4.2.3 Xử lý từng chặn PHB (Per-hop Behavior)
Kiến trúc DiffServ định nghĩa đối xử từng chặn PHB cho việc xử lý chuyển
tiếp gói tin tại mỗi node mạng áp dụng một tập hợp đối xử BA. Nó mô tả các đặc tính
-14-
IP
Precedence
ToS
Field
ToS
byte
DS
Field
DSCP ECN
unused
0-2 3-5 6-7
0-5 6-7
Mào đầu IP trước
khi DiffServ
Sau khi DiffServ
Trường DSCP : 6 bits
Chưa sử dụng
2 bits
Hình 1.7 Byte ToS trước và sau DiffServ
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét