đánh giá hiệu quả đảm bảo qos cho truyền thông đa phương tiện của chiến lược quản lý hàng đợi wred

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VŨ XUÂN BẢO ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ ĐẢM BẢO QoS CHO TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN CỦA CHIẾN LƯỢC QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI WRED LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2011 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình luận văn nào trước đây. Học viên Vũ Xuân Bảo 3 LỜI CẢM ƠN Trước hết tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới người hướng dẫn tôi, thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Đình Việt – Giảng viên khoa Công nghệ Thông tin trường Đại học Công nghệ Đại học Quốc gia Hà Nội, người đã định hướng đề tài và tận tình hướng dẫn, chỉ bảo trong suốt quá trình thực hiện luận văn cao học. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô đã giảng dạy tôi trong suốt quá trình nghiên cứu, học tập, các thầy cô trong ban chủ nhiệm lớp K15T1, những người rất quan tâm tới lớp, giúp tôi và các bạn có được kết quả như ngày hôm nay. Sau cùng, tôi xin dành tình cảm đặc biệt và biết ơn tới gia đình, người thân của tôi, những người đã ủng hộ, khuyến khích tôi rất nhiều trong quá trình học tập cũng như quá trình thực hiện luận văn này. Do điều kiện nghiên cứu có hạn, nên bản luận văn không tránh khỏi sơ suất, kính mong nhận được sự góp ý của thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp để bản luận văn được hoàn thiện hơn. Hà Nội, tháng 06 năm 2011 Vũ Xuân Bảo 4 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN 1 LỜI CẢM ƠN 3 MỤC LỤC 4 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 7 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 9 DANH MỤC CÁC BẢNG 11 ĐẶT VẤN ĐỀ 12 1. Mục đích và ý nghĩa của đề tài 12 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 13 3.Cấu trúc các chương 13 Chương 1. TỔNG QUAN 14 1.1 Mạng Internet và các dịch vụ 14 1.1.1 Mạng Internet 14 a. Lịch sử phát triển mạng Internet 14 b. Giao thức tầng giao vận: TCP và UDP 15 1.1.2 Đặc điểm vận chuyển lưu lượng kiểu “Cố gắng tối đa ” [2] 17 a. Tỉ lệ mất mát gói tin có thể rất lớn khi xảy ra tắc nghẽn 17 b. Độ trễ end-to-end có thể vượt quá giới hạn chấp nhận được 18 c. Jitter là không thể tránh khỏi và làm giảm chất lượng âm thanh 18 1.2 Truyền thông đa phương tiện và yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS) 19 1.2.1 Một số thí dụ về truyền thông đa phương tiện 19 1.2.1.1 Ứng dụng Email, FTP 19 1.2.1.2 Ứng dụng truyền dòng (Streaming) âm thanh, hình ảnh lưu trước 20 1.2.1.3 Ứng dụng Streaming cho âm thanh, hình ảnh truyền trực tiếp (live) 21 1.2.1.4 Ứng dụng hình ảnh âm thanh tương tác thời gian thực 21 1.2.1.5 Ví dụ về điện thoại VoIP 22 1.2.2 Khái niệm QoS 24 1.2.3 Yêu cầu QoS cho truyền thông đa phương tiện 25 1.3 Các tham số hiệu năng chủ yếu của mạng liên quan đến việc đảm bảo QoS 26 1.3.1 Băng thông (bandwidth) 26 1.3.2 Độ trễ (delay) và biến thiên độ trễ (jitter) 26 a. Độ trễ (delay) 26 b. Biến thiên độ trễ (Jitter) 26 1.3.3 Tỉ lệ mất mát gói tin 27 1.3.4 Một số tham số khác: 27 a. Tính sẵn sàng – độ tin cậy 27 b. Bảo mật 28 Kết luận chương 29 Chương 2. CÁC MÔ HÌNH ĐẢM BẢO QoS CHO TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN 30 2.1 Mô hình IntServ (Integrated Service) 30 2.1.1 Tổng quan 30 2.1.2 Kiến trúc IntServ 31 2.1.2.1 Điều khiển chấp nhận 31 5 2.1.2.2 Nhận dạng luồng 32 2.1.2.3 Lập lịch gói 32 2.1.2.4 Các dịch vụ của IntServ 32 2.1.3 Giao thức dành trước tài nguyên - RSVP 32 2.1.3.1 Tổng quan 32 2.1.3.2 Hoạt động của RSVP 33 2.1.3.3 Các kiểu RSVP dành trước tài nguyên 33 2.2 Mô hình DifServ (Differentiated Service) 34 2.2.1 Tổng quan 35 2.2.2 Cấu trúc DiffServ 36 2.2.3 Đánh dấu gói DiffServ 38 2.2.3.1. Đánh dấu gói trong các router thông thường 38 2.2.3.2.Trường DiffServ (DS) 39 2.2.4 Hành vi theo từng chặng (PHB) 40 2.2.4 .1 PHB chuyển tiếp nhanh (Expedited Forwarding) 40 2.2.4.2 PHB chuyển tiếp đảm bảo (AF) 42 2.2.5.Ví dụ về Differentiated Services 43 Kết luận chương 44 Chương 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐẢM BẢO QoS CHO TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN 45 3.1. Phương pháp bỏ đuôi - DropTail 45 3.2. Phương pháp loại bỏ ngẫu nhiên – RED 46 3.2.1 Tổng quan 46 3.2.2 Thuật toán 48 3.2.3 Thiết lập các tham số 50 a. Trọng số hàng đợi wq 50 b. Thiết lập minth và maxth 51 c. Thiết lập xác suất loại bỏ tối đa maxp 52 3.2.4 Một số đánh giá về RED 52 3.3 Phương pháp loại bỏ ngẫu nhiên theo trọng số - WRED 53 a. Cấu trúc của DiffServ 55 b. Hàng đợi RED trong module DiffServ 55 c. Router lõi và router biên 56 d. Các chính sách - Policy 57 3.4 Một số phương pháp khác 58 3.4.1. Tốc độ truy cập cam kết (CAR - Committed Access Rate) 58 3.4.1.1. Cơ chế hoạt động 58 3.4.1.2. Các chức năng của CAR 59 3.4.1.3. Mô hình chiếc thùng và thẻ bài 60 3.4.2 Định dạng lưu lượng tổng quát - GTS (Generic Traffic Shaping) 61 a. Cơ chế hoạt động của GTS 61 b. Kết luận 62 Kết luận chương 63 Chương 4. ĐÁNH GIÁ VÀ SO SÁNH WRED VỚI DROP-TAIL VÀ RED 64 4.1. Giới thiệu bộ mô phỏng mạng NS-2 64 4.2. Thiết lập tô-pô mạng mô phỏng 64 4.3. Kịch bản mô phỏng 65 4.4. Đánh giá hiệu năng truyền thông đa phương tiện khi sử dụng DropTail và RED67 6 4.4.1 Kịch bản 1: Tăng cường độ tắc nghẽn với các nguồn phát TCP 67 a. Kết quả 67 b. Nhận xét 68 4.4.2. Thí nghiệm 2: Tăng cường độ tắc nghẽn với nguồn phát UDP 69 a. Kết quả 69 b. Nhận xét: 71 4.5. Đánh giá hiệu năng truyền thông đa phương tiện khi sử dụng WRED 71 4.5.1. Mô phỏng WRED TSW2CM và TSW3CM 71 a. Cấu hình mô phỏng 72 b. Phương thức thu thập kết quả 72 c. Kết quả 73 d. Nhận xét 78 4.5 So sánh và kết luận chung 80 4.6 Hướng nghiên cứu tiếp theo 81 4.6.1 SNA ToS (System Network Architecture Term of Service 81 4.6.2 QoS VoIP Solution 82 4.6.3 QoS trong streaming video 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 7 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT AF Assured Forwarding Chuyển tiếp đảm bảo AQM Active Queue Management Quản lý hàng đợi động ARPANET Advanced Research Projects Agency Network Mạng trung tâm nghiên cứu cấp cao CA Congestion Avoidance Tránh tắc nghẽn CAR Committed Access Rate Tốc độ truy cập cam kết CBR Constant Bit Rate Tốc độ bit cố định CBS Commited Burst Size Kích thước burst cam kết CL Controlled Load Tải được điều khiển CIR Commited Information Rate Tốc độ thông tin cam kết CP Code Point Điểm mã CV Coefficient of Variation Hệ số biến thiên DiffServ Differentiated Service Dịch vụ khác biệt DNS Domain Name System Hệ thống tên miền DS Diffierentiated Service Dịch vụ khác biệt DSCP Difserv Code-Point Điểm mã dịch vụ khác biệt ECN Explicit Congestion Notification Thông báo nghẽn cụ thể EF Expedited Forwarding Chuyển tiếp ngay FCFS First Come First Server Vào trước phục vụ trước FEC Forward Error Correction Sửa lỗi trước FIFO First In First Out Hàng đợi theo nguyên tắc vào trước ra trước FF Fixed - Filter Bộ lọc cố định FTP File Transport Protocol Giao thức truyền file GTS Generic Traffic Shaping Sửa dạng lưu lượng GS Guaranteed Service Dịch vụ đảm bảo HTTP HyperText Transfer Protocol Giao thức truyền tải siêu văn bản IETF Internet Engineering Task Force Tổ chức đặc nhiệm kỹ thuật Internet IntServ Integrated Service Dịch vụ tích hợp IP Internet Protocol Giao thức Internet ISP Internet Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ Internet LAN Local Area Network Mạng cục bộ MPLS Multi protocol lable Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức NFSNET National Science Foundation Network Mạng Quỹ khoa học Quốc gia NS Network Simulator Bộ mô phỏng mạng 8 OSI Open Systems Interconection Mô hình liên kết các hệ thống mở PCM Pulse Code Modulation Điều và giải điều chế mã xung PHB Per-Hop Behavior Hành vi từng chặng PIR Peak Information Rate Ngưỡng tần suất gửi QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RED Random Early Detection; Random Early Drop Phát hiện sớm ngẫu nhiên Loại bỏ sớm ngẫu nhiên RFC Request For Comment Đề nghị duyệt thảo và bình luận RSVP Resource Revervation Protocol Giao thức dành trước tài nguyên RTT Round Trip Time Thời gian khứ hồi SS Slow Start Khởi động chậm SE Shared – Explicit Chia sẻ rõ ràng SLA Service level agreement Thỏa thuận mức dịch vụ SMTP Simple Mail Transfer Protocol Giao thức truyền thư điện tử đơn giản TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn TDM Time Division Multiplexing Dồn kênh phân chia thời gian trTCM two rate Three Color Marking Đánh dấu 3 màu hai tốc độ TSW Time Sliding Window Cửa sổ trượt theo thời gian TOS Type Of Service Loại dịch vụ UDP User Datagram Protocol Giao thức bản tin người sử dụng WAN Wide Area Network Mạng diện rộng WF Wildcard – Filter Bộ lọc kí tự đại diện WFQ Flow-Based Weighted Fair Queuing Xếp hàng công bằng có trọng số dựa trên luồng WRED Weighted RED RED theo trọng số 9 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: FTP truyền file giữa các hệ thống 19 Hình 2.1 : Mô hình dịch vụ tích hợp IntServ 30 Hình 2.2 Hoạt động của RSVP 32 Hình 2.3 Các ống chia sẻ được dành riêng 33 Hình 2.4 Các bước của DiffServ 34 Hình 2.5 Miền IP 35 Hình 2.6 Một miền DS và các mạng con 35 Hình 2.7 Miền DiffServ 36 Hình 2.8 Vùng DS 36 Hình 2.9 Trường DS 38 Hình 2.10 Ví dụ về cài đặt EF 40 Hình 2.11 Ví dụ về DiffServ 42 Hình 3. 1 Thuật toán RED 46 Hình 3. 2 Giải thuật chi tiết của RED 48 Hình 3. 3 Cơ chế làm việc của WRED được minh hoạ trong hình vẽ trên 53 Hình 3. 4 Vị trí router lõi và biên trong miền DiffServ 55 Hình 3. 5 Sơ đồ khối của CAR 58 Hình 3. 6 Lưu đồ thuật toán CAR được minh họa họa ở hình trên 59 Hình 3. 7 Mô hình chiếc thùng và thẻ bài 60 Hình 3. 8 Sơ đồ các khối chức năng của GTS 61 Hình 4.1 Cấu trúc mô phỏng 64 Hình 4. 2 Tỉ lệ packet bị mất của DropTail và RED 66 Hình 4. 3 Kích thước hàng đợi của DropTail và RED 67 Hình 4. 4 Thông lượng của DropTail và RED 67 Hình 4. 5 Kích thước hàng đợi của DropTail và RED 68 Hình 4. 6 Thông lượng của Droptail và RED 69 Hình 4. 7 Tỉ lệ packet bị mất của Droptail và RED 69 Hình 4. 8 Kích thước hàng đợi RED, WRED-TSW2CM , WRED-TSW3CM 72 Hình 4. 9 Kết quả so sánh thông lượng của RED với hai chính sách của WRED 72 Hình 4. 10 Kích thước hàng đợi của RED, tsw2cm và tsw3cm (Kịch bản 2) 73 Hình 4. 11 Kết quả so sánh thông lượng của RED với ba chính sách của WRED 74 Hình 4. 12 Kết quả so sánh đường thông lượng trung bình của RED với ba chính sách của WRED 74 10 Hình 4. 13 Kết quả so sánh đường thông lượng trung bình của RED với ba chính sách của WRED 75 Hình 4.14 Kích thước hàng đợi của RED, tsw2cm và tsw3cm (Kịch bản 3) 76 Hình 4. 15 Kết quả so sánh thông lượng của RED với ba chính sách của WRED 76 Hình 4. 16 Kết quả so sánh thông lượng trung bình của RED với ba chính sách của WRED 77 Hình 4.17 Kiến trúc mạng TOS 81 Hình 4.18 Sơ đồ hệ thống VoIP trong doanh nghiệp 82 Hình 4.19 Sơ đồ hệ thống Streaming Video trong doanh nghiệp 83 [...]... giúp đỡ nhiệt tình của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Đình Việt Trong phạm vi của đề tài luận văn tốt nghiệp – Đánh giá hiệu quả đảm bảo QoS cho truyền thông đa phương tiện của chiến lược quản lý hàng đợi WRED , tôi tập trung nghiên cứu chiến lược quản lý hàng đợi WRED, so sánh chiến lược này với các chiến lược quản lý hàng đợi khác từ đó có những đánh giá, đưa ra các kết quả so sánh hiệu năng giữa các mô... vi nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu lý thuyết về đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) và các chiến lược quản lý hàng đợi: − DROPTAIL − RED (Random Early Drop) − WRED (Weighted RED) Đề tài sử dụng bộ công cụ mô phỏng mạng NS2 để đánh giá và so sánh hiệu năng của các chiến lược quản lý hàng đợi trên 3.Cấu trúc các chương Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của luận văn này được trình bày như sau:... đảm bảo QoS cho truyền thông đa phương tiện , Chương 3: Các phương pháp đảm bảo QoS cho truyền thông đa phương tiện, Chương 4: Đánh giá và so sánh WRED với DROPTAIL, RED 14 Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Mạng Internet và các dịch vụ 1.1.1 Mạng Internet a Lịch sử phát triển mạng Internet Từ đầu những năm 1960, đã xuất hiện các mạng xử lý trong đó các trạm cuối (terminal) thụ động được nối vào một máy xử lý. .. gian cho các gói tin, tạm dừng chạy 1.2 Truyền thông đa phương tiện và yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS) 1.2.1 Một số thí dụ về truyền thông đa phương tiện Với các ứng dụng truyền thống, dữ liệu là tĩnh (text, image…) có thể chấp nhận độ trễ và độ thăng giáng lớn nhưng không chấp nhận sự mất mát dữ liệu Trái lại, với các ứng dụng truyền thông đa phương tiện, chủ yếu truyền dữ liệu audio, video chất lượng... đa phương tiện phổ biến hiện nay như điện thoại qua mạng (Internet telephony), hội thảo trực tuyến (video conferencing), xem video theo yêu cầu (video on demand) đang ngày càng được sử dụng rộng rãi Đối với truyền thông đa phương tiện, điều quan trọng nhất là phải đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) , tức là đảm bảo độ trễ và biến thiên độ trễ - jitter đủ nhỏ, thông lượng đủ lớn, hệ số sử dụng đường truyền. .. theo dõi độ dài hàng đợi và sử dụng các tín hiệu điều khiển để thông báo với các máy tính trên mạng rằng đã hoặc sắp xảy ra tắc nghẽn để chúng có phản ứng phù hợp giúp giải quyết tình trạng tắc nghẽn Ngoài ra chúng cũng cần có các 13 chiến lược quản lý hàng đợi thích hợp và hiệu quả để tùy vào từng trường hợp cụ thể, xử lý một cách tối ưu việc vận chuyển thông tin trong mạng Đây là lý do tôi lựa chọn... ngưỡng cho phép, thực tế được coi là bị mất b Biến thiên độ trễ (Jitter) Biến thiên độ trễ là sự khác biệt về độ trễ của các gói khác nhau trong cùng một dòng lưu lượng Nguyên nhân chủ yếu gây ra hiện tượng jitter do sự sai khác trong 27 thời gian xếp hàng của các gói liên tiếp nhau trong một hàng gây ra Jitter là yếu tố ảnh hưởng lớn đến QoS của truyền thông đa phương tiện, tỉ lệ nghịch với QoS của truyền. .. phải đảm bảo các thông số QoS ở mức độ khác nhau như: − Các ứng dụng đa phương tiện dạng streaming đòi hỏi phải đảm bảo về thông lượng − Dịch vụ điện thoại IP hoặc VoIP (Voice over IP) đòi hỏi một số giới hạn chặt về trễ và biến thiên độ trễ − Dịch vụ hội nghị truyền hình (Video Teleconferencing – VTC) đòi hỏi biến thiên độ trễ thấp − Các đường truyền dành riêng (dedicated link) đòi hỏi phải đảm bảo. .. “cố gắng tối đa của các giao thức nói trên không thích hợp cho sự phát triển các ứng dụng đa phương tiện trên Internet Tuy nhiên, chúng đã được sử dụng phổ biến trên Internet ngay từ khi Internet mới hình thành, do đó để truyền thông đa phương tiện trên Internet người ta đã và đang áp dụng giải pháp thực tế là sửa đổi và cải tiến chúng chứ không thay thế bằng các giao thức hoàn toàn mới Cho đến nay,... Trễ xếp hàng trên trung kế 64 kbps 6 ms Trễ chuyển nối tiếp trên trung kế 64 kbps 3ms Trễ truyền lan (trên các dây riêng) 32ms Trễ mạng (Vd Frame Relay) Đệm loại bỏ Jitter 2-200ms Tổng cộng – Giả sử Jitter Buffer 50 ms 110ms Bảng 1 1 Thống kê các loại trễ từ đầu cuối đến đầu cuối 30 Chương 2: CÁC MÔ HÌNH ĐẢM BẢO QoS CHO TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN Chương này trình bày hai mô hình triển khai đảm bảo chất . – Đánh giá hiệu quả đảm bảo QoS cho truyền thông đa phương tiện của chiến lược quản lý hàng đợi WRED , tôi tập trung nghiên cứu chiến lược quản lý hàng. NGHỆ VŨ XUÂN BẢO ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ ĐẢM BẢO QoS CHO TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN CỦA CHIẾN LƯỢC QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI WRED