TỔNG QUAN IP QoS VÀ CƠ CHẾ CUNG CẤP QoS TRONG MẠNG IP

CHUYÊN ĐỀ TỔNG QUAN IP QoS VÀ CƠ CHẾ CUNG CẤP QoS TRONG MẠNG IP CHUYÊN ĐỀ CẤP TIẾN SỸ Những năm gần đây đã bắt đầu khuynh hướng xây dựng các hệ thống truyền thoại và video dựa vào IP. Khái niệm mạng hội tụ (converged networks) ngày càng quen thuộc, các công nghệ IP cho phép chuyển các mạng điện thoại chuyển mạch kênh và ISDN riêng biệt sang một mạng toàn IP, nơi số liệu, thoại và video đều truyền qua cùng một hạ tầng. Trong một mạng hội tụ, chất lượng dịch vụ QoS (Quality of Service) là chủ đề hiện thực quan trọng nhất. QoS là một thuật ngữ nối mạng chỉ ra mức độ đảm bảo chất lượng số liệu được truyền nhận. Trong thực tế, QoS là cơ chế đảm bảo số liệu âm thanh và hình ảnh truyền qua mạng tốn thời gian ít nhất mà vẫn đảm bảo tính nguyên vẹn của chúng. Nếu không có QoS thì các cuộc gọi qua mạng IP sẽ không đảm bảo và không đáp ứng được nguyện vọng của người dùng.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN BCVT VIỆT NAMHỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

HÀ NỘI 4-2008

MỤC LỤC

CHUYÊN ĐỀ 1

TỔNG QUAN IP QoS VÀ CƠ CHẾ CUNG CẤP

QoS TRONG MẠNG IP

1 Khái quát về IP QoS

Những năm gần đây đã bắt đầu khuynh hướng xây dựng các hệ thống truyền thoại

và video dựa vào IP Khái niệm mạng hội tụ (converged networks) ngày càng quen thuộc, các công nghệ IP cho phép chuyển các mạng điện thoại chuyển mạch kênh và ISDN riêng biệt sang một mạng toàn IP, nơi số liệu, thoại và video đều truyền qua cùng một hạ tầng Trong một mạng hội tụ, chất lượng dịch vụ QoS (Quality of Service) là chủ đề hiện thực quan trọng nhất QoS là một thuật ngữ nối mạng chỉ ra mức độ đảm bảo chất lượng số liệu được truyền nhận Trong thực tế, QoS là cơ chế đảm bảo số liệu âm thanh và hình ảnh truyền qua mạng tốn thời gian ít nhất mà vẫn đảm bảo tính nguyên vẹn của chúng Nếu không có QoS thì các cuộc gọi qua mạng IP sẽ không đảm bảo và không đáp ứng được nguyện vọng của người dùng

Chất lượng dịch vụ được đánh giá qua bốn tham số đo lường chính là thông lượng (throughput), độ trễ (end-to-end delay), độ biến động trễ (jitter) và độ tổn thất gói (packet loss)

Thông lượng là tốc độ truyền hiệu quả được đo lường theo bit trên giây (bits per second hay bps) mà thực tế là số bit trung bình truyền thành công qua mạng trong một giây Có sự khác nhau giữa dung lượng tối đa hay tốc độ của đường truyền với thông lượng Bất cứ người dùng mạng nào đều nhận thông lượng thấp hơn băng thông thực tế của liên kết vì họat động truyền còn phải truyền các thông tin overhead là các bit mở rộng được bổ sung vào mỗi gói để nhận diện và cho nhiều mục đích điều khiển khác Về nguyên tắc, tất cả thuê bao đều có một mức thông lượng tối thiểu luôn được đảm bảo bởi nhà cung cấp dịch vụ

Tổn thất gói là tham số chỉ ra phần trăm gói đã truyền nhưng không bao giờ đến đích Các thiết bị mạng như các bộ chuyển mạch và router, đôi khi phải giữ các gói trong các hàng đợi hay bộ đệm khi một liên kết bị nghẽn Nếu liên kết cứ ở trong tình trạng nghẽn quá lâu, các hàng đợi có thể bị tràn và gói dữ liệu sẽ bị mất Các gói bị mất sẽ phải được truyền lại, và lượng thời gian cho việc này sẽ làm tăng tổng thời gian truyền Trong một mạng tốt, độ tổn thất gói dưới 1% tính trung bình trong một tháng

Độ trễ là khoảng thời gian cần thiết để số liệu di chuyển từ nguồn đến đích Ngoại trừ trường hợp có quá giang qua kênh vệ tinh, một cuộc gọi điện thoại thông

điện thoại qua mạng Internet công cộng có thể mất đến 150ms do phải xử lý tín hiệu và xếp hàng.

Độ biến động trễ (jitter) là tham số chỉ sự thay đổi độ trễ của các gói trong tuần tự

Có nhiều nguyên nhân gây ra tham số này, bao gồm sự thay đổi của chiều dài hàng đợi, sự thay đổi thời gian xử lý để sắp xếp lại trật tự gói và cả sự thay đổi trong thời gian xử lý đóng hay tách gói trong quá trình truyền

Ngoài ra, tính khả dụng (availability) cũng là một chỉ tiêu xác định chất lượng dịch vụ của một mạng Lý tưởng thì một mạng phải khả dụng trong 100% thời gian Ngay cả một mạng có chỉ số này cao 99,8 %, có thời gian bất khả dụng khoảng một hay nữa giờ một tháng, có lẽ không thể chấp nhận đối với một doanh nghiệp lớn Các nhà cung cấp dịch vụ đặc biệt tin cậy phải đảm bảo chỉ số khả dụng là 99,9999% hay còn gọi là “sáu số chín” (six nines), chỉ cho phép mất dịch

vụ khoảng 2,6 giây mỗi tháng

Để các hệ thống truyền thoại và video qua IP làm việc hiệu quả thì thông lượng phải càng lớn càng tốt trong khi độ trễ, độ tổn thất và độ biến động trễ phải ở mức tối thiểu Độ trễ nhỏ giúp cho một hội nghị qua mạng trở nên tự nhiên, ngược lại nếu độ trễ quá lớn sẽ tạo ra sự ngắt quãng trong các câu hội thoại Một độ biến động trễ quá lớn khiến cho các gói đến trong một trật tự sai gây méo dạng âm thanh và hình ảnh, hiện tượng tương tự sẽ gặp phải khi tổn thất gói lớn hơn 1% Chuẩn G.114 của ITU-T khuyến nghị rằng độ trễ không nên lớn hơn 150 ms Tuy nhiên, độ trễ đến 200ms cũng có thể chấp nhận được bởi hầu hết người dùng Còn jitter thì không nên lớn hơn 20 đến 50 ms Độ trễ từ đầu cuối đến đầu cuối không nên vượt quá một trăm mili giây Tổng thời gian bao gồm trễ lan truyền từ nguồn đến đích và thời gian xử lý tại các thiết bị, do đó không nên vượt quá 300 mili giây Bằng không, người dùng sẽ dễ dàng cảm nhận được sự trễ, đặc biệt là trong quá trình hội thoại sẽ gây ra khó chịu

Qui hoạch mạng là công cụ để đảm bảo các tham số nói trên ở trong một giới hạn cần thiết để cung cấp một mức QoS có thể chấp nhận Công việc phải tính đến bản chất tự nhiên của hạ tầng mạng (dung lượng vật lý và các giao thức được dùng tại lớp 1, lớp 2 và lớp 3 trong mô hình tham chiếu liên kết hệ thống mở OSI) và tri thức về khi nào các tài nguyên mạng được chia sẻ Các đặc tính của ứng dụng, của đầu cuối, kỹ thuật mã hóa và nén…là ngoài phạm vi kiểm soát của nhà cung cấp dịch vụ mạng, nên chuyên đề này chỉ đề cập đến góc độ ảnh hưởng của mạng

2 Phương thức căn bản hỗ trợ QoS

Hầu hết các mạng hiện hữu đều được thiết kế cho các ứng dụng số liệu mà không yêu cầu phẩm chất về thời gian thực (real time) Vì âm thanh và video phải được tiếp nhận theo thời gian thực nên QoS phải được thiết kế cho mạng này Có ba

khái niệm cơ bản ảnh hưởng truyền số liệu phải được xem xét trong khi thiết kế mạng IP cho số liệu âm thanh và video, đó là cung ứng mạng (network provisioning), xếp hàng (queuing) và phân loại (classifying)

Cung vượt cầu (Over provision)

Giải pháp phổ biên nhất cho QoS ngày nay là over-provision băng thông mạng Over-provision chỉ đơn giản là xây dựng cho mạng lượng băng thông hay dung lượng nhiều hơn nhu cầu thực tế cho audio, video và các ứng dụng thường xuyên chạy trên mạng

Có hai mức băng thông của Ethernet được triển khai bên trong mạng doanh nghiệp

là 10 Mbps và 100 Mbps, trong khi kết nối T-1 có dung lượng 1,5 Mbps thường được dùng nối mạng diện rộng cho doanh nghiệp hay liên mạng vào Internet Truyền thông đa phương tiện có thể tiêu thụ lượng băng thông đáng kể trên mạng doanh nghiệp và cung ứng mạng là một phần quan trọng của bất kỳ qui hoạch nào

để thi công mạng đa phương tiện Giải pháp rẻ tiền và bước đầu tiên được thực hiện trong bất kỳ môi trường truyền thông đa phương tiện nào là nâng băng thông mạng bằng cách chuyển sang kiến trúc chuyển mạch Kế đến là dùng mạng Ethernet 100 Mbps, bằng cách phân đoạn mạng LAN thành nhiều mạng con sao cho băng thông khả dụng được chia sẻ bởi số lượng máy trạm nhỏ hơn

Hình 1- Cung cấp băng thông cho mạng

Một số cuộc gọi IP chất lượng cao có thể được cấu hình để dùng băng thông 768 kbps hay cao hơn Con số kbps này liên hệ đến lượng dữ liệu thực tế được truyền bởi mỗi máy trạm Khi thiết kế mạng có QoS, cũng cần phải xem xét thông tin overhead của mạng Một cuộc gọi video dùng xấp xỉ 20% overhead Do đó, một cuộc gọi được thực hiện với tốc độ 786 kbps có thể tiêu thụ thực sự đến 920 kbps trên mạng Với mức băng thông này, chỉ một cuộc gọi có chất lượng đảm bảo trên một kết nối T-1 qua mạng WAN này

T-1Cable/DSL

ISDN

Như là điều luật tiên quyết, băng thông tối đa được yêu cầu cho tất cả các ứng dụng cộng lại với nhau, bao gồm thoại và video không vượt quá 75% băng thông khả dụng Tóm lại, cung cấp cho mạng một lượng bổ sung là cần thiết, tuy nhiên bản thân cung ứng mạng vẫn chưa đủ đảm bảo một QoS thích hợp.

Xếp hàng (Queuing)

Đệm dữ liệu là yếu tố QoS quan trọng, các bộ đệm truyền trong các thiết bị mạng

có xu hướng bị làm đầy nhanh chóng trong các mạng tốc độ cao Điều này gây nên hiện tượng mất gói, khiến cho âm thanh hay video bị cắt xén

Có thể khắc phục các yếu kém trong việc đệm dữ liệu bằng cách xếp hàng số liệu

âm thanh và video một cách riêng biệt bên trong các thiết bị mạng Các hàng đợi riêng biệt cho phép truyền các số liệu khắc khe về thời gian như âm thanh và video theo phương thức ưu tiên (hình 2) Để làm việc này, số liệu phải được phân loại thành ra một số ưu tiên nào đó trước khi đưa vào thiết bị truyền Căn cứ vào sự phân loại, gói được xếp vào một hàng đợi truyền phù hợp; số liệu âm thanh hay video được phân loại sao cho chúng được xếp vào một hàng đợi nhạy cảm với trễ

và với tổn thất gói Điều này có nghĩa là bất kỳ số liệu nào đến một cách đồng thời với âm thanh hay video có thể bị mất Tuy nhiên, vì số liệu thông thường không phải theo thời gian thực nên dữ liệu bị mất sẽ được truyền lại mà không làm ảnh hưởng luồng dữ liệu bình thường trên mạng Kỹ thuật hàng đợi cung cấp mức ưu tiên cao cho số liệu âm thanh và video nhạy cảm với trễ và tổn thất nhằm đảm bảo cho các gói dữ liệu này được truyền lại một cách kịp thời

Các thiết bị Hub không hỗ trợ kỹ thuật xếp hàng do đó dẫn đến gia tăng đụng độ gói, từ đó gây ra trễ và mất gói Vì vậy các thiết bị Switch hay Router thường được dùng để thay thế các Hub trong thiết kế mạng có hỗ trợ QoS

Hình 2- Hàng đợi riêng cho các lưu lượng yêu cầu nghiêm ngặt về trễ và mất gói.

Phân loại (classifying)

Kỹ thuật xếp hàng được cho phép bởi một số lược đồ phân loại hay ưu tiên gói Một vài lược đồ khác nhau đang được dùng hiện nay bao gồm RSVP (Resource Reservation Protocol), IP precedence, DiffServ (differentiated services) và MPLS (Multi-Protocol Label Switching)

RSVP là một giao thức dựa vào luồng (flow-based protocol) đảm bảo chất lượng dịch vụ cho mỗi luồng dữ liệu Mỗi luồng dữ liệu đơn hướng giữa hai ứng dụng được xem một luồng tách biệt Trong một hội nghị video thông thường sẽ có bốn luồng: truyền audio, nhận audio, truyền video và nhận video Trong thực tế, RSVP

tỏ ra nặng nề và kồng kềnh khi thực hiện Lý do là mỗi thiết bị dọc theo đường truyền của luồng bao gồm các server, PC, router, switch…phải có thể báo hiệu các nhu cầu QoS được đặc tả trong RSVP Do đó, RSVP rất khó mở rộng ra với các qui mô mạng rất lớn

IP precedence và DiffServ dựa trên các cơ cấu tương tự nhau để cung cấp QoS, ở

đó một vài bit bên trong header của gói số liệu sẽ được hiệu chỉnh Khi đến một thiết bị mạng có hỗ trợ IP precedence hay DiffServ, các gói với các bit header được cài đặt thích hợp được xếp vào một hàng đợi ưu tiên tương ứng và được truyền đi Với IP precedence và DiffServ, mạng phải được thiết kế sao cho lược đồ được hiện thực một cách nhất quán trong toàn mạng Các nhà cung cấp dịch vụ

Thiết bị Router/Switch

đang triển khai cung cấp các lớp dịch vụ theo các mức QoS khác nhau tùy vào sự phân loại của DiffServ.

Các router chuẩn đưa ra các quyết định chuyển gói bằng cách thực hiện nhiệm vụ phức tạp là dò tìm thông tin định tuyến căn cứ vào địa chỉ IP đích trong mỗi gói Mỗi router sẽ thực hiện công việc một cách độc lập bằng cách phân tích header gói

và chuyển gói từ router này đến router kế cho đến khi gói đến được đích sau cùng Việc chọn bước chuyển kế tiếp cho một gói căn cứ vào phân tích header của gói

và từ kết quả thực thi một thuật toán định tuyến Giải pháp này đôi khi không đủ

để hỗ trợ cho các nhu cầu mạng ngày nay, vì các router có thể trở thành các cổ chai của QoS, ngay cả khi IP precedence và DiffServ được dùng MPLS định nghĩa một giải pháp để cải thiện và đơn giản chức năng chuyển gói và để cung cấp

sự đảm bảo QoS MPSL được thiết kế để mang tốc độ của lớp 2 trong mô hình OSI lên lớp 3 trong mô hình này Mỗi gói được gán một nhãn định tuyến căn cứ vào một vài yếu tố bao gồm ưu tiên của gói và đích sau cùng Chuyển mạch dựa vào nhãn là nhanh vì nó cho phép các router đưa ra các quyết định chuyển dựa vào nội dung của một nhãn đơn giản thay vì phải thực hiện nhiệm vụ dò tìm phức tạp

MPLS mang lại một số ưu điểm khác cho các mạng dựa vào IP bao gồm đảm bảo QoS gần như RSVP Tuy nhiên, chỉ một ít mạng MPLS được triển khai ngày nay

vì các đặc tả vẫn còn thay đổi

3 Các cơ chế kiểm soát chất lượng mạng phổ biến

Qui họach mạng nhằm thiết kế một mạng để hỗ trợ một hỗn hợp các dịch vụ cho một số các user nào đó với các QoS có thể chấp nhận theo hợp đồng mức dịch vụ SLAs (Service Level Agreements) Dịch vụ càng phức tạp và càng nhiều chọn lựa QoS cho user thì qui họach mạng càng phức tạp

Hiện nay có ba nhóm cơ chế chính nhằm đạt được một chất lượng mạng tốt hơn mức “Best Effort” truyền thống trên mạng IP, đó là:

-Cung cấp dung lượng vượt yêu cầu

-Đăng ký trước tài nguyên

-Ưu tiên hóa các dịch vụ và user

3.1 Cung cấp dung lượng vượt yêu cầu

Cung cấp lượng băng thông vượt mức yêu cầu là cơ chế tốn kém nhất, vì hai cơ chế kia hoạt động theo nguyên lý chỉ dùng một số tối thiểu dung lượng để đáp ứng cho các hợp đồng (SLAs) Tuy nhiên, có vài yếu tố khiến cho giải pháp này trở nên hấp dẫn:

-Chi phí cho băng thông trên đường trục đang giảm, vì:

+Cung ứng về cáp đường dài trên mặt đất hiện nay là vượt quá nhu cầu

+Với công nghệ DWDM, một khi các thiết bị đầu cuối đã được bán, thì giá thành cho một bước sóng bổ sung hầu như rất thấp

-Qui họach mạng đơn giản Tính toán khi nâng cấp chỉ đơn giản là khi dung lượng nhiều hơn m% dung lượng khả dụng trong một khoảng thời gian được chỉ định thì gia tăng dung lượng của tuyến lên n%

-Việc cung ứng có thể được hoạch định Dung lượng truy xuất từ các nhánh hoàn toàn biết được và tổng tôc độ số liệu không thể vượt quá tổng các liên kết truy xuất Khi tiếp nhận nhu cầu về các liên kết truy xuất nhanh hơn, có thể đưa ra quyết định có cần phải nâng cấp dung lượng đường trục hay không

Đây là giải pháp được dùng hầu hết trong các mạng đường trục IP (ví dụ giữa các ISP mức 1) Giả sử dung lượng luôn luôn thỏa mãn cho giải pháp này, các gói IP

có thể được nạp vào trong các frame truyền (ví dụ SONET) khi chúng đến, độ trễ

và biến động trễ gây ra bởi độ trễ hàng đợi khác nhau trong quá trình truy xuất đường trục là nhỏ Yếu tố lớn nhất ảnh hưởng đến trễ là thời gian lan truyền dọc theo cáp Tuy nhiên, trong các mạng truy nhập ngoại vi thường không được lắp đặt nhiều cáp sợi quang, do đó dung lượng nhìn chung là bị hạn chế Trong bối cảnh như vậy, để hỗ trợ QoS cao hơn “Best Effort” thì điều cần thiết là có thể phục vụ phần lưu lượng nào đó tốt hơn là các phần còn lại bằng cách đăng ký tài nguyên một cách đặc biệt hay bằng cách xử lý ưu tiên cho chúng

3.2 Đăng ký trước tài nguyên

3.2.1 ATM (Asynchronous Transfer Mode)

ATM là kỹ thuật đầu tiên được thiết kế để truyền nhiều loại dịch vụ với QoS có thể dự báo trước Các đặc tả ATM định nghĩa các lớp dịch vụ (CBR, VBR (rt và nrt), ABR, UBR) trong đó bất kỳ ứng dụng truyền thông nào đều có thể ánh xạ vào Đặc tính của các lớp dịch vụ này có thể được định lượng chính xác, đảm bảo

hỗ trợ QoS ATM đưa ra các khái niệm mới như chuyển mạch nhanh sử dụng chiều dài gói cố định, được gọi là cell, khái niệm mạch ảo (Virtual Circuit)/ đường dẫn ảo (Virtual Path) và tổ chức phân cấp động và định tuyến dùng giao thức PNNI (Private Network Node Interface)

User (qua ứng dụng hay dịch vụ) phải thông báo các nhu cầu của mình cho mạng thông qua một tiến trình báo hiệu tiền kết nối Một khi yêu cầu kết nối đã được chấp nhận, tất cả các cell thuộc về một cuộc gọi sẽ chạy theo cùng một đường dẫn

Trong chừng mực nào đó vì các nhu cầu cho một giao thức báo hiệu tiền kết nối giữa user và mạng và sự phức tạp của báo hiệu, quản lý lưu lượng và phân phối tài nguyên và đặc biệt là ưu thế nổi trội của giao thức IP trong các ứng dụng số liệu

và đa phương tiện dựa vào máy tính cá nhân, mà ATM đã không thành công trong việc trở thành một giao thức đơn lẻ cho sự hội tụ của các mạng và các ứng dụng

3.2.2 IP-IntServ

Ngay từ đầu Internet không phân biệt giữa các lớp dịch vụ khác biệt Giao thức IP

về cơ bản là một giao thức best-effort trong đó không có sự đảm bảo nào khi phân phối các gói số liệu Sự xác nhận gói số liệu đã đến được đích là trách nhiệm thuộc

về một giao thức lớp trên (TCP) trong mô hình tham chiếu liên kết các hệ thống

mở OSI

Nếu có bất kỳ gói số liệu nào không đến được đích ( được xác định bởi sự kiểm tra chỉ số tuần tự của các gói tại đích), TCP yêu cầu truyền lại gói bị mất, do đó đảm bảo tất cả các gói sau cùng đều đến được đích Điều này trông hiệu quả nhưng rất chậm Do đó, TCP thường được dùng cho các ứng dụng không nghiêm ngặt về thời gian

Các ứng dụng thời gian thực không thể chấp nhận TCP, thời gian cần để theo dõi các gói bị mất và truyền lại chúng là không thể chấp nhận được trong trường hợp này Vì vậy các ứng dụng này dựa vào những gì mà về cơ bản là một phiên bản giản lược của TCP được gọi là UDP (User Datagram Protocol), UDP chạy nhanh hơn TCP bởi bỏ qua một số chức năng của nó Các ứng dụng chạy qua UDP phải

có những chức năng bị bỏ sót này hoặc có thể làm việc mà không cần đến các chức năng đó

Trong trường hợp truyền thoại, các gói truyền lại mất thời gian lâu sẽ không còn giá trị, vì vậy các gói bị mất bị bỏ qua Do đó, điện thọai IP chỉ làm việc qua mạng hoàn toàn tin cậy để bắt đầu với nó, như các mạng dựa vào cáp sợi quang với các switch và router hiện đại

Integrated service (IntServ) là thủ tục đầu tiên được đặc tả bởi IETF để hỗ trợ QoS IntServ gán một luồng số liệu đặc biệt vào khái niệm được gọi là lớp lưu lượng (traffic class), lớp lưu lượng định nghĩa một mức dịch vụ nào đó Ví dụ, có thể yêu cầu chỉ best-effort hay có thể chấp nhận một giới hạn về độ trễ Khi một lớp dịch vụ đã được gán cho một luồng số liệu, một thông điệp PATH (hình 3) được chuyển đi đến đích để xác định mạng có tài nguyên khả dụng hay không (dung lượng truyền, không gian bộ đệm…) để hỗ trợ lớp dịch vụ này Nếu tất cả các thiết bị dọc theo đường dẫn đều thấy rằng có khả năng cung cấp tài nguyên theo yêu cầu, máy đích sẽ phát ra thông điệp RESV gửi đến nguồn để thông báo rằng có thể bắt đầu truyền số liệu Thủ tục này, được biết đến như là RSVP đã