TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ QOS
Các vấn đề chung của chất lượng dịch vụ QoS
Chất lượng dịch vụ QoS là một khái niệm rộng và có thể tiếp cận theo nhiều hướng khác nhau Theo khuyến nghị E 800 ITU-T chất lượng dịch vụ là “Một tập các khía cạnh của hiệu năng dịch vụ nhằm xác định cấp độ thoả mãn của người sử dụng đối với dịch vụ” ISO 9000 định nghĩa chất lượng là “cấp độ của một tập các đặc tính vốn có đáp ứng đầy đủ các yêu cầu” Trong khi 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, QoS bao trùm cả phân loại hoá dịch vụ và hiệu năng tổng thể của mạng cho mỗi loại dịch vụ
Một tính chất chung của chất lượng dịch vụ là: “Hiệu ứng chung của đặc tính chất lượng dịch vụ là xác định mức độ hài lòng của người sử dụng đối với dịch vụ” Ngoài ra, QoS mang một ý nghĩa là “khả năng của mạng đảm bảo và duy trì các mức thực hiện nhất định cho mỗi ứng dụng theo như các yêu cầu đã được chỉ rõ của mỗi người sử dụng” Chất lượng dịch vụ QoS được nhìn nhận từ hai khía cạnh: phía người sử dụng dịch vụ và phía mạng
Từ khía cạnh người sử dụng dịch vụ, QoS được coi là mức độ chấp nhận dịch vụ của người sử dụng và thường được đánh giá trên thang điểm đánh giá trung bình MoS (Mean of Score) QoS cần được cung cấp cho mỗi ứng dụng để người sử dụng có thể chạy ứng dụng đó và mức QoS mà ứng dụng đòi hỏi chỉ có thể được xác định bởi người sử dụng, bởi vì chỉ người sử dụng mới có thể biết được chính xác ứng dụng của mình cần gì để hoạt động tốt Tuy nhiên, không phải người sử dụng tự động biết được mạng cần phải cung cấp những gì cần thiết cho ứng dụng, họ phải tìm hiểu các thông tin cung cấp từ người quản trị mạng và chắc chắn rằng, mạng không thể tự động đặt ra QoS cần thiết cho một ứng dụng của người sử dụng MOS dao động từ mức (1-tồi) đến mức (5- xuất sắc) và các nhà cung cấp dịch vụ dựa vào mức MOS này để đưa ra mức chất lượng dịch vụ phù hợp cho dịch vụ của mình
Khuyến nghị ITU-T G107 phát triển mô hình E để đánh giá chất lượng dịch vụ thoại qua IP là một mô hình ưu việt trong phát triển kế hoạch truyền dẫn, kết quả của Đồ án tốt nghiệp Tổng quan về chất lượng dịch vụ mô hình E là một giá trị truyền dẫn chung gọi là nhân tố tốc độ truyền dẫn R (Transmission Rating Factor) thể hiện chất lượng đàm thoại giữa người nói và người nghe R dao động từ 1 đến 100 tuỳ thuộc vào các sơ đồ mạng cụ thể Giá trị R càng lớn thì mức chất lượng dịch vụ càng cao Đối với dịch vụ thoại qua IP, mô hình E là một công cụ đắc lực để đánh giá chất lượng dịch vụ Mô hình E có thể được sử dụng để hiểu các đặc điểm của mạng và thiết bị ảnh hưởng như thế nào đến chất lượng thoại trong mạng VoIP Các yếu tố ảnh hưởng đến sự suy giảm R là loại mã hoá, độ trễ, tiếng dội, mất gói, và thuật toán mã hoá thông tin Giá trị đầu ra của mô hình E có thể chuyển thành giá trị MOS tương ứng để đánh giá chất lượng dịch vụ [1].
Từ khía cạnh dịch vụ mạng, QoS liên quan tới năng lực cung cấp các yêu cầu chất lượng dịch vụ cho người sử dụng Có hai kiểu năng lực mạng để cung cấp chất lượng dịch vụ trong mạng chuyển mạch gói
Thứ nhất, mạng chuyển mạch gói phải có khả năng phân biệt các lớp dịch vụ
Thứ hai, một khi mạng có các lớp dịch khác nhau, mạng phải có cơ chế ứng xử khác nhau với các lớp bằng cách cung cấp các đảm bảo tài nguyên và phân biệt dịch vụ trong mạng
Hình 1.1 dưới đây chỉ ra các đặc điểm cơ bản của chất lượng dịch vụ.
Cácưthamưsốưmạng MÊt gãi §é trÔ Trượtưthờiưgian Khảưnăngưtẵcưnghẽn
Hình 1.1: Các khía cạnh của chất lượng dịch vụ
Các phương pháp cơ bản để xác định chất lượng dịch vụ mạng bao gồm quá trình phân tích lưu lượng và các điều kiện của mạng, thông qua các bài toán được mô hình hoá hoặc đo kiểm trực tiếp các thông số mạng để đánh giá các tiêu chuẩn khách quan.Mức độ chấp nhận dịch vụ từ phía người sử dụng có thể được kiểm tra qua các thông Đồ án tốt nghiệp Tổng quan về chất lượng dịch vụ số mạng như khả năng tổn thất gói, độ trễ, trượt và xác suất tắc nghẽn Số lượng và đặc tính các tham số chất lượng phụ thuộc rất lớn vào cơ cấu mạng cung cấp dịch vụ Một khung làm việc chung của kiến trúc chất lượng dịch vụ QoS được nhìn từ khía cạnh mạng gồm có:
Các phương pháp để yêu cầu và nhận các mức của dịch vụ qua các hình thức thỏa thuận mức dịch vụ SLA (Service Level Agreements) Một SLA là định dạng yêu cầu mức dịch vụ gồm có các tham số QoS như băng thông, độ trễ Các thỏa thuận này là một hình thức giao kèo dịch vụ giữa khách hàng và nhà cung cấp dịch vụ Các nhà cung cấp dịch vụ cần SLA để hướng lưu lượng đầu vào của khách hàng tới mạng phù hợp, còn người sử dụng cần SLA để hiểu các ứng dụng của mình nhận được các mức dịch vụ như thế nào.
Báo hiệu, phân phối bộ đệm và quản lý bộ đệm cho phép đáp ứng yêu cầu mức dịch vụ thông qua các giao thức dành trước tài nguyên cho ứng dụng
Điều khiển những ứng dụng có sai lệch trong việc thiết lập các mức dịch vụ, thông qua quá trình phân loại lưu lượng, hướng tới chính sách quản lý và thực thi đối với từng luồng lưu lượng nhằm xác định kỹ thuật điều khiển lưu lượng phù hợp.Phân loại lưu lượng có thể sử dụng ở lớp liên kết, lớp mạng, truyền tải hoặc các lớp khác cao hơn Phương pháp sắp xếp cho luồng lưu lượng qua mạng trong một chừng mực nào đó mà có thể đảm bảo thoả thuận các mức dịch vụ sử dụng, bằng các phương pháp định tuyến trên nền tảng QoS.
Các phương pháp tránh tắc nghẽn, quản lý tắc nghẽn, hàng đợi, và thiết lập để ngăn chặn các điều kiện sự cố mạng gây ra những hậu quả bất lợi ảnh hưởng tới mức dịch vụ Quản lý tắc nghẽn cho phép các thành phần mạng để điều khiển tắc nghẽn bằng cách xác định thứ tự trong các gói được truyền đi dựa vào các quyền ưu tiên hoặc là các mức dịch vụ gán cho các gói tin đó Nó cần tạo ra hàng đợi, chỉ định các gói tin tới hàng đợi và thiết lập các gói tin trong hàng đợi Quản lý tắc nghẽn không phải là cơ chế phòng ngừa, nhưng là một cơ chế tác động ngược khi các điều kiện tắc nghẽn phát sinh trong mạng Cắt giảm và dò tìm ngẫu nghiên RED (Random Early Detection) là một trong các kỹ thuật để ngăn ngừa tắc nghẽn Thuật toán RED tận dụng các tính năng tác động ngược của TCP và rất phù hợp tới mạng TCP/IP Các tác động ngược cho phép cắt giảm lưu lượng cấp phát vào mạng khi tốc độ đường truyền chậm Tận dụng các tính năng này, thuật toán RED thực hiện cắt giảm các gói tin ngẫu nhiên thậm chí trước khi sự tắc nghẽn xảy ra
Chính sách quản lý cho phép thực hiện các luật áp dụng cho các gói tin qua mạng trên nền chính sách chung Mỗi lớp lưu lượng có một giới hạn nhất định số các gói tin được chấp nhận trong một khoảng thời gian nhất định Chính sách quản lý liên Đồ án tốt nghiệp Tổng quan về chất lượng dịch vụ quan các hoạt động của thiết bị xử lý gói tin và hiện trạng của mạng từ đó sẽ quyết định hình thức thỏa thuận mức dịch vụ
Một các tiếp cận khác về QoS được nhìn nhận từ phía mạng là tiếp cận theo mô hình phân lớp trong mô hình tham chiếu hệ thống mở OSI (Open System Interconnection), QoS được đánh giá trong một số lớp sau:
Lớp ứng dụng AL (Application Layer): Chất lượng dịch vụ QoS được nhận thức là “mức độ dịch vụ” Khái niệm này rất khó được định lượng chính xác, chủ yếu dựa vào đánh giá của con người, mức độ hài lòng đối với dịch vụ đó.
Lớp truyền tải TL (Transport Layer): Chất lượng dịch vụ được thực hiện bởi kiến trúc logic của mạng, các cơ chế định tuyến và báo hiệu đảm bảo chất lượng dịch vụ.
Cấp độ dịch vụ GoS (Grade of Service)
Một khía cạnh kỹ thuật của chất lượng dịch vụ thường được nhìn nhận như là cấp độ dịch vụ GoS, GoS thường được sử dụng trong công nghiệp viễn thông để chỉ ra các thành phần bổ sung chất lượng dịch vụ tổng thể của người sử dụng nhận được Rất nhiều các thành phần gồm cả phía kỹ thuật mạng và người sử dụng được đánh giá qua cấp độ dịch vụ, chủ yếu là các thành phần kỹ thuật có thể đo được như (băng thông, trễ) Cấp độ dịch vụ được định nghĩa dưới đây:
Nếu có một sự kiện lỗi xảy ra trong một mạng, hoặc một phần của mạng thì lưu lượng sẽ tăng lên rất nhanh vượt quá giới hạn xử lý của mạng, và kết quả là có hiện tượng tắc nghẽn xảy ra, hoặc kiến trúc của các thành phần chuyển tiếp thông tin tạo ra giới hạn độ thông qua Các giới hạn này ảnh hưởng tới dịch vụ cung cấp tới khách hàng, và cấp độ của các giới hạn này được giải thích bằng các tham số GoS thích hợp(ví dụ như xác suất mất gói, trễ trung bình, tỉ lệ lỗi, v v) Vì vậy, cấp độ dịch vụ liên quan tới các khía cạnh thông tin cung cấp trên luồng lưu lượng của chất lượng dịch vụQoS Đồ án tốt nghiệp Tổng quan về chất lượng dịch vụ
GoS được sử dụng lần đầu trong các ứng dụng chuyển mạch kênh, GoS xác định khả năng tắc nghẽn hoặc trễ của các cuộc gọi trong một khoảng thời gian và thường được biểu diễn dưới dạng phần trăm (%) Khả năng tắc nghẽn cuộc gọi hay còn gọi là khả năng tổn thất cuộc gọi xảy ra khi không thể thiết lập một cuộc gọi từ một tuyến đầu vào rỗi ra một tuyến đầu ra thích hợp Các yếu tố ảnh hưởng chính tới GoS trong trường hợp này là do cấu trúc trường chuyển mạch, kiến trúc điều khiển của hệ thống chuyển mạch Khía cạnh trễ của các cuộc gọi trong chuyển mạch kênh là một tham số đánh giá GoS bao gồm trễ thiết lập, trễ truyền và trễ giải phóng các kết nối cho cuộc gọi [2]
Một cách tổng thể, cấp độ dịch vụ GoS phụ thuộc rất lớn vào kiến trúc chuyển mạch trên cả phương diện phần cứng và phần mềm điều khiển, đồng thời phụ thuộc vào mẫu lưu lượng đưa tới hệ thống Cùng với một kiến trúc xử lý với các mẫu lưu lượng khác nhau sẽ có các cấp độ dịch vụ khác nhau.
Kiểu dịch vụ ToS và lớp dịch vụ CoS
Khái niệm kiểu dịch vụ ToS (Type of Service) và lớp dịch vụ CoS (Class of Service) thường được mô tả tường minh tại tiêu đề của các gói tin Để dễ dàng nhận thức các vấn đề này ta xem xét tại tiêu đề gói tin IP Lớp dịch vụ chia lưu lượng mạng thành các lớp khác nhau và cung cấp các dịch vụ cho từng gói tin theo lớp dịch vụ mà gói tin thuộc vào đó Mỗi một lớp dịch vụ xác định một mức yêu cầu chất lượng dịch vụ Đề nhận dạng một lớp dịch vụ, các thiết bị mạng xác định theo một số yếu tố gồm: Kiểu dịch vụ ToS và thứ tự ưu tiên của dịch vụ; Nhận dạng của thiết bị gửi, nhận dạng của thiết bị nhận dịch vụ Các trường chức năng của ToS trong tiêu đề IPv4 được trình bày trong hình 1.2 dưới đây.
Hình 1.2: Trường kiểu dịch vụ trong tiêu đề IPv4
Giá trị ưu tiên Ý nghĩa
7 (111) 6(110) 5(101) 4(100) 3(011) 2(010) 1(001) 0(000) Điều khiển mạng Điều khiển liên mạng Tới hạn, đặc biệt Truyền nhanh (tràn lụt) Truyền nhanh
Lập tức Ưu tiên Bình thường
Bảng 1.1: Thứ tự và ý nghĩa các giá trị ưu tiên trong trường ToS
Giá trị ưu tiên (IP precedence) gồm 3 bit xác nhận mức độ ưu tiên, dựa vào đó các bộ định tuyến đưa ra các quyết định chuyển tiếp thông tin qua mạng Như chỉ ra trên Đồ án tốt nghiệp Tổng quan về chất lượng dịch vụ bảng 1.1, thứ tự ưu tiên cao nhất được gán cho các gói điều khiển mạng, điều đó đảm bảo các gói liên quan tới điều khiển và tái cấu hình mạng luôn có cơ hội chuyển qua mạng cao nhất ngay cả trong những trường hợp tắc nghẽn cục bộ Các gói có thứ tự ưu tiên thấp nhất là các gói sẽ được bỏ khi có hiện tượng tắc nghẽn xảy ra Cùng với các phân thứ tự ưu tiên cho các gói theo cách trên, ToS xác định thứ tự ưu tiên theo mục tiêu chất lượng dịch vụ tương ứng với: Độ thông qua T (Throughput), trễ D (Delay) hoặc độ tin cậy R (Reliability) Các giá trị này đặt các bit T,D,R theo giá trị bit (0) cho giá trị bình thường và giá trị bit (1) cho các đặc tính ưu tiên tốt Một số bit trong trường chức năng ToS để dự phòng trong tương lai.
Lớp dịch vụ CoS khi kết hợp với mô hình phân biệt dịch vụ DiffServ(Differentiated Service) sẽ thay thế 3 trường chức năng IP precedence bằng các giá trị điểm mã dịch vụ được định nghĩa riêng bởi DiffServ để mô tả các thứ tự ưu tiên lưu lượng Vấn đề này sẽ được trình bày trong chương 3.
Các tham số chất lượng dịch vụ
Các yêu cầu chất lượng dịch vụ phải được biểu thị theo các tham số QoS đo được. Các tham số thông thường nhất thường được biết đến là các tham số: Băng thông, độ trễ, trượt, giá và xác suất mất gói Các tham số sử dụng để tính toán QoS có thể tuỳ thuộc vào kiểu mạng: Băng thông, độ trễ, giá và độ tin cậy là các tham số thường được sử dụng trong mạng IP; sự biến đổi tốc độ tế bào, tỉ lệ mất tế bào và trễ chuyển giao là các tham số thường sử dụng trong mạng ATM; Trong khi đó đối với các mạng không dây, các tham số đo thường sử dụng là băng thông, nhiễu, suy hao và độ tin cậy Trong khung làm việc chung của QoS , ba dạng tham số đo tổng quát gồm:
Các tham số tính cộng (ví dụ như trễ, trượt, giá và số bước nhảy).
Các tham số tính nhân (ví dụ như độ tin cậy).
Các tham số tính lõm (ví dụ như băng thông).
(i) Độ tin cậy Để xác định độ ổn định của hệ thống, người ta thường xác định độ khả dụng của hệ thống, đồng nghĩa với độ khả dụng của hệ thống và được nhìn nhận từ khía cạnh mạng là độ tin cậy của hệ thống Độ khả dụng của mạng càng cao nghĩa là độ tin cậy của mạng càng lớn và độ ổn định của hệ thống càng lớn Độ khả dụng của mạng thường được tính trên cơ sở thời gian ngừng hoạt động và tổng số thời gian hoạt động Ví dụ, độ khả dụng của các hệ thống chuyển mạch gói hiện nay là 99,995% thì thời gian ngừng hoạt động trong một năm vào khoảng 26 phút
Băng thông biểu thị tốc độ truyền dữ liệu cực đại có thể đạt được giữa hai điểm kết cuối Có thể giải thích qua các phép tính toán như sau: Một mô hình trạng thái QoS của mạng thường được biểu diễn dưới dạng một đồ thị G (V,E) Trong đó, V là các nút còn E các liên kết Lưu lượng vào mạng qua nút Vi và ra khỏi mạng ở nút Vj Mỗi liên Đồ án tốt nghiệp Tổng quan về chất lượng dịch vụ kết có 2 đặc tính: C(i,j) là dung lượng liên kết, f(i,j) là lưu lượng thực tế Gọi R(i,j) là băng thông dư Khi đó, nếu một kết nối có yêu cầu băng thông là Dk, thì kết nối được gọi là khả dụng khi và chỉ khi R(i,j)≥Dk Một kết nối mới có thể được chấp nhận nếu tồn tại ít nhất một đường dẫn khả dụng giữa 2 nút Vi và Vj Băng thông là tốc độ truyền thông tin được tính theo (bit/s).
Là khoảng thời gian chênh lệch giữa các thiết bị phát và thiết bị thu Trễ tổng thể là thời gian trễ từ đầu cuối phát tới đầu cuối thu tín hiệu (còn gọi là trễ tích luỹ) Mỗi thành phần trong tuyến kết nối như thiết bị phát, truyền dẫn, thiết bị chuyển mạch và định tuyến đều có thể gây ra trễ Các thành phần gây trễ chủ yếu gồm:
Trễ hàng đợi: Là thời gian một gói phải trải qua trong một hàng đợi khi nó phải đợi để được truyền đi trong một liên kết khác, hay thời gian cần thiết phải đợi để thực hiện quyết định định tuyến trong bộ định tuyến Nó có thể bằng 0 hoặc rất lớn vì phụ thuộc vào số gói có trong hàng đợi và tốc độ xử lý.
Trễ truyền lan: Thời gian cần thiết để môi trường vật lý truyền dữ liệu Ví dụ trễ truyền lan trong các truyền dẫn quang thường nhỏ hơn trong môi trường vô tuyến.
Trễ chuyển tiếp: Thời gian sử dụng để chuyển gói tin từ một tuyến này sang tuyến khác, hay thời gian được yêu cầu để xử lý các gói đã đến trong một nút Ví dụ, thời gian để kiểm tra tiêu đề gói và xác định nút tiếp theo để gửi đi
Trễ truyền dẫn: Là thời gian được yêu cầu để truyền tất cả các bit trong gói qua liên kết, trễ truyền dẫn được xác định trên thực tế của băng thông liên kết.
Biến động trễ là sự khác biệt về thời gian truyền của các gói tin khác nhau cùng trong một luồng lưu lượng Biến động trễ phát sinh chủ yếu do sự sai khác về thời gian xếp hàng của các gói liên tiếp trong một luồng gây ra và là một trong những vấn đề quan trọng nhất của QoS Khi biến động trễ nằm vào khoảng dung sai định nghĩa trước thì nó không ảnh hưởng tới chất lượng dịch vụ Nếu biến động trễ quá lớn sẽ làm cho kết nối trong mạng bị đứt quãng Các bộ đệm trễ thường được sử dụng để giảm tác động “trồi /sụt” của mạng và tạo ra dòng gói đến đều đặn hơn ở máy thu Trong một số ứng dụng thời gian thực không thể chấp nhận biến động trễ lớn, ta có thể xử lý bằng bộ đệm trễ, song chính các bộ đệm lại làm tăng trễ tổng thể nên lại nảy sinh các khó khăn khác.
Tổn thất gói có thể xảy ra theo từng cụm hoặc theo chu kỳ do mạng bị tắc nghẽn liên tục, hoặc xảy ra trên chính các trường chuyển mạch gói Mất gói theo chu kì ở khoảng 5-10% số gói phát ra có thể làm giảm chất lượng mạng xuống cấp đáng kể.Từng gói bị mất không thường xuyên cũng khiến kết nối gặp khó khăn Xác suất mất gói là giá trị giá trị được nhân lên từ xác suất mất gói được kỳ vọng ở mỗi một trong các nút trung gian giữa một cặp nguồn và đích Xác suất tổn thất gói là một đại lượng quan trọng của QoS với cả các ứng dụng dữ liệu hay các dịch vụ thời gian thực Khi Đồ án tốt nghiệp Tổng quan về chất lượng dịch vụ kết nối yêu cầu truyền dữ liệu theo đúng thứ tự, thì tổn thất gói là nguyên nhân của quá trình truyền lại Điều này làm chậm lại quá trình xử lý truyền tin và làm giảm QoS nhận được Với các ứng dụng thời gian thực, sự truyền lại gói thường không khả thi.
CÁC YÊU CẦU CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ
Tất cả các ứng dụng đều yêu cầu một mức chất lượng dịch vụ nào đó, mỗi một ứng dụng đều có một số đặc tính cơ bản khác nhau Để nhận biết các yêu cầu chất lượng dịch vụ, hệ thống thường nhận biết qua các lớp dịch vụ Theo quan điểm của ITU-T, khuyến nghị I-1541 các lớp dịch vụ được chia thành các vùng như trên bảng 1.2 dưới đây.
Lớp QoS Các đặc tính QoS
Thời gian thực, nhạy cảm với jitter, tương tác cao Thời gian thực, nhạy cảm với jitter, tương tác
Dữ liệu chuyển giao, tương tác cao
Dữ liệu chuyển giao, tương tác Tổn hao thấp (chuyển giao ngắn, dữ liệu bulk, video) Các ứng dụng nguyên thuỷ của mạng IP ngầm định
Bảng 1.2: Các đặc tính phân lớp QoS cho mạng IP theo ITU-T
Như vậy, theo quan điểm của ITU các tham số thời gian thực và tương tác cao được đặt lên hàng đầu đối với mạng IP, phần lớn các ứng dụng được thực hiện tốt trong các mạng chuyển mạch hướng kết nối (chuyển mạch kênh và ATM) đáp ứng tốt được các yêu cầu này Trong khi đó, mạng IP nguyên thuỷ không hỗ trợ các đặc tính trên, hay nói cách khác mạng IP nguyên thuỷ không hỗ trợ QoS cho các dịch vụ thời gian thực.
Dự án TIPHON của ETSI đề xuất định nghĩa phân lớp QoS được chỉ ra trên bảng 1.3 dưới đây:
Lớp QoS Thành phần Các đặc tính QoS
Hội thoại thời gian thực (thoại, video, hội nghị).
Thoại, audio, Video, đa phương tiện.
Nhạy cảm với trễ và biến động trễ, có giới hạn lỗi và tổn thất, tốc độ bít thay đổi và cố định.
(quảng bá) Audio, Video, đa phương tiện Trễ và biến động trễ có dung sai nhất định, dung sai nhỏ đối với lỗi và tổn thất, tốc độ bit thay đổi.
Tương tác cận thời gian thực (Web browsing).
Dữ liệu Nhạy cảm với trễ, biến động trễ và tổn thất, tốc độ bit thay đổi.
Dữ liệu Không nhạy cảm với trễ và biến động trễ, nhạy cảm với lỗi, nỗ lực tối đa.
Bảng 1.3: Phân lớp QoS theo quan điểm của ETSI
Hướng tiếp cận của ETSI tập trung vào các dịch vụ thường sử dụng trên mạng IP để phân ra các loại dịch vụ yêu cầu thời gian thực và không yêu cầu thời gian thực Đối Đồ án tốt nghiệp Tổng quan về chất lượng dịch vụ với các yêu cầu thời gian thực ETSI-TR102 phân biệt dịch vụ qua các độ nhạy cảm với các tham số QoS thông dung như : Trễ, biến động trễ, tổn thất gói và đặc tính tốc độ bit
Liên quan tới mạng tích hợp đa dịch vụ băng rộng B-ISDN, ITU-T định nghĩa các vùng dịch vụ, theo hướng liên quan tới công nghệ lõi của B-ISDN là công nghệ ATM chỉ ra trên bảng 1.4 dưới đây.
Vùng dịch vụ Các ứng dụng (ví dụ)
Thoại và video hội nghị, truyền thông đa phương tiện tốc độ cao (truyền file, âm thanh, hình ảnh).
Email, chat Truyền video, ảnh tĩnh, âm thanh và dữ liệu Phân bổ nội dung video, quảng bá TV.
Bảng 1.4: Các vùng dịch vụ của B-ISDN
Từ các phân vùng dịch vụ của B-ISDN, diễn đàn ATM đưa ra các phân lớp dịch vụ ATM, các đặc tính ứng dụng cũng như đặc tính chất lượng dịch vụ được chỉ ra trong bảng 15 dưới đây:
Vùng dịch vụ ATM Ứng dụng Các đặc tính QoS
Tốc độ bit cố định (CBR) Mô phỏng kênh Biến động trễ tế bào thấp, tổn thất thấp.
Tốc độ bit thay đổi- thời gian thực (rt- VBR)
Biến động trễ bình thường, tổn thất thấp.
Tốc độ bit thay đổi- phi thời gian thực (nrt- VBR)
Lưu lượng gói Tổn thất bình thường
Tốc độ bit khả dụng (ABR) Tương thích tốc độ nguồn
Tốc độ bit không định nghĩa
Lưu lượng nỗ lực tối đa
Bảng 1.5: Phân vùng dịch vụ theo diễn đàn ATM
CÁC VẤN ĐỀ ĐỂ ĐẢM BẢO QoS
Để nhận thức rõ các vấn đề cơ bản nhằm đảm bảo các yêu cầu chất lượng dịch vụ trên đây đã trình bày, ta xem xét một khung làm việc của cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ chung Một cơ cấu đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS chung nhất gồm 3 phần chính: Cung cấp QoS, điều khiển QoS và quản lý QoS như chỉ ra trên hình 1.2 dưới đây [3]
Cung cấp QoS đưa ra hàng loạt các kỹ thuật nhằm thiết lập luồng và các giai đoạn thoả thuận tài nguyên nhằm đảm bảo QoS từ đầu cuối tới đầu cuối
Điều khiển QoS đưa ra hàng loạt các hành vi điều khiển như lập lịch, chia gói lập chính sách và điều khiển luồng. Đồ án tốt nghiệp Tổng quan về chất lượng dịch vụ
Quản lý QoS nhằm giám sát, điều đình lại tài nguyên và duy trì các điều kiện đảm bảo QoS
Cơ cấu cung cấp QoS bao gồm ánh xạ QoS, kiểm tra quản lý và dành trước tài nguyên.
Module ánh xạ QoS thực hiện các chức năng biên dịch giữa các thể hiện QoS sang các mức hệ thống khác nhau, người sử dụng có thể định rõ chất lượng dịch vụ thông qua các tham số trừu tượng như tốc độ trung bình, băng thông khả dụng, trễ, mất gói tin và các yêu cầu về trễ; một thực thể sẽ biên dịch chúng thành các lớp dịch vụ để sử dụng cho mục đích dành trước tài nguyên
Module kiểm tra quản lý QoS chịu trách nhiệm kiểm tra độ khả dụng của nguồn tài nguyên so với các yêu cầu và ra quyết định có cho phép các yêu cầu mới hoặc không Một khi yêu cầu đảm bảo QoS từ đầu cuối tới đầu cuối cần tài nguyên tổng thể, các nguồn tài nguyên được phục vụ dựa trên quyết định điều khiển quản lý nhưng chúng được cam kết khi kiểm tra điều khiển quản lý thành công.
Cung cấp QoS Điều khiển QoS Quản lý QoS
3 Dành tr ớc tài nguyên
Hình 1.3: Các thành phần trong cơ cấu đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS
Module báo hiệu và dành trước tài nguyên sắp xếp các nguồn tài nguyên thích hợp với các đặc tính QoS của người sử dụng Module quản lý QoS cần các dịch vụ này để xác nhận các kiểm tra điều khiển quản lý thành công hoặc không Module ánh xạ QoS cần phải quan tâm tới khả năng của các giao thức báo hiệu trước khi ghép các đặc tính QoS vào mức chất lượng mạng
Thành phần điều khiển QoS hoạt động theo thước đo thời gian tại các tốc độ truyền thông tin, thành phần này cung cấp điều khiển lưu lượng thời gian thực dựa trên các yêu cầu mức QoS từ giai đoạn cung cấp QoS Thành phần này gồm các module sau:
Module lập lịch luồng quản lý các luồng chuyển tiếp theo cùng một cách thức ở cả hệ thống kết cuối và mạng Các luồng có đặc tính riêng tại hệ thống kết cuối sẽ tập hợp và liên kết trong lưu đồ được lập lịch bởi mạng. Đồ án tốt nghiệp Tổng quan về chất lượng dịch vụ
Module định hướng luồng điều chỉnh các luồng lưu lượng dựa trên các mức yêu cầu QoS, nó bao gồm các thuật toán để phân tích và định hướng các luồng tổ hợp tại biên mạng và lập lịch trong mạng để cung cấp hiệu năng cao nhất.
Module chính sách thường sử dụng trong điều kiện lưu lượng người dùng chuyển qua vùng biên quản lý và cần loại bỏ giám sát Chính sách được sử dụng để theo dõi khi nào nhà cung cấp duy trì các điều kiện QoS hoặc không.
Module đồng bộ luồng được yêu cầu để điều khiển các sự kiện tương tác đa phương tiện theo trình tự và thời gian chính xác.
Các thành phần quản lý QoS là để duy trì các mức QoS thoả thuận gồm các module sau:
Module kiểm tra QoS là phương tiện để theo dõi các mức QoS đầu ra sẽ được cung cấp hoặc sẽ được sử dụng, nó là cơ sở của thực thể quản lý mạng tính toán tối ưu hiệu năng mạng.
Module khả dụng QoS cho phép ứng dụng chỉ rõ các tham số QoS giam sát và phản hồi để nhận ra hiệu năng cần thiết.
Module quản lý QoS cho phép so sánh mức QoS kiểm tra với hiệu năng mong muốn và điều khiển tối ưu để đưa ra mức chất lượng dịch vụ Module này cũng đảm trách các vấn đề liên quan tới xử lý và khôi phục lỗi trên liên kết và tại các node Để duy trì các mức QoS cung cấp cần sử dụng các phương pháp đo lưu lượng nhằm giám sát và điều khiển lưu lượng mạng.
Modlue phân mức QoS gồm các phép đo để gia tăng sự phân mức cho kiến trúc QoS, các ứng dụng đa phương tiện cần có các phân mức nhằm thoả mãn các yêu cầu băng thông dòi hỏi khác nhau Module này gồm các thành phầnnhư bộ lọc QoS, tập hợp và kiến trúc phân lớp QoS.
Chương này đã trình bày một số vấn đề cơ bản về chất lượng dịch vụ như: Các định nghĩa, thuật ngữ, các mô hình và tham số cơ bản Khung làm việc chung của chất lượng dịch vụ được trình bày cùng với một số quan điểm nhìn nhận của các tổ chức viễn thông lớn trên thế giới nhằm giúp người đọc nhận thức các hướng tiếp cận khác nhau đối với vấn đề chất lượng dịch vụ. Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật đảm bảo chất lượng dịch vụ IP
KỸ THUẬT ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ IP
Lịch sử phát triển các mô hình QoS cho mạng IP
Các mạng IP vào khoảng giữa thập kỷ 1990 là các mạng nỗ lực tối đa giống như mạng internet hiện nay Các hệ thống mạng doanh nghiệp và các mạng cung cấp dịch vụ đã phát triển từ các mô hình nỗ lực tối đa thành các mô hình dịch vụ phân biệt phức tạp Điều đó có nghĩa là mạng chung phải đưa ra nhiều các ứng dụng với nhiều mức dịch vụ khác nhau
Hình 2.1 dưới đây chỉ ra các bước phát triển của khái niệm QoS từ khoảng giữa thập kỳ 1990 tới đây.
Hình 2.1: Các bước phát triển của mô hình QoS
Nỗ lực tiêu chuẩn hoá chất lượng dịch vụ IP lần đầu tiên khi IETF phát hành RFC
1633 vào tháng 6 năm 1994 RFC 1633 đưa ra mô hình dịch vụ tích hợp IntServ (Integrated Sevices) và tập trung vào giao thức dành trước tài nguyên RSVP (Resource
Mô hình IP nỗ lực tối đa
Mô hình tích hợp dịch vụ
Mô hình phân biệt dịch vụ
Kỹ thuật l u l ợng và VPN QoS §iÒu khiÓn QoS thông minh, tự động
QoS là công cụ bảo mật thêi gian Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật đảm bảo chất lượng dịch vụ IP
Reservation Protocol) RSVP báo hiệu các yêu cầu về trễ và băng thông cho các phiên riêng biệt tới từng nút dọc theo tuyến đường dẫn mà gói đi qua Tại thời điểm khởi tạo, RSVP yêu cầu các nút dự trữ tài nguyên, điều này gặp phải trở ngại rất lớn khi hoạt động trong các môi trường không gian lớn như Internet, vì số lượng các bộ định tuyến, máy chủ, thiết bị chuyển mạch lớn và đa dạng Để giải quyết thách thức này, một tập tiêu chuẩn của mô hình phân biệt dịch vụ được đưa ra như một tiêu chuẩn thứ hai về chất lượng dịch vụ IP Mô hình Diffesrv (Differentiated Services) mô tả các hành vi khác nhau được đưa ra bởi mỗi nút Các nút có thể sử dụng các đặc tính có sẵn (đặc tính chung hoặc riêng) được lựa chọn bởi các nhà cung cấp thiết bị cho phù hợp với đặc tính luồng lưu lượng Mô hình Diffserv định nghĩa các kỹ thuật đánh dấu gói, như thứ tự ưu tiên IPP (IP precendence) và nút kế tiếp của nó, các điểm mã dịch vụ phân biệt DSCP (Differentiated Services Code Points) phù hợp với các hành vi bước kế tiếp PHB (per-hop behaviors) cho các kiểu lưu lượng
Hai mô hình tích hợp dịch vụ IntServ và DiffServ cùng được phát triển và bổ sung các tính năng cần thiết cho người sử dụng Cả hai mô hình đều đưa ra các giải pháp hoàn thiện và các thành phần của hai mô hình có thể tổ hợp để cung cấp các ứng dụng tổng quát nhất cho miền rộng các lưu lượng và kiểu ứng dụng.
Hình 2.2: Tích hợp dịch vụ IntServ và phân biệt dịch vụ DiffServ
IntServ sử dụng khái niệm dựa trên luồng cùng với giao thức báo hiệu dọc theo đường dẫn gói tin Giao thức báo hiệu đảm bảo các nguồn tài nguyên thoả mãn yêu cầu dịch vụ được cung cấp tại mỗi nút cho các luồng lưu lượng trước khi nó được truyền trên mạng Trong giai đoạn đầu khởi tạo, mô hình IntServ bị hạn chế bởi vấn đề mở rộng vì rất nhiều luồng lưu lượng cần phải quản lý trong mạng đặc biệt là trong mạng đường trục.
DiffServ sử dụng phương pháp đánh dấu gói để phân loại và ứng xử với từng gói theo các hành vi độc lập Mặc dù tính mềm dẻo lớn, nhưng DiffServ không cung cấp đảm bảo băng thông cho các gói trong cùng một luồng lưu lượng Các phân tích kỹ lưỡng hơn về hai mô hình này sẽ được trình bày trong chương 3.
Khả năng mở rộng ít Khả năng mở rộng lớn
Các dịch vụ tích hợp Theo trạng thái luông Giao thức báo hiệu RSVP
Các dịch vụ phân biệtKhông trạng thái, không giao thứcHành vi b ớc kết tiếp Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật đảm bảo chất lượng dịch vụ IP
Vào cuối những năm 1990, các kỹ thuật QoS được chú trọng nhiều hơn và trở thành vấn đề quan trọng khi tương thích với các công nghệ mạng tiên tiến như: Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS (Multiprotocol Label Switching) và các công nghệ mạng riêng ảo VPN (Virtual Private Network) Các chiến lược phát triển mô hình chất lượng dịch vụ IP trong các khoảng thời gian gần đây tập trung vào tính đơn giản và tự động, với mục tiêu cung cấp các kỹ thuật đảm bảo QoS thông minh trên mạng
IP Các công nghệ QoS ngày càng đưa ra các mục tiêu quản lý chất lượng dịch vụ rộng và chi tiết hơn, có thể giải quyết được các vấn đề chất lượng dịch vụ IP ở những cấu hình phức tạp Rất nhiều nhà quản trị mạng không muốn có các mức quản lý phức tạp và họ muốn xu hướng của quản lý QoS càng đơn giản càng tốt, thậm chí phát triển các công nghệ QoS theo hướng công cụ bảo mật cho hệ thống.
Các tham số chất lượng dịch vụ IP
Theo khuyến nghị I.380 ITUT định nghĩa một số tham số đánh giá hiệu năng truyền gói tin IP gồm:
Trễ truyền gói IP IPTD (IP packet Transfer Delay): Đây là trễ cho một datagram hoặc phân đoạn cuối giữa hai điểm tham khảo Trễ này thường gọi là trễ đầu cuối tới đầu cuối hoặc trễ mạng Trong trễ truyền gói IP còn được thể hiện qua trễ truyền gói IP trung bình và biến động trễ gói tin IP.
Tỷ lệ lỗi gói tin IP IPER (IP packet Error Ratio): Đây là tham số tính theo tỷ lệ của các gói tin IP lỗi trên tổng số gói tin IP nhận được:
Nerr: Số lượng gói tin IP lỗi
Nsuc: Số lượng gói tin IP truyền thành công
Tỷ lệ tổn thất gói IP IPLR (IP Loss Ratio): Tỷ số các gói tổn thất trên tổng số các gói tin IP truyền.
Nloss: Số lượng gói tin tổn thất
Ntran: Số lượng gói tin truyền
Tỷ lệ tổn thất gói ảnh hưởng bởi chất lượng kết nối, các ứng dụng trên IP thường tính trên 3 khía cạnh ảnh hưởng tỷ lệ mất gói: Giá trị ngưỡng của tỷ lệ mất gói, dung sai của tỷ lệ mất gói và ảnh hưởng của tỷ lệ mất gói đối với hiệu năng ứng dụng.
Một số tham số cơ bản ảnh hưởng tới QoS IP thực tế
IPLRNl Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật đảm bảo chất lượng dịch vụ IP
Cùng với các ứng dụng mới được bổ sung vào mạng internet là các yêu cầu chất lượng dịch vụ Một số vấn đề liên quan tới chất lượng dịch vụ IP được nhìn nhận từ phía người sử dụng là: Một số ứng dụng chậm; các ứng dụng video có chất lượng thấp; các dịch vụ IP telephony có chất lượng không đảm bảo; thời gian chuyển giao và truyền tải lưu lượng lớn có thời gian dài Từ góc độ mạng, các vấn đề trên có thể định lượng qua các tham số QoS của mạng như: Băng thông, độ trễ, trượt mất gói và điều khiển quản lý [4]
Băng thông là một trong những tham số quan trọng nhất của chất lượng dịch vụ IP.
Sự thiếu hụt băng thông trong mạng Internet thường xuyên xảy ra do rất nhiều nguyên nhân, bản thân nguồn tài nguyên mạng không đủ đáp ứng hoặc các luồng lưu lượng cùng tranh chấp một số nguồn tài nguyên Một thể hiện rõ nhất về băng thông khả dụng được chỉ ra trên các tài nguyên liên kết trong hình 2.3 dưới đây
Hình 2.3: Băng thông khả dụng
Băng thông lớn nhất của tuyến liên kết bằng giá trị băng thông lớn nhất của một đoạn liên kết Băng thông khả dụng được tính tương đối qua giá trị băng thông lớn nhất và lượng băng thông của luồng lưu lượng Tính toán băng thông khả dụng tương đối phức tạp vì tham số băng thông mang tính lõm (như chỉ ra trên mục 1.1.4 trên đây).
Một số giải pháp đã được đưa ra nhằm giải quyết vấn đề sử dụng băng thông không hiệu quả gồm:
Tiếp cận tốt nhất là tăng dung lượng liên kết để phù hợp với tất cả các ứng dụng và người sử dụng với một số lượng băng thông dư Giải pháp này gặp phải một số điểm hạn chế thực tế như thời gian, tiền và đôi khi còn từ giới hạn của công nghệ trong quá trình nâng cấp hệ thống.
Một lựa chọn khác là sử dụng phân loại lưu lượng thành các lớp QoS và sắp xếp thứ tự ưu tiên các luồng lưu lượng quan trọng Đây là giải pháp thường sử dụng hiện nay với rất nhiều cơ cấu kỹ thuật thường được các nhà cung cấp thiết bị hỗ trợ trực tiếp trên hệ thống của họ.
BWmax= Min(10Mb/s, 256Kb/s, 512Kb/s, 100Mb/s)%6Kb/s
Gãi tin IP Gãi tin IP
10Mb/s 256Kb/s 512Kb/s 100Mb/s Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật đảm bảo chất lượng dịch vụ IP
Tối ưu đường liên kết bằng cách nén các khung tải tin nhằm tăng băng thông khả dụng của liên kết Nén dữ liệu có thể thực hiện bằng phần cứng hoặc phần mềm qua các thuật toán nén Vấn đề khó khăn nảy sinh trong giải pháp này là quá trình nén và giải nén sẽ làm tăng thời gian trễ vì độ phức tạp của thuật toán nén
Tối ưu đường liên kết bằng các kỹ thuật nén tiêu đề Kỹ thuật này đặc biệt hiệu quả tại môi trường truyền thông có các gói tin có tỉ số tiêu đề / tải tin lớn Ví dụ điển hình của nén tiêu đề là nén tiêu đề giao thức truyền tải tin cậy TCP (Transfer Control Protocol) và giao thức thời gian thực RTP (Real Time Protocol)
(ii) Độ trễ Độ trễ từ đầu cuối tới đầu cuối của một quá trình truyền tin IP được nhìn nhận đơn giản trên hình 2.4 chủ yếu gồm hai thành phần trễ: Trễ truyền lan và trễ xử lý, hàng đợi Trễ tích luỹ gồm tất cả các thành phần trễ trên và mang tính cộng Trễ truyền lan là tham số có giá trị cố định phụ thuộc và phương tiện truyền, trong khi đó tham số trễ xử lý và trễ hàng đợi trong các bộ định tuyến là các tham số có giá trị thay đổi do các điều kiện thực tế của mạng
TrÔ truyÒn lan (P1) TrÔ truyÒn lan (P2) TrÔ truyÒn lan (P3) TrÔ truyÒn lan (P4)
Trễ xử lý (Q1) Trễ xử lý (Q2) Trễ xử lý (Q3)
Gãi tin IP Gãi tin IP
Hình 2.4: Trễ tích luỹ từ đầu cuối tới đầu cuối
Trễ xử lý là khoảng thời gian cần thiết của một bộ định tuyến để chuyển một gói từ giao diện đầu vào tới hàng đợi đầu ra và phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: Tốc độ xử lý, mức độ chiếm dụng CPU, phương thức chuyển mạch IP, kiến trúc bộ định tuyến và các đặc tính cấu hình giao diện đầu vào và đầu ra.
Hình 2.5: Trễ xử lý và hàng đợi
Trễ hàng đợi là khoảng thời gian của gói tin nằm chờ tại hàng đợi trong một bộ định tuyến Trễ hàng đợi phụ thuộc vào số lượng và kích thước các gói tin trong hàng đợi và băng thông khả dụng trên liên kết đầu ra của bộ định tuyến Trễ hàng đợi còn phụ thuộc vào kỹ thuật xếp hàng. Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật đảm bảo chất lượng dịch vụ IP
Trễ truyền lan là thời gian truyền một gói qua liên kết, trễ truyền lan thường chỉ phụ thuộc vào băng thông khả dụng của liên kết Các kỹ thuật truy nhập CSMA/CD cũng có thể gây thêm trễ vì xác suất tranh chấp tài nguyên trong trường hợp giao diện tiến gần tới trạng thái tắc nghẽn
Một số giải pháp cải thiện thời gian trễ gồm có:
Tăng dung lượng liên kết, băng thông đủ sẽ khiến hàng đợi ngắn lại và các gói không phải đợi trước khi truyền dẫn Tăng băng thông cũng đồng nghĩa làm giảm trễ nối tiếp nhưng mặt khác, giải pháp này cũng làm tăng giá thành hệ thống khi phải nâng cấp.
Một tiếp cận hiệu quả hơn khi sử dụng các hàng đợi hợp lý Các hàng đợi ưu tiên là một trong những thành phần chủ yếu trong tiếp cận này Các phân tích chi tiết sẽ được trình bày trong mục 2.3 dưới đây.
Phương pháp nén tải tin và nén tiêu đề gói tin là một tiếp cận có các ưu và nhược điểm trái ngược nhau cùng tồn tại Việc nén thông tin làm kích thước gói nhỏ đi đồng nghĩa với thời gian trễ thấp đi, đồng thời các kỹ thuật nén sẽ làm gia tăng trễ vì chính kỹ thuật nén cần phải có thời gian thực hiện.
Thông thường, tổn thất gói xảy ra khi các bộ định tuyến tràn không gian đệm Hình vẽ 2.6 dưới đây chỉ ra trong trường hợp hàng đợi đầu ra đầy và các gói tin mới đến bị loại bỏ
Loại bỏ gói cuối cùng
Hình 2.6: Tổn thất gói vì hiện tượng tràn bộ đệm đầu ra
CÁC YÊU CẦU CHỨC NĂNG CHUNG CỦA IP QOS
Như chương 1 đã trình bày, để cung cấp chất lượng dịch vụ QoS qua mạng IP, mạng phải thực hiện hai nhiệm vụ cơ bản:
(1) Phân biệt các luồng lưu lượng hoặc các kiểu dịch vụ để người sử dụng đưa các ứng dụng vào các lớp hoặc luồng lưu lượng phân biệt với các ứng dụng khác;
(2) Phân biệt các lớp lưu lượng bằng các nguồn tài nguyên và ứng xử dịch vụ khác nhau trong một mạng
Nhiệm vụ (1) thường được thực hiện tại giao diện người sử dụng và mạng UNI (User Network Interface) Khả năng thực hiện nhiệm vụ (2) của mạng là sự khác biệt cơ bản của các công nghệ mạng, nó thể hiện các đặc điểm ưu việt và nhược điểm của các giải pháp công nghệ khác nhau.
Hình 2.7 dưới đây chỉ ra các yêu cầu chức năng được thực hiện trong bộ định tuyến
IP Bộ định tuyến IP trên hình vẽ thể hiện dưới góc độ các khối chức năng sắp xếp theo hướng đi của luồng dữ liệu từ đầu vào bộ định tuyến tới đầu ra bộ định tuyến Các gói tin IP đi vào từ các cổng đầu vào của bộ định tuyến tới các khối chức năng đánh dấu gói và phân loại gói, hai khối chức năng này của bộ định tuyến thực hiện nhiệm vụ
(1) Các khối chức năng: Chính sách lưu lượng, quản lý hàng đợi tích cực, lập lịch gói và chia cắt lưu lượng là các khối chức năng thực hiện nhiệm vụ (2). Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật đảm bảo chất lượng dịch vụ IP
Hình 2.7: Các yêu cầu chức năng cơ bản của một bộ định tuyến IP
(i) Đánh dấu gói tin IP Đánh dấu gói tin IP là chức năng đầu tiên mà các bộ định tuyến IP áp dụng vào các luồng lưu lượng người sử dụng Chức năng đánh dấu gói đặt các bit nhị phân vào các trường chức năng đặc biệt của của tiêu đề gói tin IP để phân biệt kiểu của gói tin IP với các gói tin IP khác Một gói có thể phân biệt bởi địa chỉ nguồn, địa chỉ đích hoặc tổ hợp cả hai, hoặc giá trị DSCP của trường chức năng IP precedence, kỹ thuật đánh dấu DSCP sẽ được trình bày trong mục sau Các gói tin IP đến một cổng đầu vào có thể được đánh dấu hoặc không Nếu gói tin đã được đánh dấu, nó có thể được đánh dấu lại nếu các giá trị đã được đánh dấu chỉ ra các đặc điểm vi phạm chính sách của bộ định tuyến đang thực hiện chuyển gói Nếu một gói chuyển qua nhiều vùng dịch vụ phân biệt, các gói tin sẽ được đánh dấu theo cách phù hợp với các thoả thuận mức dịch vụ SLA giữa các vùng Các gói tin chưa được đánh dấu sẽ được đánh dấu để nhận các giá trị phụ hợp với chính sách của bộ định tuyến.
(ii) Phân loại gói tin IP
Phân loại gói sử dụng để nhóm các gói tin IP theo luật phân lớp dịch vụ Điểm khởi tạo phân lớp lưu lượng có thể đặt tại thiết bị đầu cuối Trong mạng, các gói tin IP được lựa chọn dựa trên các trường chức năng của tiêu đề IP sử dụng cho đánh dấu gói tin IP. Hai phương pháp phân loại gói tin là:
Phân loại đa trường MF (Multi-Field)
Phân loại kết hợp hành vi BA (Behavior Aggregate)
Phương pháp phân loại đa trường chức năng được chỉ ra trên hình 2.8 dưới đây Các gói được phân loại dựa trên tổ hợp các giá trị của một hoặc nhiều trường chức năng trong tiêu đều IP Thêm vào đó là các tham số khác như nhận dạng giao diện cổng vào cũng có thể sử dụng cho mục đích phân loại. Đánh dấu gói Phân loại gói
Lập lịch Chia cắt l u l ợng Nhiệm vụ 1
(iii) (iv) (v) (vi) Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật đảm bảo chất lượng dịch vụ IP
Hình 2.8: Phương pháp phân loại gói đa trường chức năng
Phương pháp phân loại kết hợp hành vi BA thực hiện phân loại các gói dựa trên trường chức năng chứa giá trị điểm mã dịch vụ phân biệt DSCP Chi tiết kỹ thuật phân loại này sẽ được trình bày trong mô hình phân biệt dịch vụ DiffServ trong chương 3. Hình vẽ 2.9 dưới đây mô tả đơn giản của phương pháp phân loại gói theo hành vi kết hợp.
Hình 2.9: Phương pháp phân loại gói theo hành vi kết hợp BA
(iii) Chính sách lưu lượng
Chính sách lưu lượng được sử dụng để kiểm tra các luồng lưu lượng gói tin IP đến trên các cổng đầu vào của bộ định tuyến có phù hợp với các tốc độ lưu lượng đã được thoả thuận và xác định hay không Chính sách lưu lượng gồm bộ đo lưu lượng để xác định lưu lượng đầu vào và đầu ra, trên cơ sở đó áp dụng chính sách điều khiển tốc độ lưu lượng phù hợp với đầu ra bởi bộ đánh dấu gói Các gói tin có thể đánh dấu lại hoặc bị loại bỏ nếu không phù hợp với lưu lượng đầu ra Thông thường chính sách lưu lượng kiểm tra tốc độ lưu lượng đầu vào theo một vài tham số lưu lượng như: Tốc độ thông tin cam kết CIR (Committed Information Rate); tốc độ thông tin đỉnh PIR (Peak Information Rate); hoặc một số tham số phụ: Kích thước bùng nổ đỉnh PBS ( Peak Burst Size), kích thước bùng nổ cam kết CBS (Committed Burst Size) và kích thước bùng nổ vượt ngưỡng EBS (Excess Burst Size) [5]
(iv) Quản lý hàng đợi tích cực
Như đã đề cập trên đây, hàng đợi chủ yếu trong các bộ định tuyến IP truyền thống là phương pháp loại bỏ “đuôi” lưu lượng Đây là kiểu hàng đợi thụ động, các gói tin tự động bị loại bỏ khi hàng đợi đầy Ưu điểm cơ bản nhất của phương pháp này là xử lý đơn giản, tuy nhiên phương pháp này có thể gây ra các hiện tượng xấu ảnh hưởng tới đồng bộ Hình 2.10 dưới đây chỉ ra mô hình của hàng đợi thụ động.
Phân loại đa tr ờng chức năng Địa chỉ nguồn Địa chỉ đích
Tr êng DS Nhận dạng giao thức Cổng nguồn/đích Giao diện đầu vào
Phân loại theo hành vi kết hợp BA
Hành vi kết hợp BA
Các gói tin đến Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật đảm bảo chất lượng dịch vụ IP
Hình 2.10: Nguyên lý quản lý hàng đợi thụ động
Kỹ thuật quản lý hàng đợi tích cực AQM (Active Queue Management) là một kỹ thuật điều khiển chống tắc nghẽn, ý tưởng chính của AQM là dự đoán trước khả năng tắc nghẽn và đưa ra một số hoạt động điều khiển để chống lại hoặc giảm thiểu khả năng tắc nghẽn Có 3 kỹ thuật cơ bản là: Kỹ thuật loại bỏ gói sớm ngẫu nhiên RED (Random Early Discarding); Kỹ thuật loại bỏ gói sớm ngẫu nhiên theo trọng số WRED (Weighted Random Early Discarding); Thông báo tắc nghẽn hiện ECN (Explicit Congestion Notification) Kỹ thuật RED và WRED liên quan tới các hoạt động của các gói loại bỏ trong hàng đợi và không liên quan trực tiếp tới thiết bị đầu cuối ECN đưa ra tiếp cận khác liên quan trực tiếp tới các thành viên của người sử dụng đầu cuối.
(v) Lập lịch cho gói tin
Lập lịch cho các gói tin IP thể hiện cách thức thiết lập thứ tự cho các gói đi ra khỏi các hàng đợi, dựa trên các đặc tính của các cổng đầu ra, các gói tin sẽ được phân bố và chuyển tới đầu ra theo luật Thông thường, kỹ thuật lập lịch không cần phải tiêu chuẩn hoá và phụ thuộc vào nhà cung cấp thiết bị Kỹ thuật lập lịch là mấu chốt trung tâm của chất lượng dịch vụ và là thước đo công nghệ giữa các nhà cung cấp khác nhau. Hình 2.11 dưới đây chỉ ra sơ đồ nguyên lý của một dạng lập lịch, nó không đại diện cho kỹ thuật trong thực tiễn.
Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý của lập lịch gói tin IP
Như chỉ ra trên hình vẽ 2.11 lập lịch gói được ứng dụng trên từng cổng đầu ra Các gói đến tại các cổng vào (1-n) được định tuyến tới các cổng đầu ra (1-m) theo đích và
Bộ đệm đầy -> loại bỏ gói Tốc độ gói rò, r
Kích th ớc bộ đệm/
Các gói tin IP đến Các gói tin IP đi
Phân loại gói Cổng đầu ra
Hàng đợi FIFO Lập lịch
1 m Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật đảm bảo chất lượng dịch vụ IP được xác định bởi bảng định tuyến trong bộ định tuyến Tại mỗi cổng đầu ra, các gói được phân loại và xếp hàng Lập lịch được áp dụng cho các hàng đợi này kết cuối tại một cổng đầu ra thực tế Một số kiểu hàng đợi lập lịch thường sử dụng gồm: Hàng đợi vào trước ra trước FIFO (First In First Out); Hàng đợi ưu tiên PQ (Priority Queueing); Hàng đợi công bằng FQ (Fair Queuing); hàng đợi quay vòng trọng số WRR (Weighted Round Robin); Hàng đợi công bằng trọng số WFQ (Weighted Fair Queuing) và hàng đợi dựa theo lớp công bằng trọng số (Class – based WFQ).
(vi) Chia cắt lưu lượng
Chia cắt lưu lượng là để thay đổi tốc độ luồng lưu lượng đến nhằm điều hoà lưu lượng với đầu ra Nếu lưu lượng đầu vào có độ bùng nổ cao, luồng lưu lượng cần phải đệm để đầu ra bớt bùng nổ và mềm hơn Theo ý tưởng như vậy, các hành vi lưu lượng được điều chỉnh theo các dạng lưu lượng đã xác định trước, ví dụ theo các thoả thuận mức dịch vụ SLA Việc điều chỉnh tốc độ lưu lượng giống như một quá trình dừng và đi, thời gian trễ tại bộ đệm sẽ làm các gói tại đầu ra được điều chỉnh theo yêu cầu Có hai dạng chia cắt lưu lượng thường sử dụng là: chia cắt lưu lượng thuần và chia cắt lưu lượng gáo rò Các kỹ thuật này sẽ được trình bày trong mục 2.3 dưới đây.
CÁC KỸ THUẬT ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ IP
Mục 2.2 trên đây đã chỉ ra các khối chức năng cơ bản của một bộ định tuyến IP được nhìn dưới khía cạnh chất lượng dịch vụ, các kỹ thuật cơ bản sẽ được trình bày dưới đây chỉ ra các giải pháp đảm bảo QoS thường được áp dụng
2.3.1 Kỹ thuật đo lưu lượng và màu hoá lưu lượng Để thực hiện hạn chế lưu lượng, bộ định tuyến sử dụng kỹ thuật đo lưu lượng nhằm xác định tốc độ lưu lượng đầu vào có phù hợp với tốc độ thực tế hay không Các khối đo lưu lượng thường sử dụng mô hình toán gọi là gáo rò token để xác định và hạn chế tốc độ lưu lượng Mô hình gáo rò token gồm hai thành phần: Token mang ý nghĩa về sự cho phép một số lượng bit được đưa vào mạng; Gáo rò là nơi lưu trữ các token, độ sâu của gáo thể hiện các kích thước của gói Có hai dạng đo lưu lượng và màu hoá lưu lượng: Đánh dấu 3 màu tốc độ đơn srTCM (single rate Three Color marker) và đánh dấu 3 màu hai tốc độ trTCM (two rate Three Color marker).
(i) Đánh dấu 3 màu tốc độ đơn
Kỹ thuật đánh dấu 3 màu tốc độ đơn được định nghĩa trong RFC 2696 [6], như tên của nó đã ngụ ý, srTCM được sử dụng để đặt chính sách cho một luồng đơn tốc độ và cùng CIR Nó đo tốc độ lưu lượng và dựa trên kết quả đo đánh dấu các gói theo 3 màu hoặc các cấp độ Ba màu là xanh, vàng và đỏ thể hiện cấp độ tương thích lưu lượng theo thứ tự giảm dần srTCM có hai chế độ điều hành: Chế độ mù màu và chế độ rõ màu Chế độ mù màu giả thiết các gói tin đến chưa được đánh dấu màu, trong khi chế độ rõ màu giả thiết các gói tin IP đến đã được đánh dấu màu từ thực thể phía trước.
Mục tiêu của srTCM là đảm bảo tốc độ lưu lượng trung bình dài hạn của người sử dụng trong tốc độ thông tin cam kết CIR Khoảng thời gian dài hạn không tương thích Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật đảm bảo chất lượng dịch vụ IP với khoảng thời gian áp dụng chính sách vì mục tiêu của chính sách là xác định các luồng lưu lượng vi phạm các tốc độ thoả thuận trước và đánh dấu các gói tin để chuyển chúng đi Do đó các gói sẽ chuyển đi ngay mà không lưu tại bộ định tuyến một thời gian dài để chờ CIR được xác định dựa trên thời gian dài hạn Vì vậy, áp dụng chính sách phải dựa trên một khoảng thời gian ngắn, sử dụng hai tham số phụ là CBS và EBS thay cho CIR
Hình 2.12 dưới đây chỉ ra khoảng thời gian CBS trong CIR của tốc độ lưu lượng đầu vào đơn.
Hình 2.12: Khoảng thời gian CIR và CBS Đánh dấu 3 màu tốc độ đơn srTCM gồm hai kiểu gáo token, gáo token C và gáo token E như chỉ ra trên hình 2.13(a) Độ sâu của gáo C là kích thước bùng nổ cam kết CBS, gáo C được khởi tạo đầy với số lượng token Tc Độ sâu của gáo E là kích thước bùng nổ quá hạn EBS Gáo E cũng được khởi tạo đầy với số lượng Te Cả hai bộ đếm token Tc và Te được cập nhật tại tốc độ CIR, ví dụ tại các thời điểm 1/CIR giây.
Hình 2.13: Gáo C, gáo E và chế độ mù màu srTCM
Thuật toán cập nhật của hai gáo như sau:
Tại khoảng thời gian cập nhật, nếu gáo C không đầy (TcTe), gói sẽ được đánh dấu màu đỏ và cả Tc và Te không thay đổi trạng thái.
Hình 2.14 thể hiện chế độ hoạt động rõ màu của srTCM, nó tương tự như trong chế độ mù màu Các gói màu xanh kích thước B bytes đến tại thời điểm t
Vẫn giữ màu xanh nếu Tc³ B và Tc:=Tc-B.
Được đánh dấu màu vàng nếu TcBTe và Te:=Te-B.
Đánh dấu màu đỏ nếu Te Tp), gói tin sẽ được đánh dấu màu đỏ bất kể C có đủ hay không.
Nếu gáo P đủ chỗ (Tp³B), gói kích thước B được so sánh với bộ đếm token trong gáo C, Tc
Nếu (Tc³ B), gói được đánh dấu màu xanh và Tp:=Tp-B và Tc:=Tc-B
Nếu (TcB.
Nếu gói đã được đánh dấu màu xanh, nó được chuyển sang màu: Đỏ, nếu Tp
