Đánh giá hiệu quả điều khiển chống nghẽn trong mạng ip theo phương pháp quản lý hàng đợi,đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

Lời nói đầu Internet làm cách mạng thay đổi nhiều khía cạnh sống Nó làm thay đổi hẳn hoạt động mang tính truyền thống người Bằng cách sử dụng Internet cho phép người tiếp nhận thơng tin từ xa : xem phim chiếu đâu đó, nói truyện với người xa, hay theo học trực tuyến tới khố học ngồi nước….Bên cạnh mạng Internet cịn rẻ nhiều so với lợi hình dịch vụ khác, phát triển rộng khắp nước giới Có thể xem xét trình phát triển Internet sau: Sự phát triển giao thức cho Internet (IP) năm 1970, thực phát triển vào năm 1980 phát triển mạnh vào năm sau Năm 1995 mạng Internet kết nối khoảng 100 triệu máy tính ngày số lượng tăng lên nhiều Qua ta thấy bùng nổ nhu cầu sử dụng Internet gia tăng lưu lượng thông tin Song song với việc quan tâm tới chất lượng dịch vụ mạng thơng tin cần thiết phải thích nghi với tính tốc độ cao, băng thông, đa phương tiện phải thiết lập mạng thơng tin thoả mãn tất yêu cầu khách hàng Mạng IP đời thoả mãn yêu cầu kĩ thuật lẫn chất lượng dịch vụ Tuy nhiên để nâng cao chất lượng dịch vụ, đáp ứng yêu cầu người sử dụng vấn đề thực khó khăn cho nhà quản lý mạng, đặc biệt hồn cảnh luồng thơng tin ngày đa dạng chủng loại, đặc tính, mà u cầu chất lượng sử dụng thơng tin ngày khắt khe Việc yêu cầu chất lượng dịch vụ người sử dụng tạo cạnh tranh khắc nghiệt nhà cung cấp dịch vụ, yêu cầu nhà cung cấp dịch vụ phải tìm giải pháp để nâng cao chất lượng dịch vụ tăng doanh thu cho Vậy giải pháp đưa gì? Các nhà xây dựng mạng khéo léo đưa mơ hình mạng mơ hình mạng dịch vụ phân biệt DiffServ mạng dịch vụ tích hợp IntServ đồng thời kết hợp mơ hình mạng với để lợi dụng ưu điểm mạng hạn chế nhược điểm chúng Bên cạnh nhà thiết kế cịn sâu vào tìm hiểu thiết kế phương pháp quản lý, giám sát tiến trình truyền tin bên thân thành phần nhỏ mạng router, chuyển mạch….Điển hình router thiết kế theo cấu trúc CQS phần đơn giản hoá việc truyền tin nâng cao chất lượng dịch vụ Một phương pháp đưa router để cải thiện chất lượng dich vụ GVHD: Th.S Trần Xuân Trường Lớp: KTVT-K49 Page mạng IP thông dụng phương pháp quản lý hàng đợi (Queue Management) Trong thời gian qua giúp đỡ bảo tận tình thầy: T.S Trần Xuân Trường chúng em hoàn thành đ ề t i n g h i ê n c ứ u k h oa h ọ c “Đánh giá hiệu điều khiển chống nghẽn mạng IP theo phương pháp quản lý hàng đợi” Nội dung đề tài gồm chương : Chương : Giới thiệu chung QoS Chương : Kiến trúc CQS router Chương : Quản lý hàng đợi thuật toán Chương : Đánh giá hiệu chống nghẽn phương pháp quản lý hàng đợi Do lĩnh vực đề tài tương đối rộng, thân chúng em kiến thức cịn có nhiều hạn chế nên đề tài khơng tránh khỏi nhiều sai sót Nhóm em mong góp ý bảo thầy cô bạn sinh viên để nội dung đề tài hồn thiện phong phú Nhóm sinh viên thực GVHD: Th.S Trần Xuân Trường Lớp: KTVT-K49 Page Thuật ngữ viết tắt ACL Access Control List AQM Adaptive Queue Management Adaptive Random Early Detection Adaptive Random Early Detection with In/Out put Asynchronous Transfer Mode Behavior Aggregate Border Gateway Protocol Boot Trap Protocol Class Based Queue Class Base Weighted Fair Queue Class of Service Custom Queue Classification, Queue, Schedular Currently Unused Deficit Round Robin ARED ARIO ATM BA BGP Bootp CBQ CBWFQ CoS CQ CQS CU DRR DS DSCP ECN ECT EGP FIB FIFO FRED Differentiated Service Differentiated Service Code Point Explicit Congestion Notification ECN Capable Transport Exterior Gateway Protocol Forwarding Information Base First In First Out Fair Random Early Detection GVHD: Th.S Trần Xuân Trường Lớp: KTVT-K49 Danh sách điều khiển cấp phép Quản lý hàng đợi tương thích Phát sớm ngẫu nhiên tương thích RED vói cổng vào tương thích Kiểu truyền không đồng Tập hợp hoạt động Giao Thức cổng biên Giao thức Bootp Hàng đợi sở lớp Hàng đợi cân có trọng lượng có sở lớp Lớp dịch vụ Hàng đợi tụ điều chỉnh Kiến trúc phânloại, xếp hàng, lập lịch Không sử dụng Thuật toán Round Robin tường minh Dịch vụ phân biệt Điểm mã dịch vụ phân biệt Thông báo tắc nghẽn rõ ràng Bít ECT Giao thức cổng ngoại Cơ sở thông tin định tuyến Hàng đợi phục vụ theo kiểu vào trước trước Phát sớm ngẫu nhiên cân Page ICMP Internet Control Message Protocol Giao thức tin điều khiển Internet IGP Interior Gateway Protocol Giao thức cổng ngoại IP Internet Protocol Giao thức Internet IS Intergrated Service Dịch vụ tích hợp ISP Internet Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ Internet LAN Local Area Network Mạng nội vùng MIB Management Information Base Cơ sở thông tin quản lý mạng MPLS Multi Protocol Lable Swiching Chuyển mạch nhãn đa giao thức MTU Maximum Transport Unit Đơn vị truyền lớn NAT Network Address Translator Biên dịch địa mạng NP Network Performent Hiệu mạng OSPF Open Shortest Path First Giao thức định tuyến OSPF PHB Per Hop Behavior Cách hoạt động chặng PMTU Path Maximum Transport Unit Đơn vị truyền lớn đường PQ Priority Queue Hàng đợi ưu tiên PPP Point to Point Protocol Giao thức điểm - điểm LDP MMF GVHD: Th.S Trần Xuân Trường Lớp: KTVT-K49 Page RED Random Early Detection Phát sớm ngẫu nhiên RIO RED with In/Out put RED với cổng vào RIP Realtime Internet Protocol Giao thức báo hiệu IP thời gian thực RR Round Robin Thuật toán Round Robin RSVP Resource Reservation Protocol Giao thức dành trước tài nguyên RTP Realtime Protocol Giao thức thời gian thực SLA Service Level Agreement SNMP Simple Network Thoả thuận mức dịch vụ nhà cung cấp dịch vụ khách hàng Giao thức quản lý mạng Management Protocol đơn giản Traffic Conditioning Agreement Transport Control Protocol Thoả thuận điều phối lưu lượng Giao thức điều khiển truyền tải Giao thức truyền file đơn giản Loại dịch vụ TCA TCP TFTP TOS Trivial File Transfer Protocol Type Of Service UDP User Data Protocol WAN Wide Erea Network WFQ Weighted Fair Queue WRED Weighted RED GVHD: Th.S Trần Xuân Trường Lớp: KTVT-K49 Giao thức liệu người sử dụng Mạng diện rộng Hàng đợi cân có trọng số RED có trọng số Page CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ QoS 1 Tổng quan QoS 1.1.1 Khái niệm QoS(Quality of Service) • Theo khuyến nghị E800 ITU QoS xem như: “Chất lượng dịch vụ viễn thông kết tổng hợp tiêu dịch vụ, thể mức độ hài lòng đối tượng sử dụng dịch vụ đó” • Theo cisco thì: QoS khả mạng để cung cấp dịch vụ tốt cho lưu lượng mạng xác định qua nhiều công nghệ mạng lớp Frame Relay, ATM, IP…và mạng định tuyến • QoS mạng IP kỹ thuật xử lý lưu lượng mạng truyền số liệu sử dụng giao thức IP (Internet Protocol) nhằm đảm bảo loại lưu lượng có yêu cầu chất lượng dịch vụ khác đối xử ưu tiên khác Phương pháp hàng đợi sử dụng để tránh tắc nghẽn, tăng độ ưu tiên việc loại bỏ luồng có độ ưu tiên thấp • QoS giúp cho dịch vụ viễn thông nhà cung cấp mạng đáp ứng nhu cầu dịch vụ khách hàng • Ngồi cịn có chất lượng mạng (NP) đường truyền từ đầu cuối tới đầu cuối kia.Vì vậy, khơng nên nhầm lẫn hai khái niệm chất lượng dịch vụ chất lượng mạng đánh giá chất lượng mạng đánh giá tiêu, thơng số kĩ thuật có liên quan tới khả truyền thông tin mạng chủng loại thiết bị bên mạng • QoS xác định tiêu định tính định lượng Chỉ tiêu định tính thể cảm nhận khách hàng tiêu định lượng thực số liệu đo cụ thể GVHD: Th.S Trần Xuân Trường Lớp: KTVT-K49 Page 1.1.2 Kiến trúc QoS Kiến trúc QoS gồm mảng bản: 1.1.2.1Định dạng QoS kĩ thuật đánh dấu cho phép phối hợp QoS từ điểm đầu tới điểm cuối thành phần mạng 1.1.2.2 QoS thành phần mạng đơn (các công cụ hàng đợi định dạng,lập lịch, định dạng lưu lượng) • Quản lý tắc nghẽn: Do lưu lượng video, voice, data có dạng bó, có số lượng vượt tốc độ cho phép lúc để giải ta sử dụng công cụ: hàng đợi ưu tiên GVHD: Th.S Trần Xuân Trường Lớp: KTVT-K49 Page (PQ), hàng đợi đặt trước (CQ), hàng đợi cân trọng số (WFQ) hàng đợi cân trọng số sở lớp (CBWFQ) • Quản lý hàng đợi Do kích thước hàng đợi giới hạn nên chúng bị đầy tràn hàng đợi Do hàng đợi đầy gói truyền thông đến vào hàng đợi bị loại bỏ Việc loại bỏ loại bỏ đằng đi, điều có nghĩa gói đến (thậm chí gói có độ ưu tiên cao) đến hàng đợi đầy bị loại bỏ Do chế cần yếu tố: + Luôn chắn hàng đợi khơng đầy để có đủ chỗ cho gói có độ ưu tiên cao + Phải có chế loại bỏ gói có độ ưu tiên thấp trước gói có độ ưu tiên cao Phát sớm ngẫu nhiên (RED) cung cấp đủ hai chế • Định dạng bắt giữ lưu lượng + Định dạng: sử dụng để giới hạn tiềm băng thông luồng Điều sử dụng nhiều lần để ngăn chặn vấn đề tràn luồng Có thể tăng giảm tốc độ lưu lượng đến để phù hợp với trạng mạng + Bắt giữ: tương tự định dạng, khác lưu lượng vượt tốc độ cấu hình khơng dược đưa vào đêm bị loại bỏ 1.1.2.3 Cách giải quyết, điều khiển QoS, chức tính tốn để điề khiển giám sát lưu lượng đầu cuối qua mạng 1.1.3 Các tham số QoS • Latency: Độ trễ truyền gói tin qua mạng • Loss: Độ gói Thường xảy xuất tắc nghẽn đường truyền gói, làm cho đệm router bị tràn • Jitter: Giá thay đổi gói tin Đây vấn đề quan trọng QoS, Jitter khác biệt trễ gói khác dòng lưu lượng tức biến động trễ có tần số cao gọi jitter • Throughput: Là tốc độ luồng thơng tin qua mạng (tính KB/s; MB/s…) • Availabily: Độ khả dụng mạng 1.1.4 Các mức QoS GVHD: Th.S Trần Xuân Trường Lớp: KTVT-K49 Page Mức dịch vụ khả thực tế QoS đầu cuối Nghĩa khả mạng để cung cấp dịch vụ cần thiết lưu lượng mạng đặc biệt từ đầu cuối tới đầu cuối từ biên tới biên Các dịch vụ khác theo tham số QoS như: băng thơng trễ, jitter… Có mức dịch vụ: a Dịch vụ best effort: kết nối sở không đảm bảo, đặc trưng xếp vào hàng đợi FIFO, khơng có khác luồng • IP cung cấp kiểu truyền Best effort (khơng có đảm bảo), cố gắng truyền gói đến đích khơng có chức khơi phục lại gói bị hay truyền sai • Thời gian truyền có tầm quan trọng độ tin cậy truyền • Trong kiểu truyền voice, video thời gian thực số góí bị bỏ qua việc khơi phục lại tạo phần tiêu đề lớn làm giảm hiệu mạng • Để cung cấp loại lưu lượng TCP tổ chức lại TCP, IP, UDP Các dịch vụ chuyển gói đánh địa lớp mạng thực IP TCP,UDP nằm lớp truyền tải, phía IP Tất sử dụng dịch vụ IP, UDP phiên TCP chấp nhận dịch vụ Best effort IP Các ứng dụng sử dụng UDP không cần dịch vụ TCP Đối với dịch vụ Best effort việc loại bỏ gói chấp nhân việc khơi phục xử lý dịch vụ khác b Dịch vụ phân biệt (QoS mềm): số loại lưu lượng đối xử tốt bình thường(tốc độ xử lý nhanh hơn,băng thơng trung bình lớn hơn,tốc độ gói trung bình nhỏ) Đây ưu tiên thống kê, cung cấp việc phân loại lưu lượng công cụ như: PQ,CQ, WFQ, WRED c Dịch vụ đảm bảo(QoS cứng): tuý đặt trước tài nguyên mạng cho dịch vụ đặc biệt Được cung cấp thông qua QoS với công cụ: RSVP,CBWFQ 1.2 Điều khiển tắc nghẽn 1.2.1 Tại phải điều khiển tắc nghẽn mạng? Khi mạng xảy tắc nghẽn không xử lý kịp thời gây hậu nghiêm trọng: gói tin không xử lý, không chuyển đến đầu cuối GVHD: Th.S Trần Xuân Trường Lớp: KTVT-K49 Page người nhận ùn tắc mạng,mạng không hoạt động thời gian dài truyền tải liệu,các thành phần bị hư hỏng Nguyên nhân gây tắc nghẽn mạng: • Tắc nghẽn xảy lưu lượng từ nhiều tuyến đổ dồn tuyến tuyến khơng có khả xử lý hết • Tắc nghẽn xảy bên thân router mạng lõi mạng node nhận nhiều lưu lượng so với thiết kế 1.2.2 Khái niệm: • Điều khiển tắc nghẽn cho phép điều khiển việc xếp lại gói gửi giao diện sở ấn định độ ưu tiên cho gói • Tính quản lý hàng đợi QoS cung cấp loại giao thức hàng đợi khác nhau, chúng xếp loại lưu lượng có mức độ khác gửi • Trong chu kỳ lưu lượng khơng có tắc nghẽn gói gửi với tốc độ đến, xảy tắc nghẽn gói đến với tốc độ lớn tốc độ truyền giao diện đầu Nếu ta dùng chức quản lý tắc nghẽn gói bị ứ đọng giao diện xếp vào hàng đợi để gửi giao diện rỗng Sau lập lịch để gửi tuỳ theo độ ưu tiên ấn định cho gói cấu hàng đợi thiết kế cho giao diện Router thực trình tự truyền dẫn gói việc điều khiển xem gói đặt hàng đợi hàng đợi phục vụ với ảnh hưởng hàng đợi khác Một số lưu ý quản lý tắc nghẽn: • Sự ưu tiên lưu lượng đặc biệt quan trọng ứng dụng nhạy với độ trễ dựa sở giao dịch tương quan,tuy nhiên việc sử dụng hàng đợi WFQ đảm bảo tất lưu lượng đối xử • Sự ưu tiên sử dụng hiệu kết nối WAN nơi mà phối hợp lưu lượng dạng bó luồng liệu có tốc độ thấp gây tắc nghẽn tạm thời • Tuỳ thuộc vào kích thước gói trung bình mà ưu tiên hiệu gửi tới kết nối có tốc độ luồng T1/E1 hoắc thấp GVHD: Th.S Trần Xuân Trường Lớp: KTVT-K49 Page 10 bên mạng, cung cấp chức phân loại đơn giản số chức định hướng khác Các router biên mạng DS giám sát đánh dấu gói luồng lưu lượng Các gói tuân theo profile người sử dụng đánh dấu “In profile” gói nằm ngồi profile dịch vụ đánh dấu out profile Một thuật toán hỗ trợ bên router lõi mạng phân biệt RIO (phát sớm ngẫu nhiên vào ra) Trong suốt q trình tắc nghẽn gói có profile out bị loại bỏ trước gói In profile Thuật tốn: Thuật tốn điều khiển tốc độ gói In Out cho router đầu vào đầu Tại khoảng thời gian T Router cổng vào nhận gói điều khiển QoS If Ns = Nr then If ENrIn > then giảm tốc độ gói In Out else if ENrOut > then giảm tốc độ gửi gói Out else tăng tốc độ gửi else giảm tốc độ gửi gói In Out Ký hiệu: N s : số lượng gói gửi router đầu vào N r : số lượng gói nhận router đầu EN r In: số lượng gói In nhận router đầu với ECN=1 EN r Out : số lượng gói Out nhận router đầu với ECN=1 Để định loại bỏ gói Out RIO sử dụng kích thước trung bình tổng chiều dài hàng đợi RIO mở rộng để xử lý n>2 precedence cho nguyên lý Xác suất loại bỏ gói Precedence 1≤ j qhigh and maxp(j) < 0.5 tính tốn tác nhân tăng: α← min(0.001 ; maxp(j)/4) tăng max p(j): maxp(j) ← maxp(j) + α if j < n then: maxp (j) ← min(maxp(j), maxp(j+1)) else if avg (j) < qlow and maxp(j) >0.01 giảm maxp(j): maxp(j) ← maxp(j) * β if j > then: maxp(j) ← max(maxp(j) , maxp(j-1)) if minth < avg(i) ≤ maxth Tính tốn p (i) RED loại bỏ gói có xác suất p(i) else if maxth < avg(i) ≤ 2* maxth Tính tốn pgentle(i) RED loại bỏ gói có xác suất pgentle(i) else if avg(i) > * maxth loại bỏ gói Các tham số cố định biến: avg(i) : kích thước hàng đợi trung bình cho precedence thứ i (bộ đếm đếm số lượng gói với giá trị precedence từ tới i) maxp(i) : xác suất loại bỏ gói có precedence i giá trị avg(i) = maxth p(i): xác suất loại bỏ gói cho precedence i pgentle(i): xác suất loại bỏ gói có precedence i miền GVHD: Th.S Trần Xuân Trường Lớp: KTVT-K49 Page 46 gentle interval : 0.5 s β (nhân tố tăng) : 0.9 Lưu ý maxp(i) ≤ maxp(i+1) , ∀ i ∈ {1,2,…n-1} 3.3.8 Phát sớm ngẫu nhiên cân FRED: FRED biến thể RED để giảm tính khơng cơng phân bố băng thông FRED hoạt động giống RED có thêm số chức mới: FRED đưa thêm hai tham số maxq minq số lượng gói lớn nhỏ luồng phép đưa vào hàng đợi Ngoài FRED cịn có thêm biến tồn cục avgcq, đánh giá k Khi luồng có số lượng gói hàng đợi nhỏ avgcq chúng ưu tiên ết đếm đệm luồng trung bình FRED cho phép kết nối đưa vào đệm số lượng gói có giá trị minq mà khơng bị loại bỏ Các gói đến chấp nhận kết nối có minq đệm kích thước hàng đợi trung bình nhỏ maxth Thơng thường kết nối TCP gửi gói ngược trở lại: hai gói cho trễ ACK, gói để điều khiển tăng kích thước cửa sổ Do minq thiết lập từ đến gói tin Khi số lượng kết nối tích cực nhỏ(N